純干貨！焊盤尺寸設(shè)計(jì)缺陷

cqukelly 2019-10-28

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SMT焊盤設(shè)計(jì)是PCB設(shè)計(jì)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(diǎn)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(shè)計(jì)正確，貼裝時(shí)少量的歪斜可以在回流焊時(shí)，由于熔融焊錫表面張力的自校正效應(yīng)而得到糾正;相反，如果PCB焊盤設(shè)計(jì)不正確，即使貼裝位置十分準(zhǔn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)時(shí)要采取一定的預(yù)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)不合理等，導(dǎo)致焊接時(shí)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(shè)計(jì)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(dǎo)致回流時(shí)短路，如圖3所示。

圖3　焊盤長度過長，焊膏量大導(dǎo)致回流時(shí)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(diǎn)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(diǎn)少錫

7.焊盤寬度過寬導(dǎo)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(dǎo)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(dá)成的尺寸，影響焊點(diǎn)形態(tài)，降低焊點(diǎn)的可靠性，如圖9所示。

圖9　焊盤寬度偏窄，影響焊點(diǎn)形態(tài)，降低焊點(diǎn)的可靠性

10.焊盤直接與大面積銅箔連接，導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)致不能形成焊點(diǎn)，如圖12所示。

圖12　焊盤間距過大導(dǎo)致不能形成焊點(diǎn)

型號實(shí)例：信號處理模塊中SAD9058元器件的PCB焊盤尺寸與元器件實(shí)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(diǎn)強(qiáng)度降低50%，經(jīng)過多次溫度、振動試驗(yàn)后焊盤開裂，導(dǎo)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(shí)際尺寸不匹配，焊點(diǎn)強(qiáng)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(shè)計(jì)缺陷片式鉭電容器焊盤設(shè)計(jì)是焊盤設(shè)計(jì)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(dāng)額定電壓為25V時(shí)，CA45型其外殼有C、E型兩種，而設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)長度應(yīng)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(shè)計(jì)長度應(yīng)為8.8mm。

如果設(shè)計(jì)人員在PCB上設(shè)計(jì)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(yán)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(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格保持對稱性，即焊盤圖形與尺寸應(yīng)完全一致，以保持焊料熔融時(shí)，元器件上所有焊點(diǎn)的表面張力能保持平衡，以形成理想的焊點(diǎn)，否則極易導(dǎo)致偏移、立碑等缺陷。印制導(dǎo)線應(yīng)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(shè)計(jì)缺陷示例

①當(dāng)焊盤尺寸大小不對稱或兩個(gè)元器件的端頭設(shè)計(jì)在同一個(gè)焊盤上時(shí)，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(shè)計(jì)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(shí)，焊盤較大的一端或吸熱量大的一端焊料達(dá)不到應(yīng)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(yīng)力集中，導(dǎo)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(dǎo)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(shí)間內(nèi)完成焊接的效應(yīng)，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(shí)間，否則將形成陰影效應(yīng)，如圖21所示。

圖21　波峰焊時(shí)，元器件焊盤沒有加長形成陰影效應(yīng)

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(diǎn)結(jié)構(gòu)應(yīng)力不足，焊點(diǎn)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(shí)，會造成焊點(diǎn)的不飽滿。

①翼形引腳元器件會造成焊點(diǎn)腳跟極小甚至沒有。

②J形引腳元器件則使得焊點(diǎn)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(shè)計(jì)缺陷

①PCB焊盤尺寸和QFN盤柵實(shí)物尺寸不匹配導(dǎo)致焊接后連焊少錫等嚴(yán)重問題，如圖24所示。

圖24　實(shí)物尺寸不匹配導(dǎo)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(shè)計(jì)要求

③如圖26所示，印制電路板上的接地焊盤設(shè)計(jì)成很多小塊，且每個(gè)小塊中間有很大的導(dǎo)通孔，焊接時(shí)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(dǎo)通孔，又沒有進(jìn)行塞孔處理，焊接時(shí)焊料流失

④如圖27所示，接地焊盤上因未進(jìn)行除金搪錫處理或接地焊盤上有導(dǎo)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(jìn)行除金搪錫處理，焊接不良

七、安裝孔金屬化，焊盤設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)成“米”字形或梅花狀，也可以使用阻焊槽，如圖29所示。

圖29　設(shè)計(jì)成梅花狀的安裝孔

③使用阻焊槽設(shè)計(jì)，應(yīng)注意過波峰焊的方向要和阻焊槽的方向?qū)?yīng)。對于過波峰焊使用工裝載具的產(chǎn)品，安裝孔設(shè)計(jì)不受以上限制，如圖30所示。

圖30　使用過波峰焊的安裝孔設(shè)計(jì)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(diǎn)和線路(面積大于8.0mm×8.0mm的地線除外)，以防止固定螺釘時(shí)碰到元器件或線路。

八、公用焊盤問題導(dǎo)致的缺陷

如圖31所示的公用焊盤是PCB設(shè)計(jì)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(shí)引起虛焊的隱患。

②限制了后續(xù)調(diào)試、試驗(yàn)和售后維修過程的返修次數(shù)。

③維修時(shí)，解焊一個(gè)元器件，同焊盤的周圍元器件都被解焊。

④公用焊盤時(shí)，焊盤上的應(yīng)力過大，造成焊接時(shí)焊盤剝離。

⑤元器件之間公用同一個(gè)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(dǎo)致組裝焊接過程發(fā)生很多的元器件安裝、焊點(diǎn)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(shè)計(jì)不合理

①電源VCC、GND等需要設(shè)計(jì)成熱焊盤，以改善焊接時(shí)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(shè)計(jì)要求

②如圖33所示，熱焊盤設(shè)計(jì)時(shí)，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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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?yàn)楦层~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(shí)出現(xiàn)漂移現(xiàn)象，如圖35所示。

圖35　穩(wěn)壓器焊盤設(shè)計(jì)過大

⑤兩個(gè)元器件焊盤并列，連接強(qiáng)度差，在振動條件下會失效，如圖36所示。

圖36　電阻并列設(shè)計(jì)示意圖

十、其他焊盤設(shè)計(jì)缺陷

①導(dǎo)線與元器件焊盤重疊，影響焊點(diǎn)形態(tài)、增加橋連、虛焊風(fēng)險(xiǎn)，如圖37所示。

圖37　導(dǎo)線與元器件焊盤重疊

②PCB上沒有設(shè)計(jì)元器件安裝孔或所示元器件未加固，只利用元器件的焊點(diǎn)固定，元器件裝配強(qiáng)度差，易造成焊點(diǎn)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

根據(jù)陳正浩編著的<高可靠性電子裝備PCBA設(shè)計(jì)缺陷案例分析及可制造性設(shè)計(jì)>改編

作者：范陶朱公

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