Tombstoning (Chip Standing): Nguyên nhân và biện pháp phòng ngừa trong quá trình đặt chip

Ba từ: Đừng đoán nữa.

Tombstoning là một trong những lỗi khiến các đội phải tranh cãi. Nhân viên vận hành đổ lỗi cho quy trình đặt linh kiện. Kỹ sư quy trình đổ lỗi cho quá trình hàn chảy. Bộ phận chất lượng đổ lỗi cho “vật liệu”. Trong khi đó, kẻ thù thực sự của bạn là sự không đối xứng - lực thấm ướt không đều, nhiệt độ không đều, lượng keo hàn không đều, thiết kế pad không đều - chồng chất lên nhau cho đến khi một linh kiện 0201 quyết định đứng thẳng thay vì thực hiện nhiệm vụ của mình.

Và đúng vậy, tôi sẽ nói thẳng: nếu bước đầu tiên của bạn là “điều chỉnh lại máy lắp”, bạn thường đang lãng phí hàng giờ đồng hồ.

Vì hiện tượng tombstoning (chip đứng) trong quá trình đặt linh kiện hiếm khi xảy ra ngay tại vị trí đặt. Thường thì... đã bật ở đó và được thực hiện trong lò nướng.

Vậy thực sự đang xảy ra điều gì?

Một điện trở/tụ điện dạng chip có hai đầu nối. Trong quá trình hàn chảy, chì hàn ở một đầu sẽ bám dính trước hoặc kéo mạnh hơn. Đầu đó sẽ cố định. Đầu còn lại sẽ chậm hơn. Lực căng bề mặt trở thành một cần cẩu nhỏ. Linh kiện sẽ xoay thẳng đứng. Kết quả là bạn có thể gặp phải mạch hở, vấn đề độ tin cậy tiềm ẩn, hoặc cả hai.

Nếu bạn sản xuất đủ số lượng, điều này sẽ chuyển từ “lỗi nhỏ phiền phức” thành “sự cố có thể ảnh hưởng đến sự nghiệp”. Hồ sơ của cơ quan quản lý Mỹ đầy rẫy những cảnh báo rằng lỗi mối hàn có thể trở thành vấn đề an toàn - như tài liệu thu hồi của NHTSA mô tả các mối hàn bị nứt trên bo mạch in (PCB) dẫn đến vấn đề về tầm nhìn phía sau. Đó không phải là hiện tượng "tombstoning", nhưng bài học đạo đức là giống nhau: quy trình không được kiểm soát có thể dẫn đến vấn đề công khai. (static.nhtsa.gov)

Sự thật phũ phàng về việc “việc đặt và lấy đã gây ra điều đó”

Công nghệ đặt và lấy có thể góp phần. Nhưng thường không phải là nguyên nhân gốc rễ.

Dưới đây là thứ tự ưu tiên mà tôi tin tưởng khi nhìn vào biểu đồ lợi suất và tranh luận với những người muốn tìm ra một kẻ thù duy nhất:

1. In ấn bằng khuôn + Thiết kế khuôn in tạo ra sự mất cân bằng
2. Độ chênh lệch nhiệt độ + đường cong tái chảy Tăng cường sự mất cân bằng
3. Vị trí Hoặc giảm thiểu rủi ro (tiếp xúc tốt, cân bằng, Z chính xác) hoặc tăng rủi ro (lệch, nảy, tiếp xúc kém).

Đó là lý do tại sao các đội nhanh nhất không “săn lùng các dấu hiệu lỗi”. Họ tối ưu hóa quy trình sản xuất. Họ phân tích dữ liệu SPI. Họ so sánh các lệnh AOI với độ lệch của máy in. Họ xem hồ sơ hàn chảy như một thí nghiệm có kiểm soát, không phải là một công thức dân gian.

Nếu bạn chưa áp dụng cách làm đó, hãy bắt đầu với khung quy trình nội bộ của riêng bạn—khung quy trình nội bộ của bạn. Kiểm soát chất lượng quy trình và sự kỷ luật nhàm chán nhưng hiệu quả đi kèm với chúng.

