SMT defects: i difetti comuni del processo SMT da evitare durante la saldatura PCB

Zachariah Peterson
|  Created: October 14, 2019  |  Updated: September 25, 2020

Automated PCB soldering with a robot

Via via che sempre più progettazioni utilizzano componenti piccoli, con pad per il montaggio in superficie, i difetti del processo Surface-mount Technology (SMT) possono influire sulla produttività a causa dei vari problemi di progettazione e produzione. Questi problemi potrebbero avere avuto un effetto ridotto e trascurabile sulla produttività in passato, tuttavia possono generare costi legati alla rilavorazione e devono essere evitati. Ecco alcuni difetti di base del processo SMT evitabili durante la progettazione e l’assemblaggio.

Bridging tra pad

Il bridging è comune nelle saldature a bassa viscosità e causa un cortocircuito tra pad adiacenti. Ciò può avvenire anche quando la temperatura non è compresa nell’intervallo di temperature di saldatura, il che genera una scarsa umidificazione oppure eccessivo assorbimento. La soluzione a questo problema consiste nel posizionare una piazzola di saldatura intorno ai pad (Non-Solder Mask Definied SMD pad o NSMD). La piazzola offre uno spazio per l’assorbimento del saldame in eccesso, bloccando così il flusso del saldame tra due pad adiacenti. Ciò è simile a uno sbarramento tra un componente Ball Grid Array (BGA) e la sua via in un dogbone fanout.

Vista laterale di un pad NSMD e della sua piazzola per prevenire il bridging. La distanza tra il pad NSDM e la piazzola di saldatura PCB offre uno spazio per il saldame in eccesso.

Deumidificazione

La deumidificazione è un problema che coinvolge la scelta della pasta di saldatura. Questo problema si verifica raramente con le paste di saldatura idrosolubili e prive di piombo, sebbene possa verificarsi con le paste a base di alogenuro durante la saldatura su finiture HASL. Ciò può avvenire anche se la superficie del conduttore è altamente ossidata, oppure se la pasta di saldatura è scaduta (ovvero se il flusso non è attivo). Utilizzando una pasta di saldatura altamente attivata sarà possibile ottenere un solida saldatura al pad durante l’assemblaggio. Dovreste inoltre assicurarvi che i metalli da congiungere siano stati ripuliti il più possibile da tutti gli ossidi. Ciò impedirà alla tensione di superficie di trascinare il saldame sul pad e in una sfera durante la solidificazione.

Un’altra parte del processo che aiuta a prevenire la deumidificazione consiste nel flusso di azoto attraverso il riflusso durante la saldatura. Ciò aiuta a prevenire la formazione di ossidi nel forno ad alte temperature. Dovreste inoltre verificare che lo spessore della placcatura sia sufficiente (almeno 5 micron). Entrambe le misurazioni aiutano a prevenire la formazione e diffusione degli ossidi nella placcatura durante la saldatura.

Scarsa umidificazione con saldatura priva di piombo

Le saldature in stagno-argento-rame prive di piombo sono importanti per la conformità RoHS, tuttavia possono generare una scarsa umidificazione durante la saldatura sul rame nudo. Questo è uno dei tanti motivi per cui si usano finiture superficiali sui conduttori esposti. Le finiture in stagno, argento ed ENIG sono note per offrire una migliore umidificazione.

Anche la temperatura massima durante la saldatura dovrebbe trovarsi nel corretto intervallo. Le saldature in stagno-argento-rame prive di piombo offrono i migliori risultati a circa 240 °C, mentre la saldatura al di fuori di questo intervallo può creare problemi di umidificazione. Un esempio riguardante le sfere BGA è mostrato nell’immagine sottostante. Queste saldature prive di piombo su un BGA potrebbero richiedere un maggiore distanziamento a causa della maggiore tensione di superficie, mentre il profilo di distanza/temperatura dovrebbe essere controllato attraverso campionatura prima della produzione completa.

Difetti del processo SMT dovuto allo scarso controllo della temperatura nelle operazioni di saldatura PCB[Fonte]

Spostamento dei componenti e tombstoning

Anche il tombstoning è un problema legato all’umidificazione. In un processo di saldatura ideale, il saldame fuso inumidisce simultaneamente tutti i pad di un componente SMT. Nel caso in cui i pad situati su un lato si inumidiscano (ovvero raggiungano una temperatura sufficientemente elevata) prima dei pad situati sull’altro lato del componente, il saldame tirerà il componente durante la solidificazione. Questa differenza di forze sui lati del componente può sollevare leggermente un lato del componente dal pad oppure lo può sposare dalla posizione ideale sul pad. In alcuni casi, il componente rimarrà attaccato al pad tramite la saldatura, sebbene la resistenza di contatto potrebbe essere elevata e il legame potrebbe essere debole.

In caso di estrema differenza di temperature, come quando un’estremità del componente non si umidifica del tutto, ciò può causare il sollevamento di un’estremità del componente, ovvero il tombstoning. Questo è un problema comune nei condensatori e nelle resistenze SMT. Il tombstoning durante la saldatura di riflusso è dovuto a una varietà di cause. La causa più comune è rappresentata dalla temperatura non uniforme nel forno di riflusso, con umidificazione di alcune aree del PCB prima di altre. L’applicazione non uniforme della pasta di saldatura durante l’assemblaggio può generare livelli di umificazione diversi sul circuito.

Dal punto di vista della progettazione, gruppi di componenti con pad non allineati in modo uniforme sono soggetti a scarsa umidificazione e tombstoning durante la saldatura di riflusso. Anche le dimensioni dei pad influiscono sulle differenze di temperatura durante la saldatura di riflusso; poiché i pad più grandi richiedono più calore per raggiungere una determinata temperatura, è necessario utilizzare pad di pari dimensioni su ciascun lato del componente. Durante la definizione delle dimensioni dei pad, è facile crearne uno troppo grosso; in questi casi, il rame extra dissiperà il calore durante la saldatura.

Spostamento di un componente a causa della scarsa umidificazione e della bassa temperatura sui pad, uno dei problemi che possono verificarsi in seguito alla saldatura PCB. [Fonte].

Controllate le dimensioni e le distanze dei pad durante la creazione del layout, al fine di garantire la saldatura durante l’assemblaggio. L’utilizzo di piazzole termiche sul lato più freddo di un componente aiuta a prevenire il tombstoning durante la saldatura di riflusso. I pad e le vie con piazzole termiche hanno una complessa struttura d’impendenza che somiglia a un vero condensatore, il che può creare alcuni problemi d’integrità del segnale nelle progettazioni ad alta velocità/frequenza. Approfondirò questo aspetto in un futuro articolo.

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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