設計Thermal Relief pad(熱阻焊墊/限熱焊墊)降低焊接不良

設計Thermal Relief pad(熱阻焊墊/限熱焊墊)降低焊接不良

許多工廠內負責製程(Process)或是SMT技術的工程師經常會碰到電路板零件發生空焊(solder empty)假焊(de-wetting)冷焊(cold solder)這類焊不上錫(non-wetting)的不良問題,不論製程條件怎麼改或是回流焊的爐溫再怎麼調,就是有一定焊不上錫的比率。這究竟是怎麼回事?

撇開零件及電路板氧化的問題,究其根因後發現有很大部份這類的焊接不良其實都來自於電路板的佈線(layout)設計缺失,而最常見的就是在零件的某幾個焊腳上連接到了大面積的銅箔,造成這些零件焊腳經過回流焊後發生焊接不良或墓碑效應(tombstone)問題,有些手焊零件也可能因為相似情形而造成假焊或包焊的問題,有些甚至因為加熱過久而把零件給焊壞掉。

一般PCB在電路設計時經常需要鋪設大面積的銅箔來當作電源(Vcc、Vdd或Vss)與接地(GND,Ground)之用,這些大面積的銅箔有時候可以在電路板的最上及最下層被眼睛觀察到,但更多這類銅箔則被藏在電路板的內層中(多層板),難以用眼睛察覺,這些大面積的銅箔一般會直接連接到一些控制積體電路(IC)及電子零件來達到通電訊號通訊的目的,想要查看電路板上零件有否類似的問題,需要借助電子佈線工程師的幫忙,查看電路板的Gerber設計。







不幸的是如果我們想要將這些大面積的銅箔加熱到融錫的溫度時,比起獨立的焊墊通常需要花比較多的時間(就是加熱會比較慢),而且散熱也比較快。當這樣大面積的銅箔佈線一端連接在小電阻、小電容這類 small chip 零件,而另一端不是時,就容易因為融錫及凝固的時間不一致而發生墓碑效應;如果迴流焊的溫度曲線又調得不好,預熱時間不足時,這些連接在大片銅箔的零件焊腳就容易因為達不到融錫溫度而造成虛焊的問題。

包焊冷焊虛焊人工焊接(Hand Soldering)時,這些連接在大片銅箔的零件焊腳則會因為散熱太快,而無法在規定時間內完成焊接,最常見到的不良現象就是包焊、虛焊,焊錫只有焊在零件的焊腳上而沒有連接到電路板的焊墊,從外觀看起來,整個焊點會形成一個球狀;更甚者,作業員為了要把焊腳焊上電路板而不斷調高烙鐵的溫度,或是加熱過久,以致造成零件超過耐熱溫度而毀損而不自知。

既然知道了問題點就可以有解決的方法,一般我們都會要求採用【Thermal Relief pad(熱阻焊墊/限熱焊墊)】設計來解決這類因為大片銅箔連接零件焊腳所造成的焊接問題。參考文章最上面的圖片,左邊的佈線是沒有施作【Thermal Relief】的焊墊,可以發現有五個焊墊的四面全都連接到了一大片的銅箔,這樣就很容易發生我們上述的溫度不足所產生虛焊的問題;而右邊的佈線則已經施作了【Thermal Relief】的改善,可以看到焊墊與大片銅箔的接觸面積只剩下最上面及下面的細小線路,這樣就可以大大限制焊墊上溫度的流失,達到教佳的焊接結果。

下面的圖片也是一些【Thermal Relief】建議改善的方法,基本上就是減少大片銅箔與焊墊接觸的面積來達到限制溫度的目的,一般我們會建議【Thermal Relief】的佈線寬度最大不要超過焊墊寬度或長度的四分之一,這樣才能有效減緩熱流失。

設計Thermal Relief pad(熱阻焊墊/限熱焊墊)降低焊接不良

Thermal Relief 在對岸大陸被稱為【花焊盤】或【熱風焊盤】或【熱焊盤】,因為大部分的 thermal relief 都會將焊墊與銅箔的接觸點設計成「十」字形,來達到平均並減少與銅箔接觸的面積,因為可能會有好幾層的銅箔線,疊起來就更像是一朵花了。

不過得提醒大家的,有時候為了某些原因,比如說高頻板為了消除雜訊干擾,電子或RF設計工程師會堅持某些內層一定得將焊墊全部連接到大片銅箔,我會建議盡早在產品設計之初就要求佈線工程師盡量把【thermal relief】設計進去,等電氣上有問題再逐步加回來,否則一旦電路板經過認證,要再修改可能就難上加難了。

(工作熊為機械背景,以上文章僅為個人見解,如有不同看法及意見,歡迎留言討論)


延伸閱讀:
常見焊錫缺點中英對照
迴流焊的溫度曲線 Reflow Profile
如何局部增加SMT製程的焊錫量

訪客留言內容(Comments)

感謝分享,一般protel已有鋪銅功能,且好像有防呆措施;並不會讓你有整體的地中間加上一個pad的機會。
但如果沒有注意到,並不會特別在意這樣的原因,偶爾就會疏忽掉這的問題
對一些學習layout的人員是很好的建議,感謝。

流浪鳥;
謝謝分享,其實這篇文章最主要對象是寫給製造工廠的,
這些朋友一般比較欠缺PCB layout的觀念,
讓他們在Review新產品的時候可以多加注意一些設計上的問題,
有時候在設計上小小動一下,就可以解決掉製造工廠內長期的不良。

請問一下,人工焊接時更換功率較高的烙鐵,這方式效果會比較好嗎?

首先必須說明,人工焊接本身就是一個不確定因素。
第二要了解,零件及PCB本身可以承受多少熱能是固定的。
第三要考慮散熱的問題。
所以焊接時溫度一定要讓零件腳、焊墊、錫膏全部達到融錫的溫度才能焊接,缺一不可。
當PCB的焊墊容易散熱,就會增加烙鐵加熱的時間,可是其他零件卻是持續增溫,能不能受得了?
反覆的在銅一個地方局部加熱,焊墊容易脫落,因為加熱又施力。
功率的較高的烙鐵意謂可以迅速補充因為加熱其他物體後被帶走得熱能,得以讓PCB焊點快速加熱並達到維持溫度的效果,達到維持溫度的效果,可是如果相對的加熱時間過久,就容易超過被加熱物所能承受的熱能,造成損傷。

謝謝熊大的說明 小弟了解了


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