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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)或冷焊(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。
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。
- Thermal Relief 在焊墊寬度的最大線路寬度建議 = 焊墊寬度 x 0.25
- Thermal Relief 在焊墊長度的最大線路寬度建議 = 焊墊長度 x 0.25
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
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訪客留言內容(Comments)
// Begin Comments & Trackbacks ?>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
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
不好意思請問設計Thermal Relief pad 焊盤與 銅箔連接處 之間的線寬要如何設定才能滿足設計? 假設原本焊盤設計10A採用設計Thermal Relief pad 後 連接迴路的銅箔與焊盤之間的寬度是要多少呢? 這有計算方式嗎?
謝謝
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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。