Nguyên nhân gây ra hiện tượng Tombstoning trong SMT: Danh sách thực tế (không phải danh sách lịch sự)

1) Sự mất cân bằng thể tích mực in (máy in đã làm điều đó, một cách im lặng)

Một miếng đệm nhận được nhiều keo hơn. Hoặc keo bị lem. Hoặc thiết kế lỗ mở của khuôn in cung cấp keo cho một bên khác nhau.

Những đối tượng vi phạm điển hình:

• Sự không khớp của khẩu độ Bên trái so với bên phải
• Tắc nghẽn Trên các lỗ nhỏ (Loại 3, giả vờ có thể xử lý 01005 cả ngày)
• Áp lực/tốc độ của cây lau kính Tạo ra sự thiên lệch thể tích theo hướng
• Vấn đề hỗ trợ bo mạch Gây ra hiện tượng gioăng không đồng đều.

Dữ liệu trông như thế nào:

• SPI cho thấy một pad luôn có giá trị +15–30% so với pad đối ứng (cùng mã tham chiếu, cùng xu hướng vị trí).
• Các bia mộ được sắp xếp theo hướng in (cạnh trái, cạnh sau, cùng góc của bảng)

Nếu bạn muốn “lỗi đặt chip đứng” được khắc phục nhanh chóng, việc tuân thủ quy trình in là yếu tố quyết định.

2) Thiết kế pad và sự mất cân bằng đồng (bố cục PCB của bạn đã tạo ra một vấn đề)

Các pad không thực sự đối xứng. Các vùng đồng dẫn nhiệt. Sự phân bố nhiệt khác nhau. Các lỗ vias nằm gần một pad. Định nghĩa lớp phủ hàn khác nhau.

Điều này trở nên tồi tệ trên:

• 0402 → 0201 → 01005 tỷ lệ
• Bo mạch có lớp đồng dày trên một mặt của chip
• Khu vực có khối lượng nhiệt hỗn hợp (các thiết bị thụ động nhỏ được đặt cạnh các cuộn cảm hoặc bộ kết nối lớn)

Nếu bạn sử dụng hàn không chì SAC305 (Sn96.5/Ag3.0/Cu0.5), thời gian ướt của nó ít dung sai hơn so với hàn chì truyền thống SnPb. Đó không phải là hoài niệm. Đó là vật lý và cửa sổ quy trình.

3) Thời gian của quy trình tái chảy (lò nướng của bạn đã khắc phục một lỗi bằng cách tạo ra một lỗi khác)

Tốc độ tăng, thời gian ngâm, TAL, đỉnh—mọi người đều có ý kiến. Hầu hết đều chưa được kiểm chứng.

Tombstoning tăng lên khi một pad đạt đến điều kiện ướt trước pad còn lại. Các dốc tăng nhiệt độ mạnh và hành vi ngâm không đều có thể làm tình trạng này trở nên tồi tệ hơn, đặc biệt là với các linh kiện miniaturized. Có các nghiên cứu học thuật cho thấy cách các thông số hàn lại tương tác với quá trình thu nhỏ và độ bền của mối hàn – đáng đọc nếu bạn muốn giảm tranh cãi và có nhiều thông số có thể điều chỉnh hơn. Ví dụ, nghiên cứu năm 2023 về các yếu tố của hồ sơ hàn lại và quá trình thu nhỏ tập trung vào độ bền của mối hàn dưới các hồ sơ khác nhau. (Bài báo của Springer) (Springer)

Quan điểm không được ưa chuộng của tôi: Nhiều dự án chạy các “profile nhanh” vì hiệu suất xử lý có thể cảm nhận được, trong khi rủi ro lỗi lại mang tính trừu tượng. Sau đó, hàng đợi công việc sửa chữa trở thành nút thắt cổ chai thực sự của bạn.

