PCBA组装设计的波峰焊接(Wave soldering)DFM要求(二）

dancemonkey

接上篇
PCBA组装设计的波峰焊接(Wave soldering)DFM要求(一）

三、 在PCB上安装图形设计对波峰焊接效果的影响

  l8 g. J/ Z4 |5 h2 \9 E+ \5 f

1 、元器件安装布局对波峰焊接效果的影响

PCB上元器件安装布局的好坏，是造成波峰焊接中拉尖、桥连、钎料瘤、焊点吃锡不均匀、干瘪、焊盘出现孔穴等缺陷的主要因素。因此，为了确保波峰焊接效果，必须对PCB上元器件安装布局施加某些必要的限制。

2、 THT方式的图形布局

1）PCB布线的取向

随着电子产品向轻、薄、短、小方向发展，PCB的布线密度大幅度增加，间距越来越小，这样就增加了波峰焊接时的相邻导线间产生桥连的危险性。因此，设计者应使所有相互靠近的线系尽量取平行于焊接时的运动方向。这样，由于液态钎料和它们之间相互运动所产生的擦拭作用，就降低了产生桥连的危险性。

良好的PCB布线几乎可以完全消除桥连现象。在普通PCB上，即使非常小的间隙也可以很安全地进行波峰焊接。笔者专门做了下述试验：

● 第一种是把所有导线其走向均与PCB焊接方向一致；● 第二种是所有导线的走向均与PCB焊接方面垂直。

在布线间距相同的情况下，前者没有桥连现象，而后者的桥连现象相当严重。

2）焊盘的形状

焊盘的形状一般要考虑与孔的形状相适配，而孔的形状一般又要与元器件引线的形状相对应。常见的基本焊盘形状及其对焊点轮廓敷形的影响，具体见下表

! L6 n- q) I& o0 a4 v+ A

3）焊盘与孔的同心度

在单面PCB中焊盘与孔不同心，则几乎百分之百会产生孔穴、气孔或吃锡不均匀等焊接缺陷。由于金属表面对液态钎料的吸附力，是与被焊基体金属表面面积的大小有关的，面积大的表面表现的吸附力也大，这就导致了液态钎料总是从窄面积处流向宽面积处，窄处的钎料被拉走（如下图所示）而出现吃锡量少、干瘪等缺陷。

; `! ~+ _" a$ H+ Z6 g" K

: g1 R4 X; R# H2 f8 s' m

4）孔、线间隙对波峰焊接的影响

引线直径与焊盘安装孔径的配合是否恰当，不仅直接影响焊点的力学性能和电气特性，而且是造成焊点圆角高度不理想的重要原因，并且还是影响焊点出现孔穴现象的因素。它对波峰焊接焊点连接的成功率的综合性影响是极大的。如图7.19所示是日本学者纲岛瑛一在综合了浸焊试验结果后，给出的不完全接合率与间隙大小之间的关系。由下图所示可知，当沿直径方向的间隙在0.2mm以下时，接合成功率可达98.3%～99.5%。随着间隙值的增大，接合成功率降低，当间隙值超过0.4～0.5mm时，接合成功率快速下降。

试验结果表明焊点孔穴发生率与孔和引线之间的间隙有关，而与焊盘大小无关。大孔配小引线是导致焊点出现孔穴的根源，而焊盘大小则只影响焊点的饱满程度。试验数据见下表。

, H( q. y& N' G( G4 x0 b& d! \4 G

8 X% E5 k: N: I" n/ _

由于波峰焊接时钎料必须利用毛细管作用上升到PCB上表面而形成金属的连续性。因此，保持孔和引线间适当的间隙是极为重要的。元器件引线直径一般都是标准化的，作为PCB来说，孔径和引线直径的差值，日本学者纲岛瑛一推荐取值范围为0.05～0.2mm；而美国学者Howard.H.Manko建议采用的间隙为0.05～0.15mm。此时的间隙可以确保在孔壁与引线表面之间，无论对助焊剂还是对液态钎料都有最好的毛细作用效果。在采用自动插元器件的情况下，采用0.3～0.4mm效果良好。

