波峰焊用PCB防连焊设计案例解析 论文

波峰焊用PCB防连焊设计案例解析前言本文摘自作者”波峰焊工艺时PCB所对应的DFM” 一文中的5.2.1连焊对应. 想通过对各种优 秀设计案例的解读，使PCB设计者普及DFM常识，并对波峰焊后焊接缺陷的成因进行判定以便制定对 策.在表面贴装技术日新月异的今天，需求的推动使部品的小型化高速发展.许多小型器件波峰焊 接工艺已不能对应.本文论述的波峰焊接的工程能力极限是：表面贴装类：IC, pitch=0.5mm、chip, 1005（0402）、通孔插装类：连接器，插座/插针pitch=1.25 mm.定义：文中未注明的尺寸标注均为mm.所有与波峰焊接相关的图片自右向左为DIP方向.简称： 波峰焊接=>WS,印制线路板=>PCB,平行=>/,垂直=>±. 表面贴装技术=>SMT,通孔打装技术=>THT,焊盘=>Pad, 间距/中心距=>pitch 焊盘间距离=> 间隙 波峰焊接面/焊接起始面=>B面 热风整平=>HASL 元件面/焊接终止面=>A面 非金属化孔=>NPTH PCB在 WS时的前进方向=>DIP方向 金属化孔=>PTH 阻焊/Solder Mask =>SM 导通孔=>Via 缺陷=>NG 阻焊定义焊盘=>SMD 铜箔定义焊盘=>NSMD 回流焊接=>REF热膨胀系数=>CTE器件本体底部到引脚底部的垂直距离=>Stand Off可制造性设计=>DFM元件孔直径与引脚直径的差=>AT5.2.1连焊对应：连焊又称短路（short）或桥接（bridge），量产中在NG项中占比例较高，若能改善，则生产成本 有望降低.但实际上尽管设计人员一直在持续改善。并执行各种专家所建议的WS工艺条件，但面对飞 速发展的高密度PCB及小型化的部品，实际收效不大.可喜的是一些品牌公司在家电、汽车电子方面有 些不俗的设计案例，令人耳目一新，下文中当尽可能量化地进行说明。5.2.1.1 布局前文已定义DIP方向，在此再强调一下.当某器件的成排引脚先后通过焊料波时称/DIP方向，反之 成排引脚同时通过焊料波称为LDIP方向。因此，如图5-2-1, QFP的成排引脚先后通过焊料波，虽在几何 意义上引脚排与DIP方向并不平行，但在本文中认为此布局按规定仍是/DIP方向。不论是SMT或THT器件，其引脚间连焊的机率与其或±DIP方向密切相关，早在80年代初，美 国COOPER公司就来华交流其实验结果，其大意如下:在器件引脚密度及相同工艺条件下，上DIP方向的 IC（THT）连焊数是/DIP方向的十倍。这与我们二十多年的实践经验基本相符，反之一些国内学者 对WS的连焊理论以流体力学入手说得“头头是道”。但却忽略了 DIP方向所造成的巨大影响，实为憾事。 我们对此的认识大致如下：当成排焊点/DIP方向时，依次离开焊料波的前一焊点会把分离时没有被焊 料波拉走多余的焊料向后一相邻焊点顺序传递，仅当最后一焊点离开焊料波时有所不同，因为此时多余 焊料没有可传递的路径。在与焊料波分离时，没有被焊料波拉走的多余焊料，在表面张力的作用下，形 成回弹，使最后离开的焊点与其邻近（倒数第二）的焊点间连焊机率大增。以双列直插THT IC为例，N 个IC在/DIP方向时可能的连焊数量约是2 N.但对于±DIP方向的IC，每个引脚都处于最后离开的位 置，此时可能的连焊数量将增加到（a/2 1）*2N（a=引脚数）。此类连焊所产生的原因是基于自然规律，设 计者并不能改变，所能做的第一步是使用正确的布局。在IPC-SM-782A section9.0中的3.2，建议高引 脚数及细间距（pitchM0.63MM）时的SOIC不用于WS，图5-2-3是IPC-SM-782A中图3-9，它表达了 IPC-SM-782A 3.6.1.2总结出的两条，所有chip!DIP方向，所有SOP IC/DIP方向.但鉴于SMT 及产品的高速发展，第一条规定并不符合实际的需求。