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。

零件引腳落在大面積銅箔容易發生虛焊、被動元件單端接大面積銅箔容易則發生墓碑效應

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所謂【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,達到較佳的焊接結果。

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

大面積銅箔對波焊(wave soldering)的品質影響更勝SMT製程

另外,焊腳連接大面積銅箔不只會影響SMT的吃錫,它其實也會影響波焊製程中通孔零件焊腳的填錫率,甚至對波焊品質的影響更甚SMT,因為回焊爐的加溫時間比較長,有機會透過profile的調整來克服大面積銅箔的影響,但是波焊的加熱時間則非常短,真正吃錫時間大概只有3~5秒,而波焊的預熱也不太足夠,這就讓波焊的製程窗口變得極窄。

大陸對【thermal relief】的稱呼

【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。

限熱焊墊(thermal relief)對產品設計的影響

不過有一點需要提醒大家,有時候為了某些原因,比如說高頻板為了避免訊號被干擾,電子或RF設計工程師會堅持某些內層或外層一定得將焊墊全部連接到大片銅箔,他們認為焊墊做成一字型或十字型細線會造成電感效應產生磁力,進而影響RF響應,一旦線路定了,日後就很難改,因為要重新驗證。所以,工作熊會建議在產品設計之初就需盡早要求佈線工程師盡量把【thermal relief】設計進去,經過一次次的試產驗證,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:
電路板上常見的焊錫缺點中英文對照與解釋
整理SMT回流焊接缺點、可能原因及其對策
SMT錫量不足怎麼辦?如何局部增加SMT製程的焊錫量
SMT回流焊的溫度曲線(Reflow Profile)解說與注意事項

 
 
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

您好:
上文描述”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。”
PCB中铜箔的比热容较大,正常理解应该是快热快冷的,先生表达的为慢热快冷,是否可以为我解惑?
非常感谢

ZHUWEI,
幾個方向給你思考:
1.銅箔快熱快冷取決於能量可以無限量供應,回焊爐或是烙鐵加熱並不是熱量無限供應。
2.同樣的銅箔,面積越大就需要越多的熱能才能升溫。
3.PCB的大面積需要焊接的銅箔,基本上都會覆蓋上綠漆,綠漆與銅箔對比,綠漆會阻隔熱量的傳遞。
所以…自己想囉!

本文:達到[教]佳的焊接結果,有錯字喔

我家從小幹代工這一行的,但我還是看你的部落格學到了不少東西,感謝啦~!

為了打件廠良率, 看來畫 polygon 時, 還是繼續用 Relief 比較安全..

因為這幾年, 有看了一些 對電氣特性比較好 的說法, 讓我有點考慮想換成 Direct ..

不過 有打件廠實戰經驗 這邊的說法, 我看還是比較重要.

因為沒必要為了增加那一點電氣特性, 搞不好還 增加無感, 而去冒險 全面改成 Direct.

而且以前都用 Relief, 那些跑 3A、5A 的 PAD, 其實也沒遇什麼 電氣特性不良上 的 麻煩事.

等有遇到幾個更大電流的 PAD, 再對這幾個特別處理就好了..

工作熊大神,您好!我們最近有一些fpc的板子做焊錫性測試(測試條件是255度,涂完flux 1分鐘後浸到錫爐里3s取出)發現很多小pad(大小:0.18*0.38mm)不上錫,試了變換浸入錫爐的角度,和升高錫爐溫度還是會有整個pad不上錫的問題。幫忙看下會是啥問題

mark,
說真的你所提供的訊息不足~
焊墊不上錫,基本上就是熱能小於焊墊的表面能,如果是波焊還要考慮是否有陰影效應未沾錫的問題。
建議你先看看溫度是否足夠,也可以考慮用電烙鐵試看看是否可以吃錫來驗證。
另外焊墊氧化後表面能會增加,就需要更多的熱能才能吃上錫。

感谢回复,我们有做测试将pad表面擦拭干净或者升高炉温再浸锡,依然不上锡。测试刷锡没问题,是不是独立的小pad浸到锡炉里有张力所致?

mark,
建議你要檢查你的FPC載具是否對這些焊墊造成陰影效應或是載具有無定位固定好FPC,導致在錫爐前翹曲變形,最終造成焊墊沒有沾到錫池中的錫液,其次看看助焊劑是否有無噴到這些焊墊,要實際裝傳真感應紙在載具上測試檢查是否有沾到助焊劑。

您的文章在一個網站一模一樣被copy喔…

http:// www. greattong.com/archives/view-465-1.html

歐透,
這個大陸網站是慣犯,而且大剌剌的抄,還將工作熊的名字改成它的公司名,連圖片也改成它的浮水印,真的是有夠無奈。

“大面积铜箔”一般怎么定义?且必须是接地铜箔么?

nisty,
這個[大面積銅箔]的大小似乎沒有絕對值,它基本上還是得看零件的大小與對應另一端小面積銅的尺寸。
基本上以PCB layout來說,應該要養成習慣,只要焊墊的周圍都被大銅箔所包覆時,就應該考慮設計thermal relief。
不是只有接地會有大面積銅,其他如Vcc、Vss也會有大銅箔


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