5）焊盘与孔直径的配合

根据大量的现场应用情况可知，焊盘与孔直径配合不当，将严重影响焊点形状的丰满程度。对单面PCB焊点的机械强度将造成影响。为了深入地分析此问题，下面以单面PCB为例，考察一下由波峰焊接所形成的焊点接头的构成，如下图所示。

* S4 @3 v  I7 R% c6 X4 W5 Q( \

据有关文献介绍，对非金属化孔的单面板焊点的机械强度，主要取决于焊点接合部的合金化程度和对引线的浸润高度（H）。在合金化比较充分的情况下，则浸润高度对机械强度的影响成为主要因素之一，如下图所示为接头强度受钎料浸润高度大小的影响关系。

7 k$ E4 r& z$ `1 U) x

8 r; K) O# Z2 R: M' }" t

钎料浸润高度 H的形成，主要受焊盘大小和形状、孔直径、引线直径、引线伸出焊盘的高度以及焊盘和导线的配合等诸多因素的综合影响，如下图所示为理想轮廓及浸润高度H的构成条件。

3 E( r% m% S# ~* J; L# z

2 |5 B/ K& A" e0 d; M0 o- n

焊点包裹的钎料量的多少对强度的影响不是很明显的。例如图所示上的直插引线情况，当接触角15°＜θ＜45°时，焊点的机械强度最好，抗拉强度平均可达6.7kg/mm2，抗拉试验断裂处几乎都是在引线上。

15°＜θ＜45°条件的形成，主要取决于焊盘直径和引线之间所取的比例关系。波峰焊接时，焊点上的液态钎料要分别受到沿焊盘表面和元器件引线伸出焊盘的部分表面两个方向的吸附力F1和F2的共同作用，从而使液面成弯月状。当引线直径（D）和伸出高度（h）一定时，F2力基本上是一个定值。因此 F1力将成为影响液面形状（即θ角大小）的唯一因素。而 F1力的大小取决于焊盘面积的大小，所以一定的引线直径 h 高度，就对应着某一个θ角所需要的最佳焊盘面积。试验表明：在孔径为1mm的条件下，焊盘直径大于4mm的焊点，普遍出现吃锡量大小、干瘪的缺陷。所以焊盘直径不宜过大，但也不能大小，否则孔的中心与焊盘中心偏离所造成的不良影响的概率也会增大，影响焊点的质量。相关文献推荐的焊盘与孔间配合的优选尺寸，见下表。

; f9 L# X4 L3 O- b- o/ W" L

* i0 i1 U# a- B' C8 h4 Q0 g) f8 q

6）留孔焊盘

单面PCB在波峰焊接时，为了便于焊后补装元器件用，要求露出孔的焊盘称为留孔焊盘。在焊盘圆环上开一个0.5～0.6mm宽的槽即可，如下图所示。

" D4 e, Z" q; y. r8 o1 s! B

7）导线的线形设计

导线线形设计的优劣，不仅对PCB的机电性能有较大影响，而且还是构成波峰焊接缺陷（如桥连、拉尖、钎料瘤等）的重要因素。PCB导线线形设计的内容包括导线形状、导线宽度、导线间距离等。

（1）导线形状在设计PCB导线的线形时，主要要求导线应平滑均匀、渐变过渡，切忌成直角或锐角的急转弯（如下图所示），以避免在波峰焊接中，在尖角处出现附加应力而引起铜箔断裂、起翘、剥离、形成焊疤或钎料过分堆集等疵病。

