如何通过PCB焊盘设计解决“立碑”问题？

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1、什么是立碑

      PCB上的立碑（tombstone）也叫曼哈顿吊桥或吊桥效应等，是一种片式（无源）元器件组装缺陷状况，其成因是零件两端的锡膏融化时间不一致，而导致片式元件两端受力不均，这种片式元件自身质量比较轻，在应力的作用下就会造成一边翘起，形象的称之为立碑。

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2、立碑产生的原因及分析

      立碑出现的主要原因是由于在回流时元器件的两端在熔解的焊料中受到的张力不平衡。

      锡膏在回流焊流程中的受力分析：

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      ①焊盘外侧锡膏的拉力；

      ②焊盘内侧的拉力；

      ③锡膏的浮力；

      ④元件的重力。

      锡盘外侧向外的拉力大于其余各力的合力时，就产生了立碑现象。

3、原因分析

（1）焊盘大小

      在设计焊盘时若焊盘超过元件端子后，向外补偿的距离太少将会减少有效角，从而在焊缝面上增加拉力的垂直矢量，这样会使立碑现象更加严重。如果焊接焊盘设计太宽，元件则会漂移而使元件两端之间的拉力失去平衡，继而产生了立碑。

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解决方式

      工程经验发现，适当减少焊盘的宽度及增加向外延伸长度，在条件允许的情况下，使用圆状焊盘比起矩形焊盘能提供更低的立碑率。

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      在《PCB封装与原理图库工程设计》书中对此也有解释。对于不同封装的不同焊盘在设计时提供了焊盘补偿的数据，这些经过生产验证的工程数据，可以作为大多数的硬件或PCB封装设计工程师自行建库时的参考。

（2）焊盘间隔尺寸设计

      片式元件两焊盘之间间隔如设计不合理也会产生立碑，太小的间隔将引起片式元件本身在熔融焊料上部漂移，太大的间隔将很容易造成两者之中任一端从焊盘上翘起。

解决方案

      在元器件两的焊盘之间采取适当的间隔，具体常用的元件可以参考《PCB封装与原理图库工程设计》书中最后的实物1:1样例库。

（3）片式分立元件端子的金属尺寸

      如果片式元器件下面的金属端子的宽度和面积太小，它们将减少片式元件下面的拉力，这样就会加剧立碑的情况。

解决方案

      在选用片式元器件时，尽量选用两端表面积较大的端子的元件。

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（4）温度梯度因不均的热量分布或附近的元件阴影效应

      焊盘连接到大的散热层或铜箔可能比其他对应焊盘温度要低，从而导致立碑。影效应是由于在元件附近加热介质流动受到阻滞。

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解决方案

      ①通过适当的PCB布局把阴影效应减到最小；

      ②设计时优化焊盘的连接方式（如表层焊盘与Copper采用非全连接）或与不同层的连接方式等于减少散热的不均匀，将热量的不均等分布减到最小，包括焊盘与散热层的连接；

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      ③回流时使用缓和的加热速率，避免采用气相回流方法；

      ④在回流前预干或使用有长时间均热区的曲线以减少助焊剂的出气率；越过锡膏熔化温度时使用非常缓慢升温速率的回流曲线，适当增加预热阶段的保温区温度，将其时间延长至偏上限值，使两端的锡能同时充分熔化；

      ⑤正确设置预热期工艺参数，根据每种不同产品调节好炉温适当的温度曲线。

（5）元件端子金属层或PCB焊盘金属层的可焊性不一致

      这是由于受到污染或是氧化，易于在元件两端产生不平衡力，引起立碑。如果焊盘涂层是Sn-Pb涂层，一旦焊料熔化在焊盘之上将立即润湿，所以，它对横过焊盘的温度梯度更加敏感，往往会比普通的铜焊盘产生更加严重的立碑。

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解决方案

      ①在铜焊盘上使用有机的可焊性保护剂（OSP）或镍/金（Ni/Au）或锡涂层代替Sn-Pb涂层；

      ②减少元件端子金属；

      ③使用氮气炉，因为在加热过程中，有氮气保护作用，因而其零件脚PCB焊盘，可以阻止锡粉颗粒等再度氧化的情况，使其焊锡可在无太多氧化物阻挠下快速焊接；

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（6）不平衡的润湿

      不平衡的润湿是由于使用了润湿时间快的助焊剂，或助焊剂的激烈出气（这是由于使用高挥发性助焊剂或回流时迅速加热引起）。

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解决方案

      挑选合适的助焊剂。

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（7）锡膏印刷厚度

      较高的锡膏印刷厚度产生更多的立碑，主要是因为元件在大量的熔融焊料中“漂移”。

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      这些与钢网的制作及加工细节相关：

      ①钢网太厚，锡膏量太多；

      ②钢网与PCB间距过大；

      ③印刷机刮刀压力过小；

      ④多次印刷锡膏；

      ⑤锡膏坍塌（粘度低）；

      ⑥锡膏印刷偏移等。

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解决方案

      使用较薄的锡膏印刷厚度。在具体生产时则需要注意下面的这些情况：

      ①调整锡膏印刷机参数；

      ②调整锡膏印刷机刮刀压力；

      ③只印刷一次锡膏；

      ④缩短锡膏印刷后放置时间（调整锡膏粘度）；

      ⑤调整锡膏印刷机参数；

      ⑥调整贴片机座标；

      ⑦调整回流炉设置。

（8）元器件贴放精度

      一些机器在贴放元器件时精度太差，会直接导致片式元件两端润湿的不平衡，加重了立碑现象。

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解决方案

      提高元件贴放精度。

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立碑出现的主要原因是由于在回流时元器件的两端在熔解的焊料中受到的张力不平衡

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知道了原因再想办法解决

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锡盘外侧向外的拉力大于其余各力的合力时，就会产生立碑现象