但第二条在今天看来，若想使焊接缺陷保持在某 一水平（如1000PPM）时，则是不得不遵守的.图5-2-4是松下公司95年录相机主板,SOP ,QFP,SOT-23的 布局都/DIP方向，无一例外。图5-2-5是先锋公司近期汽车电子产品，QFP、SOP、SOT、3216（1206） 阻排的布局也全部/DIP方向。”无一例外”或”全部”遵守是设计者保证品质与低成本生产的前提，当因 结构或功能原因不能满足布局考虑时，虽能在pad形状,尺寸上做对应，但因交互影响可能导致连焊的不 确定性.因此对所有SMT器件，尤其是pitch在0.5-0.8mm的QFP、SOP、SOT、阻排，容排，因其们与外 部结构件可以不相关联，应”无一例外”满足本文所称/DIP方向。但THT类的排针（座）及各种接口，卡座，尤其是pitch在1.25- 2.0mm时，只能尽量在布局时使 其/DIP方向，由于结构及功能的原因有可能做不到也在情理之中，虽然可以在pad设计时采用一些对 策，但效果会打折扣，想用后期的工艺参数的调整来补偿设计不足，多数情况都收效甚微，并使生产成 本上升。助焊剂的位置效应是指低附加值PCB （常见于单面板）,使用高固含量助焊剂（15%）,当PCB经过 焊料波，由于焊料波的刮擦效应使PCB最后离开处会有比较多的助焊剂的残留。而这局部过量的助焊 剂对RF转换器或调谐器的连焊有一定程度的改善.图4-4-1反映松下无铅化早期调谐器连焊的高发率和 工艺窗口的过小化，焊料液面0.1mm的变化都会引起交互作用.在实际的产品的设计中，JVC的VHS产 品的经典布局调谐器多位于DIP方向最后侧.所以，以预期的结果，把一个特定的部品放置于特定的区 域是一个值得一试的布局选择。冰刀线（防翘曲通道，如图5-2-4中部贯通的宽5mm的白油通道）的去连焊作用：在高温（250°C 至270C ）的影响下，PCB会有严重的下垂变形，即使变形不足以造成焊料涌上PCB的A面，但焊料 波脱离PCB时，由于PCB的弯曲使焊料有横向运动，造成了 PCB与焊料波的最后脱离不是一条线，而 是一个“点”，此处承受三方向多余焊料的回弹，造成的连焊经常在三、四个焊点之间，且常位于PCB 最后脱离边的中部，因为那里有PCB最大的下垂变形。并在时间与空间上最后离开焊料波.冰刀线的作 用是给支撑物保留一个通道，一般支撑物是在锡锅上装一付刀.焊接时PCB冰刀线区域在刀口的支撑下， 平整地滑过焊料波以减少连焊的可能.详情见后文防翘曲部分.当一些大板的中心位置不能设置冰刀线时，要遵守华硕的1/4宽度规则，见图5-2-9.即对Pitch较小 的各种多引脚部品，耍尽量避开此区域或强化窃锡Pad设计.5.2.1.2 pad 的形状站在EMS厂（PCB设计者的“上帝”）的立场，我们认为相当多的国内PCB设计者对pad的认识 存在误区。例如指导性文件“ SJ-t10670-1995” 5.2.3.1g: “对于波峰焊工艺和再流焊工艺，可以有不同 的焊盘图形要求，但通常可以将焊盘图形设计成即适用于波峰焊接，又适用于再流焊”。以chip为例 分析一下误区所在，借用IPC-MS-782A （ P77）图3为图5-2-11。对REF pad而言，最讲究的是G尺寸， 它是消除REF最典型的NG项，”锡珠”与”立碑”的最关键的参数，而对WS pad。Z尺寸要足够长，以 尽可能地消除电测工序最不易发现的WS固有NG项“漏焊”。由此可见，针对不同的焊接工艺所特有 的缺陷来设计pad，才可能解决实际生产中的问题，而不是仅满足设计对功能的保证。这也是DFM最基 本的观念之一。图5-2-12a,图5-2-12b是90年代初松下录相机HD-82在同一 PCB上，1608（0603） chip在A/B面 时不同的pad设计，以图5-2-11尺寸标注为例，REF时X=Y=0.6mm（圆形）.