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為何電子零件的接地腳不容易上錫?操作及設計上該如何解決?
為何大多數電子零件的接地腳(grounding pin)這麼不容易上錫?尤其是在做人工焊接的時候,有些零件既使用電烙鐵對這些接地腳長時間加熱,它們依然容易出現冷焊、假焊、包焊等不潤濕(non-wetting)的現象?其實,不只手焊作業容易出現這些問題,有時候SMT或波焊製程也都對這些接地腳的焊接品質頭痛不已。
究竟為何電子零件的接地腳在焊接過程中容易出現焊錫不良的現象呢?
我們這裡先排除因為氧化所造成的焊接不良問題。接著想一下,焊錫的基本條件有哪些?工作熊這裡列出3個焊錫的主要條件:①焊接溫度必須超過焊料的熔點。②必須要有可以被潤濕的表面金屬,也就是可焊接金屬。③最好要有可清除氧化物的助焊劑來幫助焊接。
其中第②及③點的問題不大,電子零件的引腳基本上都有做金屬表面處理,可以被焊接。一般手焊用的錫絲及SMT用錫膏都內含助焊劑,就算是波焊製程也會在焊接前噴塗助焊劑。
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建議延伸閱讀:焊接原理與手動電烙鐵焊接技巧解說、手焊後復(touch-up)
剩下一個焊接條件就是溫度了,溫度應該是個可以很容易被理解且被視為理所當然的特性,但顯然地很多人嚴重的忽略了溫度在焊接過程中的影響。其實焊錫之所以會發生冷焊、假焊、包焊,其最主要原因就是溫度不足所造成,當然必須先排除掉氧化的影響。很多人在使用電烙鐵焊接時,總以為只要把烙鐵的溫度設定得比錫絲的熔點要高就可以焊接,也不能說這樣的理解完全錯誤,但是不要忘記錫絲及被焊接物的初始溫度應該都只有室溫,它們的溫度必須透過高溫的烙鐵頭經由熱交換傳導才能被加熱達到熔錫溫度形成IMC,而在加熱的過程中被焊接區域如果連接著大面積易導熱或散熱的物體,比如從零件金屬外殼連接出來的接地腳,或是PCB的焊點直接連接到大面積的接地銅箔佈線,這樣熱能就無法集中在被焊接區,因為熱能會被迅速的傳導到其他非焊接區域,也就是說焊接區無法被迅速的加熱達到熔錫的溫度,雖然直接與烙鐵頭接觸的錫絲已經融化,但是被焊接區卻仍未達到焊接的溫度,於是就形成了冷焊、假焊、包焊等現象。
這就類似用水龍頭注水進入容器,把熱能(溫度)想像成水,而容器想像成要被加熱的焊接區,當容器只是個水桶,注水應該不需要花太久的時間,水龍頭全開,大約1分鐘左右就可以注滿水,那如果容器為浴缸,要將水注滿可能得花10分鐘以上,你可能會說多開一個水龍頭應該可以縮短注水的時間吧!這個想法是正確的,這水龍頭的大小則可以對應到烙鐵頭的大小,正確來說是烙鐵頭接觸到被焊接區的大小。另外還有一個必須考慮的重點是從水塔下來水管的直徑夠不夠大,如果水管不夠粗,就算你可以同時開兩個以上的水龍頭,單位時間流出來的水依然還是被水管直徑給限制住,這個可以對應到電烙鐵的熱補償能力,就是當烙鐵頭靠放在低溫焊點上而熱能被帶走後多快可以回復到原來的溫度,或者說溫度是否可以一直維持在設定的溫度,也就是烙鐵頭是否可以穩定供溫,一般來說功率(瓦數)越大的電烙鐵的熱補償能力就越好,所以常聽有些烙鐵熟手會要求使用大功率的烙鐵頭來焊接那些難焊的焊點。
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人工焊接接地腳 | 注水容器 |
熱能/溫度 | 水 |
被加熱的焊接區(焊墊/零件引腳) | 容器(水桶或浴缸) |
烙鐵頭大小 | 水龍頭大小 |
烙鐵補償能力 | 水管直徑大小 |
那有沒有什麼方法可以在手焊製程時提升電子零件接地腳的焊接品質呢?
