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通过PCB封装库焊盘设计排除【立碑】现象

新闻资讯 | 2021-06-02 10:02

能创建PCB封装库与会正确地创建PCB封装库是2个完全不同的概念,能创建库可能只是会软件操作,而会正确地创建封装库则需要考虑可加工性、电、热等方面的知识,因为在创建封装库时需要对焊盘尺寸数据补偿。没经焊盘补偿处理的PCB封装库很多时候看来起正确,但是进入后序量产阶段会引起连锡、立碑等各种问题,其中生产中遇到的“立碑”现象中的重要原因之一就是因为封装的焊盘库补偿参数不正确。

 

 

 “立碑”效应
 

 

 “立碑”这词有点瘆人,具体的过程如下面的动态小视频:

 

 

图 1.   立碑发生过程

 

由于移动类产品在小型化、轻便方面的强烈需求,促使其所用的电子元件越来越小(如:0402、0201、01005等这些非常小的片式分立元件),加上环保方面的限制,在SMT工艺中使用无铅工艺技术后,会使无铅锡膏的浸润性变差,这些小元件在加工的过程稍有不慎就有“立碑”现象的发生,当然导致“立碑”立碑的原因非常多,下面会从多方面进行详细的说明,但不可否认的是由PCB封装库建库的不正确性所引起的情况就是其中重要原因之一。作为一个非工艺专业类的硬件工程师或PCB工程师,如自行建PCB封装时参考《PCB封装与原理图库工程设计》一书中提供的工程数据(这些工程数据都已经过了单板验证),至少可以在PCB建库的时就能把一些明显的错误排除掉。

 

 

立碑产生的原因分析
 

 

2.1      受力示意

 

立碑主要原因是由于在回流时元器件的两端在熔解的焊料中受到的张力不平衡。回流焊过程中元件主要受力如下图所示:

 

图 2.   元件SMT受力示意

 

主要有下面的四种力施加在元件上:

 

(1)T1:焊盘外侧solder拉力

(2)T2:焊盘内侧solder拉力

(3)T3: solder浮力

(4)T4:元件重力

 

当T1往外的拉力大于其余各力的合力时,就发生了立碑。

 

2.2      原因分析

 

再深入分析“立碑”发生的原因,最终归纳为下面这几方面:

 

1、  焊盘大小

 

 

在设计焊盘时如焊盘超过元件端子后向外补偿尺寸太少将会减少有效角,从而在焊缝面上增加拉力的垂直矢量,使立碑现象更加严重。如果焊接焊盘设计太宽,元件则会漂移而使元件两端之间的拉力失去平衡因此产生了立碑。

 

【解决方式】

 

工程经验发现,减少焊盘的宽度及适当增加向外延伸长度,如条件允许,使用圆状焊盘比起矩形或正方形焊盘提供更低的立碑率。

 

而《PCB封装与原理图库工程设计》一书中对于不同封装的不同焊盘在设计时提供了焊盘补偿的数据,这些经过生产验证的工程数据,可以作为大多数的硬件或PCB封装设计工程师自行建库时的参考。

 

图 3.   数据摘自《PCB封装与原理图库工程设计》

 

2、焊盘间隔尺寸设计

 

 

片式元件两焊盘之间间隔如设计不合理也会产生立碑,太小的间隔将引起片式元件本身在熔融焊料上部漂移,太大的间隔将很容易造成两者之中任一端从焊盘上翘起。

 

【解决方案】

 

元器件两焊盘之间采用适当的间隔,具体常用的元件也可以参考《PCB封装与原理图库工程设计》书中最后的实物1:1样例库。

 

*如只是为了简单地处理立碑的影响,焊盘之间的间隔通常会采用稍短于片式元件端子的两个金属之间的间隔。

 

3、片式分立元件端子的金属尺寸

 

 

如果片式元器件下面的金属端子的宽度和面积都太小,它们将减少片式元件下面的拉力,会加剧立碑。

 

图 4.   元件端子的金属尺寸

 