4) Cơ chế đặt vật thể (thiết bị đặt không gây ra hiện tượng vật lý, nhưng nó có thể kích hoạt nó)

Các vấn đề về vị trí Tăng xác suất tombstoning:

• Vị trí lệch tâm (một đầu nối chỉ chạm nhẹ vào keo)
• Chiều cao lắp đặt quá cao (thành phần “nổi,” keo không dính đều)
• Lực đặt quá mức (kem bôi được bóp ra không đều)
• Mài mòn/ô nhiễm vòi phun Gây ra hiện tượng nghiêng vi mô
• Đặt linh kiện thụ động nhỏ với tốc độ cao với sự hỗ trợ của bảng điều khiển

Đây là vị trí mà “pick and place” thuộc về trong câu chuyện: không phải là nghi phạm chính, mà là yếu tố làm tăng nguy cơ.

Nếu dây chuyền sản xuất của bạn kết hợp giữa NPI (Sản phẩm mới) và sản xuất hàng loạt, hãy điều chỉnh cài đặt khác nhau. Đừng giả định rằng dây chuyền sản xuất mẫu và dây chuyền sản xuất hàng loạt có cùng khoảng ổn định. Nếu bạn đang xây dựng loại linh hoạt đó, tiêu chuẩn tham chiếu của bạn nên là thứ gì đó như Thiết lập dây chuyền lắp ráp SMT cho mẫu thử nghiệm và sản xuất số lượng nhỏ so với Dây chuyền sản xuất hàng loạt tốc độ cao, vì các giả định hoạt động là khác nhau.

5) Biến động về vật liệu (lý do đôi khi là có thật)

Tôi đã thấy rằng các linh kiện có cùng số hiệu (same part number) có thể có hành vi khác nhau giữa các lô hàng, vì quá trình mạ kết thúc, khả năng hàn và lịch sử lưu trữ không nhất quán như bộ phận mua hàng mong đợi.

Nhưng đừng vội kết luận ngay. Đó là cái bẫy kinh điển: đổ lỗi cho nhà cung cấp có thể mang lại cảm giác thoải mái về mặt cảm xúc, nhưng về mặt kỹ thuật thì đó là cách làm thiếu trách nhiệm.

Tombstoning so với skewing so với bridging (đừng nhầm lẫn giữa chúng)

Tombstoning: một đầu nâng lên hoàn toàn. Skewing: chip xoay nhưng vẫn nằm yên. Bridging: hàn nối các pad không nên được nối với nhau.

Họ có chung các yếu tố cơ bản (in ấn + điều chỉnh lại), nhưng không chia sẻ cùng một cơ chế chính. Phương pháp sửa chữa bạn sử dụng để kết nối (giảm lượng keo, thu hẹp lỗ mở) có thể làm tăng hiện tượng tombstoning nếu nó tạo ra một pad có lượng keo thấp ở một bên. Đó là lý do tại sao tối ưu hóa theo một tiêu chí duy nhất khiến các đường dẫn trở nên không ổn định.

Một quy trình khắc phục sự cố sẵn sàng cho thực địa (nhanh chóng, không tinh tế)

Câu ngắn. Bắt đầu từ SPI.

Hãy làm điều này như thể bạn được trả tiền cho kết quả, không phải cho lý thuyết: lấy 200–500 vị trí gần nhất có giá trị thể tích/chiều cao/diện tích SPI cho các chỉ định tham chiếu tombstoning, phân chia theo vị trí bo mạch, so sánh với phía máy in/độ lệch, sau đó kiểm tra xem các cụm lỗi có trùng khớp với một gia đình lỗ khuôn duy nhất hay một khu vực nhiệt duy nhất hay không — vì một khi bạn nhận ra mô hình, bạn sẽ ngừng đổ lỗi cho máy móc sai.

Câu hỏi tu từ: Tại sao phải tranh luận khi bạn có thể vạch ra kế hoạch?

Ngoài ra, nếu bạn không tự tin thực hiện phân tích đó trong nội bộ, hãy tham gia khóa đào tạo thực sự liên quan đến việc khắc phục lỗi, chứ không phải các buổi demo bán hàng—đây chính xác là nơi Đào tạo và hỗ trợ sau bán hàng trả lại.

Những con số quan trọng (và những gì chúng cho bạn biết)

Dưới đây là một bản đồ nguyên nhân gốc rễ thực tiễn. Nó không mang tính lý thuyết. Đây là cách bạn phân biệt tín hiệu với nhiễu trên một dây chuyền sản xuất SMT đang hoạt động.