在我們了解過烙鐵加溫的侷限之後,我們就可以根據上述的說明來微調焊接製程以提升電子零件焊接的良率,不過要強調的是,先天如果不足,後天就算再努力,也是杯水車薪。(是不是有點打擊人,但是先天不足又不努力就幾乎沒有成功的可能了)
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首先我們必須選用大功率的電烙鐵。這樣才能為焊接區提供穩定的熱源。
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其次要選用尺寸較大的烙鐵頭,一般會選用刀型的烙鐵頭。目的是增加烙鐵頭可以接觸到更多被焊接區的面積,讓熱能可以順利從烙鐵頭傳遞到被焊接區。
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在焊接的時候要將烙鐵頭同時靠放在PCB的焊墊與電子零件引腳上。這樣才能同時加熱要被焊接的焊墊與引腳。
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在焊接的初期要先餵少量的錫絲,讓焊錫先填充在零件引腳與PCB通孔的間隙。這樣可以增加零件引腳與PCB焊墊的接觸面積,讓烙鐵頭的熱能更有效率的同時傳遞。
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如果上述動作都無法解決冷焊、假焊、包焊等問題,最終就只能對PCB及電子零件做預熱(pre-heat)了。預熱可以減輕烙鐵加熱被焊接區的負擔,讓被焊接區可以在烙鐵頭的加溫下更快速的達到融錫的溫度。
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透過設計來提升電子零件接地腳的焊接品質
其實往往設計上的一小步改善,就可以大大增加製程的組裝能力,就看研發給不給力。以下這些設計的建議基本上只能幫助到PCB接地焊墊的加熱,目前對零件引腳本身連接到大面積鐵片並沒有太好的設計建議。也就是說如果零件本身就容易散熱的,目前的最佳建議還得從預熱來下手,如果是波焊製程最好選擇有上預熱裝置的設備,可以直接對零件來預熱。
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在手焊及SMT製程使用限熱焊墊(thermal relief pad)設計。
所謂「限熱焊墊(thermal relief pad)」就是把原本一大片的銅箔在需要焊接的區域單獨切割出來成為面積比較小的銅箔,然後用通道來連接這個小銅箔與原本的大面積銅箔,以前面注水浴缸來說明,就是在浴缸中安置一個水桶(焊接區),然後在水桶周圍鑽一些小孔(通道),讓水可以留到浴缸中。
你可能會疑惑為何水桶的水一定要可以流到浴缸中呢?這就要回到我們當初設計浴缸的目的了,也就是為何要設計大面積的接地銅箔,它的目的之一是為了可以讓產品在實際運行所產生的熱量可以透過大面積的銅箔時傳導出去並散熱,而不至於把熱量侷限在一個小地方,最後熱量越聚越高,高到燒壞產品,另外還有電性上的目的,這裡不做說明。
所以,限熱焊墊通道的大小必須經過計算,可以影響到散熱及電性需求。
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在波焊製程使用聚熱孔(thermal vias)設計。
所謂的聚熱孔(thermal vias)就是在通孔的周圍增加多個防焊開窗(不塞孔)的較小通孔,在波焊製程時錫液的熱量可以透過多個聚熱孔(thermal vias)快速從波焊面傳導到零件面,用以增加導熱的效率。
如果可以的話,建議要在聚熱孔的外圍使用限熱焊墊(thermal relief pad)來降低熱量消散的速度。
使用聚熱孔及限熱焊墊設計時要考慮是否會影響到產品實際運作時的散熱效果,因為不管是聚熱孔或限熱焊墊都會降低散熱通道。
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適當的縮小通孔直徑。
減少零件引腳與通孔壁之間的距離。通孔的形狀應該符合實際零件引腳的形狀,也就是說如果引腳為扁平的形狀,通孔最好就要設計成長條型與引腳相對應,而不能一味的以圓形來設計通孔。當零件引腳與通孔壁之間的距離越小時,焊錫填充在其間隙就越容易,熱量的傳遞也就越順暢。
如果你想要改善的是SMT在接地引腳的焊接問題,除了可以設計「限熱焊墊(thermal relief pad)」外,剩下的就是調整回焊爐的profile溫度了。你應該先去了解回焊過程中預熱(preheat)、吸熱(soak)、回焊(reflow)、冷卻(colling)等四個溫區的作用,並且先去了解何謂馬鞍式(RSS)與斜昇式(RTS)爐溫曲線。這裡有幾篇文章建議你先閱讀一下,相信你會有所收穫
延伸閱讀:
- 如何由X-Ray來判斷BGA有否空焊
- 電子製造工廠如何產出一片電路板
- 如何挑選錫膏 (Solder paste selection)
- 介紹認識【錫膏(solder paste)】的基本知識
- 何謂IMC (Intermetallic Compound)?IMC與PCB焊接強度有何關係?
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THERMAL RELIEF 對生產製造很有幫助,
但對設計的角度而言,當密度比較高的時候,
對GROUND 完整性會造成傷害。