如何解决焊盘不匹配导致生产时产生锡珠的问题

2020-04-02 14:10发布

作者 | 王辉刚   王辉东(一博科技高速先生团队队员)

序:
PCBA的生产环节中有很多不良问题发生,其中锡珠引起的短路失效,总是让人防不胜防。解决此问题方法有很多,是从生产上改进,工艺上改良,还是从设计源头上优化,多年来大家对此各抒己见讨论不休,本期的DFM案例分析也许能给出一个比较明确的答案……

正文:
随着电子产品集成化的不断提高,对PCBA工艺制程的要求也越来越高。比如阻容封装01005 尺寸的器件在智能穿戴产品和手机通讯产品的普遍应用,密间距的QFN、CSP封装的应用等都提升了SMT工艺制程的复杂程度。为满足产品的可靠性要求,良好的焊点形成有赖于合理的焊盘设计、合适的锡膏量、合适的炉温区线等,其中钢网的设计工艺是提升SMT工序良率的核心部分,这对于多年来在一线生产的工程师来说,也是巨大的挑战。只有大家积累了丰富的生产经验和扎实的技术功底,才能在生产线上处理异常时能迅速推导出缺陷的发生原因和机理,快速有效的解决问题。

本期课题,跟大家一起分享SMT制程中,常见几种封装产生锡珠不良的问题,怎么通过钢网开孔优化来解决的案例,同时在优化钢网开孔时,也要避免因开孔面积缩小导致焊点少锡现象的不良问题出现。

通常关于锡珠不良现象描述如下:

锡珠是指在焊接过程中,由于锡膏飞溅或残留、溢出焊盘等原因在PCB表面非焊点处形成的不规则的锡球。SMT工艺制程中在以下元件周围出现锡珠的概率比较常见,通常分部位置如下:

  • 电阻、电容元件焊盘周围

  • 模块组件、屏蔽罩周围

  • 电感、磁珠、晶振、LED灯、MOS管、保险丝

  • 底部扁平封装器件如:滤波器、LGA封装本体侧面出现锡珠现象

下图为阻容器件底部和模块引脚周边因锡珠产生的不良案例。

 

图1:阻容封装图2:模块封装图3: 晶振封装


锡珠问题形成的原因有很多种:

  • 从设计的角度PCB焊盘设计不合理、特殊封装器件接地大焊盘外伸超出器件引脚过长。

  • 物料封装与焊盘尺寸不匹配,元件本体压在焊盘上导致锡膏外溢

  • 锡膏印刷后贴片压力过大,部分锡膏被挤出焊盘到元器件本体的底部或焊盘外侧,在回流焊接时,被挤出的部分锡膏,未能正常收回到焊盘上,所形成的锡珠。

  • 在回流焊接过程中,温度曲线的加热升温的斜率过快,锡膏中的助焊剂溶剂剧烈汽化产生爆喷从而导致锡粉飞溅,在焊盘周围所形成的锡珠。

  • 在锡膏印刷过程中,由于钢网底部未清洗干净,在PCB焊盘周围有残留的锡粉,在回流焊接过程中,也能导致锡珠的产生。

  • 钢网开孔设计如果直接按照gerber文件中的焊盘尺寸1:1 开孔,不做任何的评审和优化,这样全开孔印刷锡膏,元件贴装后锡膏挤出焊盘,回流焊接后形成锡珠。

处理对策和预防措施:

  • 遇到片式阻容类焊盘设计内距小于IPC-SM-782标准“Gap”值时,工艺工程师片优化钢网时必须按防锡珠开孔方式特殊处理,如果按客户提供的Gerber文件开孔,就会出现开孔未内切处理,导致开孔内距偏小(如下图一)。

  

开孔内距小于0.3mm 0402封装优化开孔内距0.35 – 0.5mm之间

  • 以下有几种防锡珠开孔方式:

0603元件内距保持0.8mm防锡珠处理内切外扩方式防锡珠、少锡

  

开梯形防锡珠方式开“U”形防锡珠方式


  • 模块类封装防锡珠开孔方式主要是依据物料引脚尺寸和形状进行优化:

 

焊盘尺寸1.8*1.27mm优化钢网开孔尺寸2.1mm*1.26

  • 针对晶振是底部焊盘封装尺寸的类型,防锡珠开孔也不同。

 

内距尺寸为:1.3mm优化内距2mm倒圆角,宽度2mm开孔

  • 对QFP、PLCC封装长条形引脚的焊盘开孔方式  

宽度内切处理引脚宽度1:0.9开孔,内距大于0.2mm

  • 一般情况下防止锡膏印刷后连锡现象的发生,采用缩孔方式和开孔架桥方式来处理。

  • 遇到混装元件复杂度高的产品时,采用局部阶梯厚度的开孔方式

比如板上的元件既有最小封装0201、01005元件,又有大焊盘或定位孔的元件(如耳机座、卡座、连接器等),为了保证所有元件的焊盘都满足良好的上锡效果,采用阶梯钢网的开孔方式兼顾这两种需求。在大尺寸元件焊盘位置保持较大的厚度,而在小封装
焊盘位置保持较小的厚度。一般情况下0201和01005元件的钢网厚度为0.08mm,大焊盘
吃锡量大的局部位置阶梯厚度0.15 - 0.18mm来满足焊点锡量。

  • PCB焊盘设计时参考IPC-SM-782, 不同封装尺寸的元件焊盘内距如下:

  


  • 工程师在产前优化和设计钢网开孔时,同样在参考钢网开孔设计指南 IPC – 7525,根据元件封装引脚形装和尺寸进行测量面积比和宽厚比,这样才能确保锡膏印刷效果。

 1)钢网开孔面积与孔壁侧面积的比值,一般建议大于0.66以上

 2)钢网开孔宽度和钢网厚度的比值,通常建议大于1.5以上

 


总结:

  • 预防锡珠的发生,我们在DFM评审时对封装尺寸和焊盘设计进行检查,主要考虑在元件底部减少上锡量,从而减少锡膏挤出焊盘的几率,对于不同的封装元件优化的开孔方式和尺寸都不同,应该根据实际的元件规格及具体的制程参数相结合进行优化。

  • 综上所述是通过优化钢网开孔尺寸解决锡珠问题是快速高效的方案,当然锡珠的产生的原因也是多种多样的,解决方法也不同,如经过优化回流炉温度曲线、机器贴装压力、车间的环境和锡膏在印刷前的回温搅拌等等也是解决锡珠产生的重要手段,E公司有经验的工程师跟你一起分享几点:

1) 优化回流炉温度曲线设置,在预热阶段温度上升斜率不能太快,升温斜率设置
小于2℃/秒以内,特别是复杂服务器主板上元件太密集,确保元件预热均匀平稳。

2)对于LED封装的元件在机器贴装时控制贴装压力。

3) 锡膏在印刷前严格按规范4小时以上回温时间,使用时搅拌3-5分钟
在生产过程中,工艺工程师在处理和解决各式各样问题时,可以总结出钢网的开孔形状和
尺寸,要根据焊点的不良现象进行点对点分析优化,根据实际问题不断总结经验进行优化上锡量,规范管理钢网的开孔设计是非常重要的,否则会直接影响到生产直通率。

这正是:
锡珠不良影响大,
短路失效多因它。
各种方案细考量,
钢网优化方最佳。


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