Một điểm “sự thật khó khăn” nữa: sự cố về độ tin cậy của mối hàn không chờ đợi một cách lịch sự. Một bài đánh giá năm 2024 trong Vật liệu Bài viết nhấn mạnh rằng các cơ chế hỏng hóc liên quan đến mối hàn là nguyên nhân chính gây ra sự cố trong đóng gói và lắp ráp điện tử, và nó làm rõ tại sao việc kiểm soát quy trình sản xuất lại quan trọng hơn cả khía cạnh thẩm mỹ. (Bài báo của MDPI) (MDPI)

Các phương pháp phòng ngừa có thể áp dụng trên quy mô lớn

Làm cho sự đối xứng trở nên nhàm chán một lần nữa

• Điều chỉnh khẩu độ trái/phải cho các thành phần thụ động trừ khi bạn chứng minh Bạn cần sự mất cân bằng có chủ đích.
• Sử dụng giới hạn SPI so sánh giữa các chân, không chỉ dựa trên mức âm lượng tuyệt đối.
• Phân loại keo dán theo lớp thiết kế (Loại 4/5 cho keo siêu mịn; không nên cố gắng sử dụng keo không phù hợp một cách miễn cưỡng)

Hãy điều chỉnh quá trình tái chảy như một thí nghiệm, không phải là một truyền thống.

• Đặt các cặp nhiệt điện trên cả hai pad của cùng một chip trong khu vực có vấn đề.
• Tối ưu hóa cho sự đồng bộ hóa quá trình thấm ướt, không chỉ tập trung vào nhiệt độ đỉnh.
• Xác minh các thay đổi dựa trên tỷ lệ lỗi và dữ liệu về độ bền kéo/độ bền cắt khi có thể.

Xem hệ thống pick-and-place như một hệ thống chính xác, lưu ý: nó có thể bị lệch.

Nếu bạn đang sử dụng máy in Yamaha, Panasonic, JUKI, Hanwha, Fuji—không quan trọng—các mẫu lệch có thể khác nhau, nhưng hiện tượng lệch vẫn tồn tại. Vòi phun bị mòn. Bộ cấp liệu lão hóa. Calibration Z không phải là vĩnh viễn.

Và đây chính là lúc những lời hứa “chúng tôi sẽ giúp bạn” của nhà cung cấp được kiểm chứng. Nếu bạn quan tâm đến cách thức hỗ trợ thực sự hoạt động, hãy đọc phần Cam kết dịch vụ với cùng sự hoài nghi mà bạn áp dụng cho các tài liệu quảng cáo về độ chính xác của việc đặt hàng.

Ghi chép lại cách khắc phục để nó được áp dụng lâu dài.

Sự khác biệt giữa một quy trình tốt và một quy trình lộn xộn nằm ở việc liệu giải pháp được áp dụng có trở thành tiêu chuẩn hay không. Nếu bạn muốn giảm thiểu các lỗi lặp lại, hãy trình bày dữ liệu cho đội ngũ và lưu trữ bằng chứng trong cơ sở kiến thức nội bộ của bạn.

Nếu bạn cần các quy trình làm việc tham khảo, của riêng bạn Giải pháp dây chuyền sản xuất SMT trọn gói Tài liệu phải bao gồm quy trình đóng lỗi, không chỉ danh sách thiết bị.

Câu hỏi thường gặp

Tombstoning (chip standing) trong SMT là gì?

Tombstoning là một lỗi hàn chảy lại xảy ra khi một linh kiện thụ động nhỏ (thường là điện trở chip hoặc tụ điện) bị nâng lên và đứng thẳng do hàn chảy ướt một đầu sớm hơn hoặc kéo mạnh hơn, tạo ra một lực xoắn do sức căng bề mặt không cân bằng, khiến linh kiện xoay vào vị trí thẳng đứng và để lại mạch hở. Sau định nghĩa đó, điểm chính là: tombstoning là một thời gian và đối xứng Vấn đề. Các giải pháp khôi phục độ ẩm đều đặn ở cả hai đầu thường mang lại kết quả tốt.

Tại sao chip bị hỏng trong quá trình hàn lại?