【解决方案】

 

在选用片式元器件时,尽量选用较大的宽度和面积端子的元件。

 

以上提供了常用片式元件建PCB封装库时的焊盘及封装尺寸方面的工程数据,以下则是与元件加工相关。

 

4、温度梯度会因不均匀的热量分布或附近的元件阴影效应而增加

 

 

焊盘连接到大的散热层或铜箔可能比其他对应焊盘温度要低,导致立碑。阴影效应是由于在元件附近加热介质流动受到阻滞。

 

图 5.   阴影效应

 

【解决方案】

 

(1)通过适当的PCB布局把阴影效应减到最小。

(2)设计时优化焊盘的连接方式(如表层焊盘与Copper采用非全连接)或与不同层的连接方式等于减少散热的不均匀,将热量的不均等分布减到最小,包括焊盘与散热层的连接。

(3)回流时使用缓和的加热速率,避免采用气相回流方法。

(4)在回流前预干或使用有长时间均热区的曲线以减少助焊剂的出气率;越过锡膏熔化温度时使用非常缓慢升温速率的回流曲线,适当增加预热阶段的保温区温度,将其时间延长至偏上限值,使两端的锡能同时充分熔化。

(5)正确设置预热期工艺参数,根据每种不同产品调节好炉温适当的温度曲线。

图 6.   过炉温度曲线

 

5、元件端子金属层或PCB焊盘金属层的可焊性不一致

 

 

这是由于受到污染或是氧化,易于在元件两端产生不平衡力,引起立碑。如果焊盘涂层是Sn-Pb涂层,一旦焊料熔化在焊盘之上将立即润湿,所以,它对横过焊盘的温度梯度更加敏感,往往会比普通的铜焊盘产生更加严重的立碑。

 

【解决方案】

 

(1)在铜焊盘上使用有机的可焊性保护剂(OSP)或镍/金(Ni/Au)或锡涂层代替Sn-Pb涂层。

(2)减少元件端子金属

(3)使用氮气炉,因为在加热过程中,有氮气保护作用,因而其零件脚PCB焊盘,可以阻止锡粉颗粒等再度氧化的情况,使其焊锡可在无太多氧化物阻挠下快速焊接。

 

6、不平衡的润湿

 

 

不平衡的润湿是由于使用了润湿时间快的助焊剂,或助焊剂的激烈出气(这是由于使用高挥发性助焊剂或回流时迅速加热引起)。

 

【解决方案】

挑选合适的助焊剂

 

 

7、锡膏印刷厚度

 

 

较高的锡膏印刷厚度产生更多的立碑,主要是因为元件在大量的熔融焊料中“漂移”。

 

这些与钢网的制作及加工细节相关,如:

 

(1)钢网太厚,锡膏量太多

(2)钢网与PCB间距过大

(3)印刷机刮刀压力过小

(4)多次印刷锡膏

(5)锡膏坍塌(粘度低)

(6)锡膏印刷偏移

(7) ……

 

【解决方案】

 

使用较薄的锡膏印刷厚度。

在具体生产时则需要注意下面的这些情况:

(1)调整锡膏印刷机参数

(2)调整锡膏印刷机刮刀压力

(3)只印刷一次锡膏

(4)缩短锡膏印刷后放置时间(调整锡膏粘度)

(5)调整锡膏印刷机参数

(6)调整贴片机座标

(7)调整回流炉设置

 

8、元器件贴放精度

 

 

一些机器在贴放元器件时精度太差,会直接导致片式元件两端润湿的不平衡,加重了立碑现象。

 

【解决方案】

 

提高元件贴放精度。

 

 

总结
 

 

对于硬件件工程师或PCB设计工程师,如没有创建PCB封装库的经验但工作上需要自行创建PCB库时,可以按《PCB封装与原理图库工程设计》中的建库步骤及方法,并参考书中提供的不同尺寸焊盘补偿的数据,基本可以创建出正确的PCB封装库。

文章来源:微信