) Q' z5 B3 w; _, p+ [

① 图（a）：

左图——导线转折处内外均为圆角过度，转折处不会形成应力集中使导线在尖角产生裂缝甚至断裂，圆角有利于钎料回流，不会造成钎料堆积形成钎料瘤。

右图——转折处为尖角，易形成应力集中而导致导线在尖角部产生裂缝，液态钎料回流不畅，波峰焊接中易造成钎料堆积而形成钎料瘤。

② 图（b）：

左图——折弯导线的转折处是圆角与直导线相邻，利于液态钎料回流。

右图——转折处与直导线尖角相邻，液态钎料回流不畅。

③ 图（c）、（d）：

左图——折弯处钝角或圆弧过渡，钎料回流畅通，不易形成钎料和污染物堆积。

右图——锐角（或直角）转折，折弯处为尖角或半径很小的圆角，在折弯处的内侧易形成钎料和污染物堆积，且不易清除。

④ 图（e）：

左图——钝角过渡，钎料回流好。

右图——直角过渡，钎料回流不畅。

⑤ 图（f）：

左图——改善了圆角部焊点的轮廓敷形，焊点丰满。

右图——大盘中央对液态钎料大量引流，圆角部焊点敷形干瘪。

（2）导线宽度和间距导线宽度主要决定于其要求通过的电流。相邻导线间距的大小，既影响PCB相邻导线间的电绝缘性，又会导致波峰焊接中桥连缺陷，如下图所示。对于密集型导线簇，在布线区间受到限制时，在保证电流密度要求的情况下，应尽量减小导线宽度以增大导线间距，减少焊接中产生桥连的可能。

# Z: k7 k7 N& |8 e. |  E' _+ ~

（3）盘、线图形对圆角和热工特性的影响

焊盘图形设计不合理以及焊盘与导线的连接处理不当，是造成焊点圆角缺陷的一个极为重要的原因。

- t: r3 V8 I" R# B

如下图所示为美国Eastman Kodak Co. 给出的设计示范。左侧为推荐的焊盘和线形设计，它在波峰焊接中能确保获得较理想的轮廓敷形。右侧为不良设计的焊盘和线形，它是导致波峰焊接中焊点轮廓不对称、焊点干瘪、钎料瘤的原因。

+ }# Z8 f! A& {' h" |+ [

如下图所示为Philips公司为改善PCB在波峰焊接中的热工性能所釆取的设计措施。左侧为PCB的元器件面的图形设计。右侧为PCB焊接面的对应图形。

8）大面积图形

大面积的铜箔面在波峰焊接时极易形成钎料瘤，造成局部钎料堆集。因此，可以通过设置网孔或开窗口的形式，将大面积导体分割成若干个小线条或面积。窄条窗口分布的方向以取与边缘成45°角为宜，如下图所示。

& R/ H; @0 _" s2 H% q

! ^( u: f* s4 K! B) w, k

3、 SMT方式的图形设计

前面讨论的基本上是针对通孔安装方式（THT）的，而对于SMT方式，某些原则就不一定适应了。由于SMT波峰焊接的特殊性，情况比THT波峰焊接要复杂得多。SMT波峰焊接中必须处理好气囊遮蔽效应和阴影效应的影响。桥连和漏焊是SMT波峰焊接中两个对立的方面，必须要妥善处理。

适合SMC、SMD波峰焊接焊盘的图形，由于SMC 、SMD的封装形式的不同，各家公司给出的要素也是有所差异的。下面列举美国IPC标准中对SMT有关波峰焊接焊盘设计准则的工艺性约定如下。

, h$ }5 n# G* M6 A7 x8 w

IPC-SM-782有关波峰焊接工艺性的约定

（1）无源元件（SMC）

可同时适用于波峰焊接和再流焊接的焊盘规范图设计准则，如下图所示。

* ?: a/ K" D9 W1 y  R" p) c

（2）扁平封装IC

表面安装型扁平封装IC（SOP、QFP等）在采用波峰焊接工艺时，其焊盘图形可按如下图所示的规定要求进行。在此情况下进行波峰焊接后，引脚前后敷形均较好。

（3）圆柱形元器件（MELF）

波峰焊接时规定采用长方形焊盘，焊盘图形参数可参照矩形片式元件的有关约定进行。

8 x" ]" e  B7 r- |

（4）小外形封装器件SOIC对于小外形晶体管，应在保持焊盘间的中心距等于引线间的中心距的基础上，使每个焊盘四周的尺寸再分别向外延伸至少0.4mm，以改善焊点的轮廓敷形。

