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嘉峪檢測網(wǎng) 2021-07-12 20:17
SMT焊盤設計是PCB設計非常關(guān)鍵的部分，它確定了元器件在PCB上焊接位置，對焊點的可靠性、焊接過程中可能出現(xiàn)的焊接缺陷、可清晰性、可測試性和可維修性等起著顯著作用。
如果PCB焊盤設計正確，貼裝時少量的歪斜可以在回流焊時，由于熔融焊錫表面張力的自校正效應而得到糾正；相反，如果PCB焊盤設計不正確，即使貼裝位置十分準確，回流焊后會出現(xiàn)元器件位移、立碑等焊接缺陷。
因此焊盤設計是決定表面組裝部件可制造性的關(guān)鍵因素之一。片式元器件焊盤設計需要考慮的因素有很多，必要的焊料量是確保結(jié)合部可靠性的前提。對在回流焊過程中可能出現(xiàn)的橋連、翹立等現(xiàn)象，在設計時要采取一定的預防措施。
SMC/SMD與焊盤的匹配必須符合GJB 3243和IPC-7351的要求。常見的焊盤尺寸設計缺陷有焊盤尺寸錯誤、焊盤間距過大或過小、焊盤不對稱、公用焊盤設計不合理等，導致焊接時容易出現(xiàn)虛焊、移位、立碑、少錫等很多缺陷，影響可靠性。
一、片式元器件焊盤設計缺陷
1、0.5mm間距的QFP焊盤長度太長，造成短路，如圖1所示。
圖1 焊盤長度太長，造成短路
2.PLCC插座焊盤太短，造成虛焊，如圖2所示。
圖2 焊盤太短，造成虛焊
3.IC的焊盤長度過長，焊膏量較大導致回流時短路，如圖3所示。
圖3 焊盤長度過長，焊膏量大導致回流時短路
4.翼形芯片焊盤過長影響腳跟焊料填充和腳跟潤濕不良，如圖4所示。
圖4 焊盤過長影響腳跟焊料填充和腳跟潤濕不良
5.片式元器件焊盤長度過短，造成移位、開路、無法焊接等焊接問題，如圖5所示。
圖5 焊盤長度過短，造成移位、開路、無法焊接
6.片式元器件焊盤長度過長，造成立碑、開路、焊點少錫等焊接問題，如圖6所示。
圖6 焊盤長度過長，造成立碑、開路、焊點少錫
7.焊盤寬度過寬導致元器件位移、空焊和焊盤上錫量不足等缺陷，如圖7所示。
圖7 焊盤寬度過寬導致元器件位移、空焊和焊盤上錫量不足
8.焊盤寬度過寬，元器件封裝尺寸與焊盤不匹配，如圖8所示。
圖8 焊盤寬度過寬，元器件封裝尺寸與焊盤不匹配
9.焊盤寬度偏窄，影響熔融焊料沿元器件焊端和PCB焊盤結(jié)合處的金屬表面潤濕鋪展所能達成的尺寸，影響焊點形態(tài)，降低焊點的可靠性，如圖9所示。
圖9 焊盤寬度偏窄，影響焊點形態(tài)，降低焊點的可靠性
10.焊盤直接與大面積銅箔連接，導致立碑、虛焊等缺陷，如圖10所示。
圖10 焊盤直接與大面積銅箔連接，導致立碑、虛焊
11.焊盤間距過大或過小，元器件焊端不能與焊盤搭接交疊，會產(chǎn)生立碑、移位、虛焊等缺陷，如圖11所示。
圖11 焊盤間距過大或過小，元器件焊端不能與焊盤搭接交疊
12.焊盤間距過大導致不能形成焊點，如圖12所示。
圖12 焊盤間距過大導致不能形成焊點
型號實例：信號處理模塊中SAD9058元器件的PCB焊盤尺寸與元器件實際尺寸不匹配，元器件焊接后引腳與焊盤的重疊接觸部分僅占焊盤長度的50%（要求是100%接觸），焊點強度降低50%，經(jīng)過多次溫度、振動試驗后焊盤開裂，導致干擾信號無法正常輸出，如圖13所示。
圖13 焊盤尺寸與元器件實際尺寸不匹配，焊點強度降低
二、片式元器件錯誤的“常見病、多發(fā)病”
鉭電容器焊盤設計缺陷片式鉭電容器焊盤設計是焊盤設計錯誤的“常見病、多發(fā)病”。圖14所示是片式鉭電容器外形圖，圖15所示是片式鉭電容器焊盤尺寸圖。
圖14 片式鉭電容器外形圖
圖15 片式鉭電容器焊盤尺寸圖