而 WS 时,X=1.2mm,Y=1.3mm，尺寸的差异之大，体现了设计者对它们（WS或REF）的焊接条件需求有着全然不 同的理解。图5-2-12c是菲利蒲（数据手册SC18）为应对WS与REF,而采用的皆然不同的SOT-23的焊盘 设计标淮，与实物照片相比，它提供了更多的尺寸细节.值得PCB设计新手认真考量.二十多年前，西 门子、松下就有了截然不同的WS和REF的设计规范，以对应它们各有特色的需求.八十年代初COOPER公司对THT用pad的实验结论之一是：在接近距离相同的情况下，含有弧度 的pad之间产生连焊的概率比两个矩形pad之间要小得多。在试验中成绩最好的是椭圆切去两端的 pad，如图5-2-13.此时pad之间相对的是圆弧。最差的是矩形pad，连焊数是前者的3倍多。同期，日本千住公司研究显示，如图5-2-14的三种pad中，连焊发生率的排序与焊锡饱满程度的 排序完全一致。第一位是圆形，其后是纳豆形、钻石形。图左边是对圆形pad易连焊的分析，大意是在 pad与焊料波分离后，回弹的多余焊料在表面张力的作用下，因为圆的对称性而向各方向均匀流动。其 中两相邻pad之间的相对运动，使圆pad的连焊机率上升，而纳豆pad因其形状的不对称性，表面张力 趋使回弹焊料主要流向面积大的空旷处，即向纳豆pad的长方向流动。由于焊料流动方向主要不是指向 两pad相对的小间隙处，可使连焊的机率大大降低。图左的剪头可理解为是一个矢量，长短代表作用力 或焊料量的大小，箭头则指向作用力或焊料流的方向.根据这个原理，“葫芦”pad被广泛采用，“葫芦” 被用来描述pad不太确切，但又不知正确的词语，在文中对那些与孔或电极不呈中心对称的pad不论其 外形如何，只要其功能是引导多余焊料流到人们所预期的位置，而该位置是功能焊盘的一部分，估称之 为“葫芦” pad.在REF所对应的PCB设计中，一些经典葫芦pad被当作设计标准，见图5-2-16a，图5-2-16b，图 5-2-16c均出自九州松下规准，图5-2-17是各种“葫芦” pad在手机类PCB上的形状，其作用主要是在提 高焊点可靠性的同时减少连焊的可能性。近两年，当WS的无铅化导入及布局不能满足DIP方向时，葫芦Pad成为一种很好的解决方案， 图5-2-18是先锋的汽车电子产品案例，IC301XDIP方向，pitch=2.0mm,其pad设计对应连焊有三种措 施：葫芦pad；窃锡pad；及在pad间加印白油。图5-2-19a是同一产品上调谐器的pad设计，形状较IC301 有不同，在两方向引导回弹焊料，且可有更好的焊点强度.十几年前PHILIPS的音响PCB设计就有葫芦pad，如图5-2-19b上方那一排Pitch=1.5mm的焊点，但 形状没有如今的设计那么夸张。其实从功能上讲，葫芦pad也是一种窃锡pad。它们都是借助自然规律， 利用表面张力使回弹焊料的流动不指向相邻pad间隙的最小处而降低连焊机率。钻石形pad除了有上述的好处外，并在pad的相邻处有最小的曲率，这也是使它的连焊机率下降的 一个可能的原因，但是它的焊料量较少，焊点强度需加以评估。图5-2-20a是某韩国公司的相关标准.图5-2-20b是日本三洋公司针对无铅化的焊盘设计及效果案例.图5-2-20c是量化地说明改善结果, 看来比有铅时的状态还耍好.PCB的B面THT用pad在 WS时因PTH与NPTH的不同要求有所不同，在PTH时，B面pad的 大小与可靠性弱相关。但对NPTH则不同.pad的形式决定了焊料量，与焊点强度正相关。因此，IC或 插座的外四脚常用加固型设计.如图5-2-21是松下录相机SD-50实例，在保证去除连焊的同时，尽可能提 高焊接可靠性。一一如图5-2-22.该IC pitch=2mm，采用的是钻石型pad，及如图5-2-23.该IC pitch=1.78mm采用的是圆 pad，都是松下录相机SD-50集合PCB实例。WS时SMT器件连焊几乎都呈现于IC上