对于小外形封装集成电路（SOIC）和电阻网络，可参照下图进行。

（5）四边扁平封装器件（QFP）

QFP焊盘宽度可根据产品在一定范围内变动。一般焊盘的宽度的取值与引脚的宽度相等，焊盘长度一般可取（2.5±0.5）mm

+ H$ f; l" @: f3 ~0 Q

（6）其他元器件

焊盘尺寸设计原则可参照前述内容。一般对于不属于细间距范畴的元器件，焊盘的取值总可以比引脚宽度大0.125mm左右。

（7）焊盘与印制导线的配合

为了在波峰焊接中能获得良好的轮廓圆角和焊盘热量的均衡。标准中给出的图形设计规则，如下图所示。

四、THD/SMD安装设计的波峰焊接工艺性

1、 IC插座焊盘的排列走向

单列直插和双列直插及小型开关的引出线焊盘的排列，应如下图所示。这样引线焊盘之间顺焊接方向有较大的空隙，可明显减少桥连。试验表明如下图（b）所示的排列方向在焊接中产生桥连的可能性比如下图（a）所示的排列方向要大得多。

2、 直线密集型焊盘

直线密集型焊盘是指IC所用的焊盘。对于此类焊盘，提倡开圆孔并做圆形焊盘，不宜做成长方形或长圆形，如下图所示。在相同的排列和焊接方向下，长方形或长圆形的桥连率是圆形焊盘的3.8倍。

7 b; A8 `8 j1 h1 _' @

3、 引线伸出焊盘的高度

引脚伸出焊盘的高度不仅影响焊接效果，而且在通过钎料波峰时将严重干扰波峰钎料的流态，是产生桥连缺陷的重要原因，对密集形接线端子（如多芯插座）尤为明显。

● 对无金属化孔的单面PCB而言，其取值范围为1.5～3.0mm。●对于有金属化孔的双层以上的PCB，可在0～1.5mm（IPC-3级）选择。

通常对于小热容量的孤立焊点，可靠近1.5mm取值，而对于热容量大的密集型接线端子（如多芯插座），其伸出高度应取大于1.0mm为宜。

5 O! {& G! [( T3 ^2 r: b" x$ Y

4、 工艺区的设置

为了波峰焊接时便于装夹，避免安装在边缘部分的元器件与夹持爪碰撞，以及边缘导线与夹持爪之间粘连，沿PCB四周边缘均应留出不小于5mm的无元器件区及无铜箔区（作为工艺区），如下图所示。

& |/ l5 ]% Y5 H3 o7 g6 z- Z; `9 o

& s7 ]  f! u# ~8 e7 i- r

5、 热工方面的考虑

PCB完全设计好以后，正确的做法是分析PCB装配件的热容量和该热容量对每个具体焊点的影响。因为在波峰焊接过程中，把焊接区加热到润湿温度是焊接过程中极为重要的一环。所以应避免与焊点临近区域的大量吸热。PCB装配件应合理布置，以尽可能使在同一块PCB面上的每一个焊接区在波峰焊接中吸收的热量相等或近似相等，以避免在波峰焊接过程中，热容量小的区域因热量供给过剩而造成过热；而热容量大的区域又因热量供给不足造成温度偏低，导致焊点不能正常浸润。

6、 SMT方式组装结构的可制造性设计

1）SMT安装结构给波峰焊接技术带来的新问题

SMT波峰焊接属于一种浸入式焊接，这种工艺带来了下述新问题：

● 存在气泡遮蔽效应及阴影效应，易造成局部跳焊；● SMC/SMD尺寸越来越小、组装密度越来越高，元器件间的距离亦越来越小，极易产生桥连；● 由于钎料回流不好，易产生拉尖；

● 对元器件热沖击大；

● 钎料中溶入杂质的机会多，钎料易受污染。

与THT波峰焊接工艺相比，SMT波峰焊接中的最大难点和障碍是如何妥善处理阴影效应和遮蔽效应。这两个问题的解决均与SMT焊盘图形的取向关系极大。
2）SMT安装设计的工艺性对波峰焊接效果的影响（1）工艺区的设置与THT方式要求相同，如上图所示。（2）热工方面的考虑与THT方式要求相同。（3）元器件安装设计的工艺性对波峰焊接的影响
元器件在PCB上安装设计工艺性的优劣，会导致许多缺陷。因此，在产品设计阶段就必须妥善地处理好。如下图1～图8所示为常见的SMC、SMD安装设计的工艺性比较。① 片式阻容元件及晶体管图1中位于左边的SMC、SMD引出电极方向，是顺着钎料流动方向排列的，波峰焊接时钎料流经焊盘区时未受阻挡，流体回流畅通，因而不易产生桥连。而位于右边的排列取向，元器件引出电极方向是横着钎料流动方向的，流体流道不畅，多次受阻变向，流体回流不好，“阴影效应”和“遮蔽效应”明显，因而易发生桥连、漏焊等疵病。