CA45片式固體電解鉭電容器，當額定電壓為25V時，CA45型其外殼有C、E型兩種，而設計人員在元器件表面上往往只寫型號規(guī)格，忽略尾綴；C型的CA45-25V-10μ的片式鉭電容器的L為5.8mm，焊盤設計長度應為7.4mm；而E型的CA45-25V-10μ的片式鉭電容器的L為7.3mm，焊盤設計長度應為8.8mm。
如果設計人員在PCB上設計的焊盤長度為C型CA45-25V-10μ的片式鉭電容器的焊盤長度（7.6mm）而裝配的是E型CA45-25V-10μ片式鉭電容器（L為7～7.6mm），就會出現(xiàn)錯誤，片式鉭電容器與焊盤之間的焊接存在嚴重的不可靠性，如圖16所示。
圖16 C型元器件焊盤安裝E型元器件，無法產(chǎn)生牢固焊接
三、焊盤兩端不對稱，走線不規(guī)范
焊盤設計應嚴格保持對稱性，即焊盤圖形與尺寸應完全一致，以保持焊料熔融時，元器件上所有焊點的表面張力能保持平衡，以形成理想的焊點，否則極易導致偏移、立碑等缺陷。印制導線應從焊盤對稱中心布線，禁止從對角線方向和焊盤的寬邊布線，如圖17所示。
圖17 對角線方向和焊盤寬邊布線設計缺陷示例
①當焊盤尺寸大小不對稱或兩個元器件的端頭設計在同一個焊盤上時，由于表面張力不對稱，也會產(chǎn)生吊橋、移位現(xiàn)象，如圖18所示。
圖18 設計缺陷：公用焊盤和元器件兩端焊盤不對稱示例
②焊盤不對稱，回流焊時，焊盤較大的一端或吸熱量大的一端焊料達不到應有熔融潤濕效果，產(chǎn)生立碑、冷焊現(xiàn)象，如圖19所示。
圖19 焊盤不對稱產(chǎn)生立碑示例
③焊盤不對稱，造成片式元器件兩端焊盤上的焊料量不一致，會在元器件上產(chǎn)生不一致的應力集中，導致片式陶瓷電容器電極產(chǎn)生裂紋，如圖20所示。
圖20焊盤不對稱，導致片式陶瓷電容器電極產(chǎn)生裂紋示例
④由于波峰焊特定的焊料涌動、沖刷和短時間內(nèi)完成焊接的效應，通常需要將有引腳元器件焊盤加長，以加大焊料接觸面積和時間，否則將形成陰影效應，如圖21所示。
圖21 波峰焊時，元器件焊盤沒有加長形成陰影效應
四、焊盤寬度及相互間距離不均勻
①焊盤寬度與引腳寬度不匹配，寬度過大會在焊接過程中發(fā)生元器件偏移、甚至短路現(xiàn)象。
②寬度過小又會直接影響焊點結(jié)構(gòu)應力不足，焊點完整性缺失等可靠性問題，如圖22所示。
圖22 焊盤寬度及相互間距離不均勻，造成焊接不可靠
五、IC焊盤寬度間距過大
如圖23所示，集成電路的焊盤寬度與引腳寬距不能很好地匹配時，會造成焊點的不飽滿。
①翼形引腳元器件會造成焊點腳跟極小甚至沒有。
②J形引腳元器件則使得焊點腳趾、腳心焊料的缺失，從而影響焊料的附著力，對可靠性有極大的破壞作用。
圖23 焊盤寬度間距過大
六、QFN焊盤設計缺陷
①PCB焊盤尺寸和QFN盤柵實物尺寸不匹配導致焊接后連焊少錫等嚴重問題，如圖24所示。
圖24 實物尺寸不匹配導致焊接后連焊少錫
②PCB接地焊盤與QFN兩側(cè)盤柵距離過窄，造成與QFN的盤柵短路。如圖25所示，QFN元器件兩側(cè)的引腳間距為1.18mm，而元器件接地焊盤寬度為1.0mm+0.1/-0.15mm，即使100%精確貼裝，貼片后元器件接地焊盤和QFN元器件兩側(cè)的距離只有0.065mm，勢必造成QFN元器件引腳和元器件接地焊盤之間短路。
圖25 避免QFN元器件引腳和元器件接地焊盤之間短路的周邊焊盤設計要求
③如圖26所示，印制電路板上的接地焊盤設計成很多小塊，且每個小塊中間有很大的導通孔，焊接時焊料流失，造成接地不良，降低散熱效果。
圖26 接地焊盤上有導通孔，又沒有進行塞孔處理，焊接時焊料流失
