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通過PCB封裝庫焊盤設計排除【立碑】現象

新聞資訊 | 2021-06-02 10:02

能創建PCB封裝庫與會正確地創建PCB封裝庫是2個完全不同的概念,能創建庫可能只是會軟件操作,而會正確地創建封裝庫則需要考慮可加工性、電、熱等方面的知識,因為在創建封裝庫時需要對焊盤尺寸數據補償。沒經焊盤補償處理的PCB封裝庫很多時候看來起正確,但是進入后序量產階段會引起連錫、立碑等各種問題,其中生產中遇到的“立碑”現象中的重要原因之一就是因為封裝的焊盤庫補償參數不正確。

 

 

 “立碑”效應
 

 

 “立碑”這詞有點瘆人,具體的過程如下面的動態小視頻:

 

 

圖 1.   立碑發生過程

 

由于移動類產品在小型化、輕便方面的強烈需求,促使其所用的電子元件越來越?。ㄈ纾?402、0201、01005等這些非常小的片式分立元件),加上環保方面的限制,在SMT工藝中使用無鉛工藝技術后,會使無鉛錫膏的浸潤性變差,這些小元件在加工的過程稍有不慎就有“立碑”現象的發生,當然導致“立碑”立碑的原因非常多,下面會從多方面進行詳細的說明,但不可否認的是由PCB封裝庫建庫的不正確性所引起的情況就是其中重要原因之一。作為一個非工藝專業類的硬件工程師或PCB工程師,如自行建PCB封裝時參考《PCB封裝與原理圖庫工程設計》一書中提供的工程數據(這些工程數據都已經過了單板驗證),至少可以在PCB建庫的時就能把一些明顯的錯誤排除掉。

 

 

立碑產生的原因分析
 

 

2.1      受力示意

 

立碑主要原因是由于在回流時元器件的兩端在熔解的焊料中受到的張力不平衡?;亓骱高^程中元件主要受力如下圖所示:

 

圖 2.   元件SMT受力示意

 

主要有下面的四種力施加在元件上:

 

(1)T1:焊盤外側solder拉力

(2)T2:焊盤內側solder拉力

(3)T3: solder浮力

(4)T4:元件重力

 

當T1往外的拉力大于其余各力的合力時,就發生了立碑。

 

2.2      原因分析

 

再深入分析“立碑”發生的原因,最終歸納為下面這幾方面:

 

1、  焊盤大小

 

 

在設計焊盤時如焊盤超過元件端子后向外補償尺寸太少將會減少有效角,從而在焊縫面上增加拉力的垂直矢量,使立碑現象更加嚴重。如果焊接焊盤設計太寬,元件則會漂移而使元件兩端之間的拉力失去平衡因此產生了立碑。

 

【解決方式】

 

工程經驗發現,減少焊盤的寬度及適當增加向外延伸長度,如條件允許,使用圓狀焊盤比起矩形或正方形焊盤提供更低的立碑率。

 

而《PCB封裝與原理圖庫工程設計》一書中對于不同封裝的不同焊盤在設計時提供了焊盤補償的數據,這些經過生產驗證的工程數據,可以作為大多數的硬件或PCB封裝設計工程師自行建庫時的參考。

 

圖 3.   數據摘自《PCB封裝與原理圖庫工程設計》

 

2、焊盤間隔尺寸設計

 

 

片式元件兩焊盤之間間隔如設計不合理也會產生立碑,太小的間隔將引起片式元件本身在熔融焊料上部漂移,太大的間隔將很容易造成兩者之中任一端從焊盤上翹起。

 

【解決方案】

 

元器件兩焊盤之間采用適當的間隔,具體常用的元件也可以參考《PCB封裝與原理圖庫工程設計》書中最后的實物1:1樣例庫。

 

*如只是為了簡單地處理立碑的影響,焊盤之間的間隔通常會采用稍短于片式元件端子的兩個金屬之間的間隔。

 

3、片式分立元件端子的金屬尺寸

 

 

如果片式元器件下面的金屬端子的寬度和面積都太小,它們將減少片式元件下面的拉力,會加劇立碑。

 

