造物工场技术分享PCB阻焊设计对PCBA可制造性研究

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随着现代电子技术的飞速发展，PCBA也向着高密度高可靠性方面发展。虽然现阶段PCB和PCBA制造工艺水平有很大的提升，常规PCB阻焊工艺不会对产品可制造性造成致命的影响。但是对于器件引脚间距非常小的器件，由于PCB助焊焊盘设计和PCB阻焊焊盘设计不合理，将会提升SMT焊接工艺难度，增加PCBA表面贴装加工质量风险。鉴于这种PCB助焊和阻焊焊盘设计的不合理带来的可制造性和可靠性隐患问题，结合PCB和PCBA实际工艺水平，可通过器件封装优化设计规避可制造性问题。优化设计主要从二方面着手，其一，PCB LAYOUT优化设计；其二，PCB工程优化设计。


PCB阻焊设计现状
PCB LAYOUT设计
依据IPC 7351标准封装库并参考器件规格书推荐的焊盘尺寸进行封装设计。为了快速设计，Layout工程师优先按照推荐的焊盘尺寸上进行加大修正设计，PCB助焊焊盘设计长宽均加大0.1mm，阻焊焊盘也在助焊焊盘基础上长宽各加大0.1mm。如图一所示：

（图一）

PCB工程设计
常规PCB阻焊工艺要求覆盖助焊焊盘边沿0.05mm，两个助焊盘阻焊中间阻焊桥大于0.1mm，如图二（2）所示。在PCB工程设计阶段，当阻焊焊盘尺寸无法优化时且两个焊盘中间阻焊桥小于0.1mm，PCB工程采用群焊盘式窗口设计处理。如图二（3）所示：

（图二）

PCB阻焊设计要求
PCB LAYOUT设计要求
当两个助焊焊盘边沿间距大于0.2mm以上的焊盘，按照常规焊盘对封装进行设计；当两个助焊焊盘边沿间距小于0.2mm时，则需要进行DFM优化设计，DFM优化设计方法有助焊和阻焊焊盘尺寸优化。确保PCB制造时，阻焊工序的阻焊剂能够形成最小阻焊桥隔离焊盘。如图三所示：

（图三）

PCB工程设计要求
当两助焊焊盘边沿间距大于0.2mm以上的焊盘，按照常规要求进行工程设计；当两焊盘边沿间距小于0.2mm，需要进行DFM设计，工程设计DFM方法有阻焊层设计优化和助焊层削铜处理；削铜尺寸务必参考器件规格书，削铜后的助焊层焊盘应在推荐焊盘设计的尺寸范围内，且PCB阻焊设计应为单焊盘式窗口设计，即在焊盘之间可覆盖阻焊桥。确保在PCBA制造过程中，两个焊盘中间有阻焊桥做隔离，规避焊接外观质量问题及电气性能可靠性问题发生。


PCBA工艺能力要求
阻焊膜在焊接组装过程中可以有效防止焊料桥连短接，对于高密度细间距引脚的PCB，如果引脚之间无阻焊桥做隔离，PCBA加工厂无法保证产品的局部焊接质量。针对高密度细间距引脚无阻焊做隔离的PCB，现PCBA制造工厂处理方式是判定PCB来料不良，并不予上线生产。如客户坚持要求上线，PCBA制造工厂为了规避质量风险，不会保证产品的焊接质量，预知PCBA工厂制造过程中出现的焊接质量问题将协商处理。


案例分析
器件规格书尺寸
如下图四，器件引脚中心间距：0.65mm，引脚宽度：0.2~0.4mm，引脚长度：0.3~0.5mm。
                              

（图四）

PCB LAYOUT实际设计
如下图五，助焊焊盘尺寸0.8*0.5mm，阻焊焊盘尺寸0.9*0.6mm，器件焊盘中心间距0.65mm，助焊边沿间距0.15mm，阻焊边沿间距0.05mm，单边阻焊宽度增加0.05mm。
                                

（图五）

PCB工程设计要求
按照常规阻焊工程设计，单边阻焊焊盘尺寸要求大于助焊焊盘尺寸0.05mm，否则会有阻焊剂覆盖助焊层的风险。如上图五，单边阻焊宽度为0.05mm，满足阻焊生产加工要求。但两个阻焊盘边沿间距只有0.05mm，不满足最小阻焊桥工艺要求。工程设计直接把芯片整排引脚设计为群焊盘式窗口设计。如图六所示：

（图六）

实际焊接效果
按照工程设计要求后制板，并完成SMT贴片。通过功能测试验证，该芯片焊接不良率在50%以上；再次通过温度循环实验后，还可以筛选出5%以上不良率。首选对器件进行外观分析（20倍放大镜），发现芯片相邻引脚之间有锡渣及焊接后的残留物；其次对失效的产品进行分析，发现失效芯片引脚短路烧毁。如图七所示：

（图七）

优化方案
PCB LAYOUT设计优化
参考IPC 7351标准封装库，助焊焊盘设计为1.2mm*0.3mm，阻焊焊盘设计1.3*0.4mm，相邻焊盘中心间距0.65mm保持不变。通过以上设计，单边阻焊0.05mm的尺寸满足PCB加工工艺要求，相邻阻焊边沿间距0.25mm尺寸满足阻焊桥工艺，加大阻焊桥的冗余设计可以大大降低焊接质量风险，从而提高产品的可靠性。

（图八）

PCB工程设计优化
按照图八对助焊焊盘宽度进行削铜处理，调整阻焊宽度焊盘大小。保证器件两助焊焊盘边沿间大于0.2mm，两阻焊焊盘边沿间大于0.1mm，助焊和阻焊焊盘长度保持不变。满足PCB阻焊单焊盘式窗口设计的可制造性要求。

（图九）

方案论证
设计验证
针对上述所提的问题焊盘，通过以上方案优化焊盘和阻焊设计，相邻焊盘边沿间距大于0.2mm，阻焊焊盘边沿间距大于0.1mm，该尺寸可满足阻焊桥制程需求。如图十所示：
                              

（图十）

测试良率对比
从PCB LAYOUT设计和PCB工程设计优化阻焊设计后，组织重新补投相同数量的PCB，并按照相同制程完成贴装生产。产品各项参数对比如表一所示：

参数	优化前	优化后
焊盘中心间距	0.65mm	0.65mm
焊盘边缘间距	0.15mm	0.25mm
功能测试不良率	52%	0
温循老化后功能测试不良率	6%	0

（表一）

通过以上数据可得，优化方案验证有效，满足产品可制造性设计。


优化设计总结
综上所述，器件引脚边沿间距小于0.2mm的芯片不能按照常规封装设计，PCB LAYOUT设计助焊焊盘宽度不予补偿，通过加长助焊焊盘长度规避焊接接触面积可靠性问题。对于助焊焊盘过大导致两阻焊边沿间距过小，优先考虑削铜处理；对于阻焊焊盘设计过大的，优化阻焊设计，有效增加两阻焊焊盘边沿宽度，从而保证PCBA焊接质量保障。可见，助焊和阻焊焊盘设计之间的协调对提高PCBA可制造性及焊接直通率有决定性作用。

参考文献：
[1]贾忠中.SMT可制造性设计.北京：电子工业出版社，2015.
[2]IPC相关标准IPC-SM-782A、IPC 7351、IPC-A-610F.
作者：金百泽
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小伙伴们，520要搞对象没空啊，所以521我来啦

yunger

  

mirage

谢谢分享

lhy

  

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