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PCB阻焊設計對PCBA可制造性研究

來源:PCB 日期:2019-07-22 瀏覽量:
隨著現代電子技術的飛速發展,PCBA也向著高密度高可靠性方面發展。雖然現階段PCB和PCBA制造工藝水平有很大的提升,常規PCB阻焊工藝不會對產品可制造性造成致命的影響。但是對于器件引腳間距非常小的器件,由于PCB助焊焊盤設計和PCB阻焊焊盤設計不合理,將會提升SMT焊接工藝難度,增加PCBA表面貼裝加工質量風險。鑒于這種PCB助焊和阻焊焊盤設計的不合理帶來的可制造性和可靠性隱患問題,結合PCB和PCBA實際工藝水平,可通過器件封裝優化設計規避可制造性問題。優化設計主要從二方面著手,其一,PCB LAYOUT優化設計;其二,PCB工程優化設計。

PCB阻焊設計現狀

PCB LAYOUT設計

依據IPC 7351標準封裝庫并參考器件規格書推薦的焊盤尺寸進行封裝設計。為了快速設計,Layout工程師優先按照推薦的焊盤尺寸上進行加大修正設計,PCB助焊焊盤設計長寬均加大0.1mm,阻焊焊盤也在助焊焊盤基礎上長寬各加大0.1mm。如圖一所示:

(圖一)

PCB工程設計

常規PCB阻焊工藝要求覆蓋助焊焊盤邊沿0.05mm,兩個助焊盤阻焊中間阻焊橋大于0.1mm,如圖二(2)所示。在PCB工程設計階段,當阻焊焊盤尺寸無法優化時且兩個焊盤中間阻焊橋小于0.1mm,PCB工程采用群焊盤式窗口設計處理。如圖二(3)所示:

(圖二)

PCB阻焊設計要求

PCB LAYOUT設計要求

當兩個助焊焊盤邊沿間距大于0.2mm以上的焊盤,按照常規焊盤對封裝進行設計;當兩個助焊焊盤邊沿間距小于0.2mm時,則需要進行DFM優化設計,DFM優化設計方法有助焊和阻焊焊盤尺寸優化。確保PCB制造時,阻焊工序的阻焊劑能夠形成最小阻焊橋隔離焊盤。如圖三所示:

(圖三)

PCB工程設計要求

當兩助焊焊盤邊沿間距大于0.2mm以上的焊盤,按照常規要求進行工程設計;當兩焊盤邊沿間距小于0.2mm,需要進行DFM設計,工程設計DFM方法有阻焊層設計優化和助焊層削銅處理;削銅尺寸務必參考器件規格書,削銅后的助焊層焊盤應在推薦焊盤設計的尺寸范圍內,且PCB阻焊設計應為單焊盤式窗口設計,即在焊盤之間可覆蓋阻焊橋。確保在PCBA制造過程中,兩個焊盤中間有阻焊橋做隔離,規避焊接外觀質量問題及電氣性能可靠性問題發生。

PCBA工藝能力要求

阻焊膜在焊接組裝過程中可以有效防止焊料橋連短接,對于高密度細間距引腳的PCB,如果引腳之間無阻焊橋做隔離,PCBA加工廠無法保證產品的局部焊接質量。針對高密度細間距引腳無阻焊做隔離的PCB,現PCBA制造工廠處理方式是判定PCB來料不良,并不予上線生產。如客戶堅持要求上線,PCBA制造工廠為了規避質量風險,不會保證產品的焊接質量,預知PCBA工廠制造過程中出現的焊接質量問題將協商處理。

案例分析

器件規格書尺寸

如下圖四,器件引腳中心間距:0.65mm,引腳寬度:0.2~0.4mm,引腳長度:0.3~0.5mm。

(圖四)

PCB LAYOUT實際設計

如下圖五,助焊焊盤尺寸0.8*0.5mm,阻焊焊盤尺寸0.9*0.6mm,器件焊盤中心間距0.65mm,助焊邊沿間距0.15mm,阻焊邊沿間距0.05mm,單邊阻焊寬度增加0.05mm。

(圖五)

PCB工程設計要求

按照常規阻焊工程設計,單邊阻焊焊盤尺寸要求大于助焊焊盤尺寸0.05mm,否則會有阻焊劑覆蓋助焊層的風險。如上圖五,單邊阻焊寬度為0.05mm,滿足阻焊生產加工要求。但兩個阻焊盤邊沿間距只有0.05mm,不滿足最小阻焊橋工藝要求。工程設計直接把芯片整排引腳設計為群焊盤式窗口設計。如圖六所示:

(圖六)

實際焊接效果

按照工程設計要求后制板,并完成SMT貼片。通過功能測試驗證,該芯片焊接不良率在50%以上;再次通過溫度循環實驗后,還可以篩選出5%以上不良率。首選對器件進行外觀分析(20倍放大鏡),發現芯片相鄰引腳之間有錫渣及焊接后的殘留物;其次對失效的產品進行分析,發現失效芯片引腳短路燒毀。如圖七所示:

(圖七)

優化方案

PCB LAYOUT設計優化

參考IPC 7351標準封裝庫,助焊焊盤設計為1.2mm*0.3mm,阻焊焊盤設計1.3*0.4mm,相鄰焊盤中心間距0.65mm保持不變。通過以上設計,單邊阻焊0.05mm的尺寸滿足PCB加工工藝要求,相鄰阻焊邊沿間距0.25mm尺寸滿足阻焊橋工藝,加大阻焊橋的冗余設計可以大大降低焊接質量風險,從而提高產品的可靠性。

(圖八)

PCB工程設計優化

按照圖八對助焊焊盤寬度進行削銅處理,調整阻焊寬度焊盤大小。保證器件兩助焊焊盤邊沿間大于0.2mm,兩阻焊焊盤邊沿間大于0.1mm,助焊和阻焊焊盤長度保持不變。滿足PCB阻焊單焊盤式窗口設計的可制造性要求。

(圖九)

方案論證

設計驗證

針對上述所提的問題焊盤,通過以上方案優化焊盤和阻焊設計,相鄰焊盤邊沿間距大于0.2mm,阻焊焊盤邊沿間距大于0.1mm,該尺寸可滿足阻焊橋制程需求。如圖十所示:

(圖十)

測試良率對比

從PCB LAYOUT設計和PCB工程設計優化阻焊設計后,組織重新補投相同數量的PCB,并按照相同制程完成貼裝生產。產品各項參數對比如表一所示:

(表一)

通過以上數據可得,優化方案驗證有效,滿足產品可制造性設計。

優化設計總結

綜上所述,器件引腳邊沿間距小于0.2mm的芯片不能按照常規封裝設計,PCB LAYOUT設計助焊焊盤寬度不予補償,通過加長助焊焊盤長度規避焊接接觸面積可靠性問題。對于助焊焊盤過大導致兩阻焊邊沿間距過小,優先考慮削銅處理;對于阻焊焊盤設計過大的,優化阻焊設計,有效增加兩阻焊焊盤邊沿寬度,從而保證PCBA焊接質量保障。可見,助焊和阻焊焊盤設計之間的協調對提高PCBA可制造性及焊接直通率有決定性作用。