② 双列封装器件（SOIC）双列封装（SOIC）的焊盘排列走向，应让SMD引脚的排列方向顺着波峰中钎料流动的方向，如图2所示。
. t& F" w5 s( `  Q/ ^/ q$ ?# @

8 A# ?$ l" u; C5 J! b# d9 K此时大部分液态钎料流体（除因润湿焊点所消耗的部分外）都能顺着焊盘区不受任何阻碍地回流到钎料槽，因而大大减少了产生桥连的可能。这种情况下若出现桥连现象，则几乎都是集中在与钎料流体剥离的最后几个焊盘上。这是因为钎料流体流经焊盘区时，由于前后相邻焊盘间对流动着的钎料所表现出的亲和力是相互平衡的。流体因为未受到任何额外力的作用，所以流态（速度和方向）都不会发生任何变化。然而流到最后几个焊盘时情况就发生了明显变化，紧接最后一个焊盘的后面，是一大片与钎料毫无亲和性的非金属材料表面，力的平衡状态受到破坏。由最后几个相邻焊盘共同形成的对液态钎料的吸力（附着力），将改变附面层内流体的流态，甚至形成回流而导致多余（超过正常润湿所需要的）钎料的堆积，从而造成最后几个焊盘出现桥连。在最后一个焊盘的后面设置一工艺导流盘的作用，就是使上述现象的发生区从有用的焊盘区延后到工艺导流盘区上。显然工艺导流盘的大小不是随意的，根据笔者的实践，工艺导流盘长度的取值可等于或稍大于焊盘的长度。而工艺导流盘的宽度则与钎料波峰从PCB上剥离时的宽度有关，通常稍大于剥离宽度即可，为简便起见通常可取2～3倍的焊盘宽度。而其位置必须设置在钎料波峰脱离焊盘的一端。
1 Y4 D; p6 D# _+ c4 h( F: ?③ 双四边封装器件（QFP）双四边封装器件（QFP）焊盘的排列方向，应与PCB的夹送方向成45°排列，如图7.38所示，以改善液态钎料流体的回流，避免桥连。同时还要按图3所标示的位置设置工艺导流盘。工艺导流盘的作用原理在SOIC的焊盘排列方向中已分析过，此处从略。

（4）SMC、SMD安装设计的工艺性对波峰焊接的影响SMC、SMD在PCB上的安装设计工艺性的优劣，是导致阴影效应和焊接缺陷产生的根源。因此，在产品设计阶段就必须注意。

4 R% d1 G' p, j$ o

、 减少热损坏的安装和焊法在SMT和SMT/THT双面混合安装时，应参照SMC/SMD相关产品技术手册提供的焊接特性进行，将不能耐受浸入式波峰焊接的SMC/ SMD和THC /THD一起安装在PCB非波峰焊接面上，而将那些能耐受SMT波峰焊接的SMC/SMD布置在波峰焊接面上。焊接时，先用回流焊接焊好非波峰焊接面上的SMC/SMD，然后安装其他元器件，再进行另一面的波峰焊接。
0 g2 E7 B* t& E: f. s8、 减少波峰焊接桥连率的安装法在SMT的高密度安装波峰焊接中，较普遍的缺陷就是桥连。而桥连的发生又与相邻SMC/SMD间的间隔及导体间的间距密切相关。由下图1所示可知：当相邻器件之间的间隔在0.7mm以上时，就几乎不出现桥连现象。导体之间的桥连率不仅与导体间的间隔有关，还与导体的宽度有关，如下图2所示。

2 I4 o9 o# c( E; Y; z
- O; t# }; h# E" Z  y( b* n

nevadaooo

PCB上元器件安装布局的好坏，是造成波峰焊接中拉尖、桥连、钎料瘤、焊点吃锡不均匀、干瘪、焊盘出现孔穴等缺陷的主要因素