Chip bị nghiêng trong quá trình hàn lại do hai đầu nối trải qua lực ướt và thời gian ướt khác nhau, thường do thể tích keo hàn không đều, nhiệt độ pad/đồng không đều hoặc hồ sơ hàn lại khiến một bên đạt đến nhiệt độ nóng chảy và ướt trước, cho phép sức căng bề mặt xoay linh kiện về vị trí thẳng đứng. Nếu bạn muốn bằng chứng, hãy đặt cảm biến nhiệt trên cả hai pad của cùng một chip và so sánh thời gian ướt sau khi điều chỉnh hồ sơ hàn.

Tombstoning có phải do độ chính xác của quá trình đặt linh kiện hay do quá trình hàn chảy không?

Tombstoning chủ yếu là một khuyết tật mất cân bằng độ ẩm phát sinh trong quá trình hàn lại, trong khi độ chính xác của quá trình đặt linh kiện và cơ chế đặt linh kiện chủ yếu ảnh hưởng đến xác suất xảy ra khuyết tật này bằng cách thay đổi mức độ tiếp xúc của mỗi đầu nối với keo hàn và mức độ đối xứng của điều kiện ban đầu khi bảng mạch được đưa vào lò hàn. Vì vậy, việc đặt linh kiện là quan trọng, nhưng lò hàn mới là nơi xảy ra quá trình “đứng lên” của linh kiện.

Profil tái nung nào là tốt nhất để giảm hiện tượng tombstoning?

Profil tái nung tốt nhất để giảm hiện tượng tombstoning là profil đồng bộ hóa quá trình thấm ướt trên cả hai pad bằng cách kiểm soát tốc độ tăng nhiệt, độ đồng đều của quá trình ngâm và thời gian ở trên nhiệt độ lỏng, sao cho cả hai đầu của chip không đạt điều kiện thấm ướt mạnh hơn đáng kể so với đầu còn lại, đặc biệt đối với các linh kiện 0201/01005. Trên thực tế, các đội thường giảm độ mạnh của quá trình tăng nhiệt và ổn định quá trình ngâm để giảm chênh lệch nhiệt độ giữa các pad.

Làm thế nào để khắc phục sự cố tombstoning nhanh chóng trên dây chuyền sản xuất đang hoạt động?

Cách nhanh nhất để khắc phục sự cố tombstoning là so sánh các báo cáo lỗi AOI với sự mất cân bằng về thể tích/chiều cao giữa các pad SPI và sự tập trung vị trí trên bảng mạch, sau đó thực hiện một thử nghiệm A/B có kiểm soát chỉ thay đổi một biến số (cài đặt máy in, tần suất làm sạch lỗ mở, hoặc độ dốc/thời gian ngâm trong quá trình hàn lại) để xác định thay đổi nào làm phá vỡ mô hình. Nếu bạn không thể vẽ đồ thị, bạn đang đoán mò. Nếu bạn có thể vẽ đồ thị, bạn đã gần đúng.

Sự khác biệt giữa tombstoning, skewing và bridging là gì?

Tombstoning là hiện tượng nâng thẳng đứng của một đầu nối do lực ướt không cân bằng gây ra, skewing là hiện tượng xoay ngang trong khi thành phần vẫn nằm yên (thường do sai lệch vị trí đặt hoặc lớp keo không đều), và bridging là hiện tượng chập điện khi hàn kết nối các pad liền kề do thể tích keo, khoảng cách pad hoặc hành vi tái chảy cho phép hàn hợp nhất. Nhầm lẫn giữa các hiện tượng này sẽ lãng phí thời gian vì “giải pháp tốt nhất” cho một vấn đề có thể làm trầm trọng thêm vấn đề khác.

Kết luận

Nếu bạn muốn, hãy gửi cho tôi kích thước linh kiện (0402/0201/01005), hợp kim hàn (SAC305 so với SnPb), loại keo hàn (Loại 3/4/5) và thông số hiện tại của bạn về ramp/soak/TAL. Tôi sẽ cho bạn biết những gì tôi sẽ kiểm tra trước tiên—và những gì tôi sẽ bỏ qua. Bắt đầu từ đây: Liên hệ với đội ngũ của chúng tôi