④如圖27所示，接地焊盤上因未進行除金搪錫處理或接地焊盤上有導通孔等原因，上錫面積只有20%，接地焊盤焊接不良，降低散熱效果。
圖27 QFN中間接地焊盤未進行除金搪錫處理，焊接不良
七、安裝孔金屬化，焊盤設計不合理
①安裝孔是用螺釘固定PCB之用。安裝孔壁覆銅箔，造成過波峰焊后堵孔，如圖28所示。
圖28 安裝孔壁覆銅箔，造成過波峰焊后堵孔
②過波峰焊的安裝孔焊盤需要設計成“米”字形或梅花狀，也可以使用阻焊槽，如圖29所示。
圖29 設計成梅花狀的安裝孔
③使用阻焊槽設計，應注意過波峰焊的方向要和阻焊槽的方向?qū)?。對于過波峰焊使用工裝載具的產(chǎn)品，安裝孔設計不受以上限制，如圖30所示。
圖30 使用過波峰焊的安裝孔設計要求
要求孔周圍的銅箔離圓孔邊0.2mm以上，距孔中心5mm范圍內(nèi)不可有元器件焊點和線路（面積大于8.0mm×8.0mm的地線除外），以防止固定螺釘時碰到元器件或線路。
八、公用焊盤問題導致的缺陷
如圖31所示的公用焊盤是PCB設計中的“常見病、多發(fā)病”，也是造成PCB焊接質(zhì)量隱患的主要因素之一。
①同一焊盤焊接片式元器件后，若再次焊接引腳插裝元器件或接線，則存在二次焊接時引起虛焊的隱患。
②限制了后續(xù)調(diào)試、試驗和售后維修過程的返修次數(shù)。
③維修時，解焊一個元器件，同焊盤的周圍元器件都被解焊。
④公用焊盤時，焊盤上的應力過大，造成焊接時焊盤剝離。
⑤元器件之間公用同一個焊盤，錫量過多，熔融后表面張力不對稱，將元器件拉到一側(cè)，產(chǎn)生移位或立碑。
⑥與其他焊盤非規(guī)范使用類似，主要原因是只考慮電路特性和受面積或空間限制，導致組裝焊接過程發(fā)生很多的元器件安裝、焊點缺陷等，最終對電路工作的可靠性產(chǎn)生極大的影響。
圖31 公用焊盤問題的形式及危害
九、熱焊盤設計不合理
①電源VCC、GND等需要設計成熱焊盤，以改善焊接時各焊盤的均衡散熱性能，如圖32所示；否則會因散熱不均而出現(xiàn)冷焊、連焊、立碑、歪斜等焊接不良現(xiàn)象。
圖32 熱焊盤設計要求
②如圖33所示，熱焊盤設計時，如SOIC、QFP等引腳焊盤直接和大面積的VCC/GND相連，容易造成連焊、冷焊等缺陷。
圖33 焊盤直接和大面積的VCC/GND相連是常見的錯誤設計之一
③如圖34所示，覆銅與焊盤相連影響熔錫：由于覆銅會吸收大量熱量，造成焊錫難以充分熔化，從而形成虛焊。
圖34 焊盤直接和覆銅相連是常見的錯誤設計之一
圖34（a）所示元器件焊盤直接與覆銅相連；
圖34（b）所示50腳連接器沒有直接與覆銅相連，但4層板的中間兩層為大面積覆銅，所以這兩種情況都會因為覆銅吸收大量熱量而造成錫膏不能充分熔化。
④穩(wěn)壓器焊盤過大，元器件焊接時出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，如圖35所示。
圖35 穩(wěn)壓器焊盤設計過大
⑤兩個元器件焊盤并列，連接強度差，在振動條件下會失效，如圖36所示。
圖36 電阻并列設計示意圖
十、其他焊盤設計缺陷
①導線與元器件焊盤重疊，影響焊點形態(tài)、增加橋連、虛焊風險，如圖37所示。
圖37 導線與元器件焊盤重疊
②PCB上沒有設計元器件安裝孔或所示元器件未加固，只利用元器件的焊點固定，元器件裝配強度差，易造成焊點振裂失效，如圖38所示。
圖38 元器件未加固
③阻焊界定焊盤，熱容量不平衡，0603以下元器件容易出現(xiàn)立碑現(xiàn)象，可維修性差，如圖39所示。
圖39 采用阻焊界定焊盤容易出現(xiàn)立碑現(xiàn)象
來源：可靠性雜壇
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