圖 4.   元件端子的金屬尺寸

 

【解決方案】

 

在選用片式元器件時,盡量選用較大的寬度和面積端子的元件。

 

以上提供了常用片式元件建PCB封裝庫時的焊盤及封裝尺寸方面的工程數據,以下則是與元件加工相關。

 

4、溫度梯度會因不均勻的熱量分布或附近的元件陰影效應而增加

 

 

焊盤連接到大的散熱層或銅箔可能比其他對應焊盤溫度要低,導致立碑。陰影效應是由于在元件附近加熱介質流動受到阻滯。

 

圖 5.   陰影效應

 

【解決方案】

 

(1)通過適當的PCB布局把陰影效應減到最小。

(2)設計時優化焊盤的連接方式(如表層焊盤與Copper采用非全連接)或與不同層的連接方式等于減少散熱的不均勻,將熱量的不均等分布減到最小,包括焊盤與散熱層的連接。

(3)回流時使用緩和的加熱速率,避免采用氣相回流方法。

(4)在回流前預干或使用有長時間均熱區的曲線以減少助焊劑的出氣率;越過錫膏熔化溫度時使用非常緩慢升溫速率的回流曲線,適當增加預熱階段的保溫區溫度,將其時間延長至偏上限值,使兩端的錫能同時充分熔化。

(5)正確設置預熱期工藝參數,根據每種不同產品調節好爐溫適當的溫度曲線。

圖 6.   過爐溫度曲線

 

5、元件端子金屬層或PCB焊盤金屬層的可焊性不一致

 

 

這是由于受到污染或是氧化,易于在元件兩端產生不平衡力,引起立碑。如果焊盤涂層是Sn-Pb涂層,一旦焊料熔化在焊盤之上將立即潤濕,所以,它對橫過焊盤的溫度梯度更加敏感,往往會比普通的銅焊盤產生更加嚴重的立碑。

 

【解決方案】

 

(1)在銅焊盤上使用有機的可焊性保護劑(OSP)或鎳/金(Ni/Au)或錫涂層代替Sn-Pb涂層。

(2)減少元件端子金屬

(3)使用氮氣爐,因為在加熱過程中,有氮氣保護作用,因而其零件腳PCB焊盤,可以阻止錫粉顆粒等再度氧化的情況,使其焊錫可在無太多氧化物阻撓下快速焊接。

 

6、不平衡的潤濕

 

 

不平衡的潤濕是由于使用了潤濕時間快的助焊劑,或助焊劑的激烈出氣(這是由于使用高揮發性助焊劑或回流時迅速加熱引起)。

 

【解決方案】

挑選合適的助焊劑。

 

 

7、錫膏印刷厚度

 

 

較高的錫膏印刷厚度產生更多的立碑,主要是因為元件在大量的熔融焊料中“漂移”。

 

這些與鋼網的制作及加工細節相關,如:

 

(1)鋼網太厚,錫膏量太多

(2)鋼網與PCB間距過大

(3)印刷機刮刀壓力過小

(4)多次印刷錫膏

(5)錫膏坍塌(粘度低)

(6)錫膏印刷偏移

(7) ……

 

【解決方案】

 

使用較薄的錫膏印刷厚度。

在具體生產時則需要注意下面的這些情況:

(1)調整錫膏印刷機參數

(2)調整錫膏印刷機刮刀壓力

(3)只印刷一次錫膏

(4)縮短錫膏印刷后放置時間(調整錫膏粘度)

(5)調整錫膏印刷機參數

(6)調整貼片機座標

(7)調整回流爐設置

 

8、元器件貼放精度

 

 

一些機器在貼放元器件時精度太差,會直接導致片式元件兩端潤濕的不平衡,加重了立碑現象。

 

【解決方案】

 

提高元件貼放精度。

 

 

總結
 

 

對于硬件件工程師或PCB設計工程師,如沒有創建PCB封裝庫的經驗但工作上需要自行創建PCB庫時,可以按《PCB封裝與原理圖庫工程設計》中的建庫步驟及方法,并參考書中提供的不同尺寸焊盤補償的數據,基本可以創建出正確的PCB封裝庫。

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