0402封裝元件SMT焊接缺陷分析及改進(jìn)

朱 海

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，安徽 蚌埠 233010）

一、前言

電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)是重量越來(lái)越輕、外形越來(lái)越小，對(duì)元器件的要求則是尺寸越來(lái)越微型化，同時(shí)對(duì)PCB的可制造性設(shè)計(jì)要求也越來(lái)越高。PCB設(shè)計(jì)是保證表面組裝質(zhì)量的首要條件之一，不良設(shè)計(jì)在SMT生產(chǎn)制造中的危害非常大。如果PCB焊盤(pán)設(shè)計(jì)不正確，即使貼裝位置十分正確，再流焊后也會(huì)出現(xiàn)元件位置偏移、虛焊、立碑、短路等焊接缺陷。本文將結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，以0402封裝元件焊盤(pán)設(shè)計(jì)不合理造成的焊接缺陷為例進(jìn)行分析，并提出相應(yīng)的改進(jìn)方法。

二、背景

XXX 課題印制板在錫膏印刷、機(jī)器貼片、回流焊接等操作過(guò)程均符合工藝要求的情況下，再流焊后，印制板上0402元件均不同程度出現(xiàn)了元件虛焊、立碑、偏移等焊接缺陷，主要缺陷類型見(jiàn)圖1。

圖1 0402元件焊接缺陷

針對(duì)圖1所示焊接缺陷，為了獲得合格的焊接質(zhì)量，需要通過(guò)手工、借助必要的工具進(jìn)行返修，不但浪費(fèi)人力，還會(huì)延誤工期。此外，返修時(shí)重復(fù)加熱可能會(huì)造成元件焊端的可靠性降低、焊盤(pán)附著力降低、損壞元器件和印制板等缺陷，直接影響到產(chǎn)品的可靠性。

三、原因分析

在確認(rèn)生產(chǎn)操作過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題后，結(jié)合印制板的PCB文件對(duì)圖1所示的焊接缺陷進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生圖1所示焊接缺陷的原因主要有以下2種：

1.焊盤(pán)內(nèi)間距偏大

0402元件封裝外形及尺寸參數(shù)如圖2所示：

圖2 0402元件封裝外形及尺寸參數(shù)

該印制板上焊接0402元件的焊盤(pán)外形尺寸如圖3a所示。理想狀態(tài)貼片效果如圖3b所示。

圖3 印制板焊盤(pán)設(shè)計(jì)及理想的貼片效果

由圖3b可以看出，由于焊盤(pán)內(nèi)間距偏大，理想狀態(tài)貼片后元件焊端仍然會(huì)超出焊盤(pán)，導(dǎo)致焊端與焊盤(pán)的接觸面積偏小，不能形成可靠的焊點(diǎn)連接。此外，貼片機(jī)拾放元件過(guò)程中稍有偏差就會(huì)導(dǎo)致元件焊端與焊盤(pán)的接觸面積偏小或只有一端搭在焊盤(pán)上，在回流焊過(guò)程中由于焊盤(pán)兩端潤(rùn)濕力不同就會(huì)產(chǎn)生元件偏移、虛焊、立碑等焊接缺陷。焊接缺陷如圖4所示。

圖4 焊盤(pán)間距過(guò)大帶來(lái)的焊接缺陷

2.導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)不合理

通用設(shè)計(jì)要求PCB板設(shè)計(jì)中不能將導(dǎo)通孔設(shè)置在焊盤(pán)區(qū)域內(nèi)或?qū)?dǎo)通孔設(shè)置與焊盤(pán)直接相連。當(dāng)導(dǎo)通孔裸露時(shí)，再流焊時(shí)焊盤(pán)上的焊錫會(huì)流到導(dǎo)通孔里，導(dǎo)致焊盤(pán)上錫量減少，引起虛焊、立碑、焊點(diǎn)強(qiáng)度不足等缺陷。此外，如果導(dǎo)通孔同時(shí)距離兩個(gè)焊盤(pán)過(guò)近，焊接時(shí)由于兩個(gè)焊盤(pán)上的焊料都流進(jìn)導(dǎo)通孔，則會(huì)導(dǎo)致焊點(diǎn)短路。PCB不良設(shè)計(jì)及對(duì)應(yīng)的焊接缺陷如圖5a所示。

圖5 導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)不合理及對(duì)應(yīng)焊接缺陷

當(dāng)導(dǎo)通孔覆蓋綠油時(shí)，會(huì)造成元件兩端焊盤(pán)面積不同或焊盤(pán)內(nèi)間距偏大等缺陷，在印制板組件過(guò)回流爐焊接時(shí)由于綠油阻焊效果就會(huì)產(chǎn)生虛焊、立碑等焊接缺陷，此類缺陷無(wú)法補(bǔ)焊或即使補(bǔ)焊成功也難以保證焊點(diǎn)強(qiáng)度。PCB不良設(shè)計(jì)及造成的缺陷如圖5b所示。

四、改進(jìn)措施

1.焊盤(pán)內(nèi)間距偏大的改進(jìn)

為了使0402元件焊接時(shí)形成可靠焊點(diǎn)，結(jié)合GJB 3243-98 及產(chǎn)品0402元件焊接實(shí)際，總結(jié)了一種0402元件的焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)要求，0402元件焊盤(pán)外形及推薦的焊盤(pán)尺寸如圖6所示。

圖6 0402元件焊盤(pán)外形及推薦尺寸

印制板上0402元件的焊盤(pán)設(shè)計(jì)可參照?qǐng)D6中推薦的尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)，焊盤(pán)長(zhǎng)度Z、焊盤(pán)內(nèi)間距C可根據(jù)印制板元件布局密度適當(dāng)取值。

2.導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)不合理的改進(jìn)

通用的設(shè)計(jì)要求是：焊盤(pán)和導(dǎo)通孔之間最好有一段涂有阻焊膜的細(xì)線相連，細(xì)線應(yīng)滿足0.5mm×0.4mm（適用無(wú)阻焊導(dǎo)通孔）原則來(lái)防止焊料流失，如果導(dǎo)通孔涂覆有阻焊劑，距離L可以小至0.1mm，見(jiàn)圖7所示。

圖7 通用的設(shè)計(jì)要求（無(wú)阻焊和有阻焊）

對(duì)于密度較高的PCB板，元件焊盤(pán)與導(dǎo)通孔無(wú)法滿足上述原則，對(duì)離元件焊盤(pán)較近的導(dǎo)通孔可以采用頂層+底層的Tenting模式并阻焊塞孔方式來(lái)防止焊錫流失，如果空間位置過(guò)小，無(wú)論怎么布局都會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)通孔在焊盤(pán)上，在滿足產(chǎn)品要求的前提下，可以將元件布局到印制板相對(duì)空曠的地方或選用更小封裝元件。

五、結(jié)語(yǔ)

不良設(shè)計(jì)在SMT生產(chǎn)制造中帶來(lái)的質(zhì)量缺陷隱患非常大，如果PCB設(shè)計(jì)可制造性差，會(huì)增加工藝流程和工藝難度，降低生產(chǎn)效率，浪費(fèi)工時(shí)，拖延工期，最嚴(yán)重的是會(huì)造成大量焊接缺陷，勢(shì)必會(huì)進(jìn)行PCBA維修，即使采取補(bǔ)救措施或通過(guò)返修暫時(shí)解決了，但對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量、成本和效益都會(huì)造成不同程度的損失。因此，設(shè)計(jì)、工藝人員應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到可制造性設(shè)計(jì)的重要性，從產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)起，就考慮到其可制造性。