Częste defekty montażu PCB, które powinieneś znać

Projektanci PCB są architektami stojącymi za technologią, która napędza naszą współczesną elektronikę, balansując między wieloma wymaganiami, nawigując przez skomplikowany układ, który jest równie dużo sztuką, co nauką.  Jednak nawet najbardziej starannie zaprojektowane płytki drukowane mogą napotkać wady podczas fabrykacji i montażu PCB.  W tym blogu przyjrzymy się przeglądowi najczęstszych wad montażowych, niektórych, na które projekt PCB może mieć wpływ, oraz niektórych, które są specyficzne dla samego procesu montażu.  Następnie przyjrzymy się konkretnemu defektowi, jakim jest deformacja PCB i komponentów, oraz jak projekt PCB może wpłynąć na tę wadę. Z niecierpliwością czekając na przyszłe blogi, będziemy badać te wady z perspektywy produkowalności, aby pomóc zasypać przepaść między projektowaniem PCB a montażem.

Typowe wady montażu PCB

Zwarcia/krótkie obwody spowodowane lutowaniem: Ta wada występuje, gdy cyna łączy ze sobą dwie lub więcej przewodzących cech, powodując niezamierzone połączenia elektryczne. Może to dotyczyć sąsiadujących ze sobą nóżek, padów lub ścieżek obwodów.

Niewystarczająca ilość cyny: Niewystarczająca ilość cyny może prowadzić do niekompletnych lub słabych połączeń lutowanych, co z kolei prowadzi do słabego połączenia elektrycznego. Może to objawiać się jako połączenie przerywane lub otwarte.

Tworzenie kulek lutowniczych: Kulki lutownicze to małe, niezamierzone osady lutu, które mogą wystąpić podczas lutowania reflow w wyniku niekompletnego topnienia i przepływu pasty lutowniczej. Mogą one prowadzić do zwarcia, jeśli znajdują się w wrażliwych obszarach PCB.

Kulki lutownicze pojawiają się, gdy pasta lutownicza nie jest wymieszana lub jest przechowywana nieprawidłowo. [Źródło obrazu: User John U, stackexchange.com]

Stawianie na kamieniu: To zjawisko, gdy komponent montażu powierzchniowego stoi na jednym końcu z powodu niezrównoważonego reflow lutu, co skutkuje słabym połączeniem elektrycznym. Ta wada jest często spowodowana różnicami temperatur podczas reflow.

Oderwane lub brakujące pady: Pady mogą odłączyć się podczas montażu, co skutkuje nieprawidłowym działaniem komponentów.

Niewłaściwe ustawienie komponentów: Komponenty montażu powierzchniowego mogą być źle ustawione lub przekrzywione podczas umieszczania, prowadząc do wad złączy lutowniczych lub otwartych połączeń.

Zimne złącza lutownicze: Zimne złącza lutownicze to kruche, słabe połączenia, które powstają, gdy lut nie płynie prawidłowo podczas reflow, często z powodu niewystarczającego ciepła lub niewłaściwej aktywacji topnika.

Problemy z lutowaniem BGA: Komponenty Ball grid array (BGA) mogą cierpieć na wady kulek lutowniczych, otwarte połączenia lub puste przestrzenie pod komponentem, co może prowadzić do słabej łączności i problemów z niezawodnością.

Odwrócenie polaryzacji komponentów: Błędy w umieszczaniu lub orientacji komponentów mogą prowadzić do nieprawidłowej polaryzacji, co skutkuje odwróceniem napięcia i potencjalnym uszkodzeniem.

Nadmiar pasty lutowniczej: Nakładanie zbyt dużej ilości pasty lutowniczej podczas drukowania szablonu może powodować zwarcia lutownicze i inne wady związane z lutowaniem.

Niewystarczająca ilość pasty lutowniczej: Niewystarczająca ilość pasty lutowniczej może prowadzić do niekompletnych lub słabych połączeń lutowniczych, szczególnie przy komponentach o małym rozstawie nóżek.

Niewystarczające filety lutownicze: Filety lutownicze, które nie tworzą się odpowiednio wokół wyprowadzeń lub padów komponentów, skutkując słabymi połączeniami.

Resztki kulek lutowniczych: Kulki lutownicze pozostawione na powierzchni PCB po przepływie mogą powodować zwarcia i inne problemy.

Brakujące komponenty: Komponenty pominięte podczas umieszczania z powodu błędów sprzętu lub operatora.

Wygięte lub zgięte komponenty: Komponenty SMT mogą stać się wygięte lub zgięte podczas przepływu, wpływając na ich umieszczanie i jakość połączeń lutowniczych.

• Dowiedz się więcej o typowych wadach SMT
• Dowiedz się więcej o najlepszych praktykach DFA

Wysokie wygięcie PCB może skutkować wygięciem obudowy SMT. [Źródło obrazu]

Wygięcie, minimalizacja ryzyka

Projektanci PCB mogą podjąć kilka środków, aby zminimalizować odkształcenia komponentów i płytek PCB, które mogą przyczyniać się do wad, takich jak tworzenie się kulek lutu podczas montażu PCB. Oto kilka sposobów, w jaki projekt płytki drukowanej może wpłynąć i potencjalnie zapobiec odkształceniom:

Umieszczanie komponentów i projektowanie śladów

• Starannie dobieraj lokalizacje i orientacje komponentów, aby zminimalizować naprężenia. Unikaj umieszczania ciężkich komponentów w wrażliwych obszarach.
• Używaj komponentów z płaskimi lub koplanarnymi wyprowadzeniami, które zwykle wywierają mniejszy nacisk na płytę.
• Projektuj odpowiednie ślady komponentów, które uwzględniają rozszerzalność termiczną i kurczenie się podczas lutowania.
• Upewnij się, że pady komponentów są wystarczająco duże, aby zapewnić stabilność mechaniczną i wytrzymałość połączeń lutowniczych.
• Dla ciężkich lub wysokich komponentów rozważ dodatkowe metody mocowania mechanicznego, takie jak śruby lub dystanse, aby zapewnić stabilność i zapobiec odkształceniom.
• Dąż do symetrycznego układu płyty, równomiernie rozkładając komponenty i elementy, aby zapobiec naprężeniom w konkretnych lokalizacjach.
• Jeśli używasz płaszczyzn miedzi, dodaj połączenia z ulgą termiczną dla komponentów z dużymi połączeniami masowymi lub zasilającymi, aby zapobiec odkształcaniu się płyty podczas lutowania reflow.

Układ warstw płyty

• Układ warstw PCB powinien zrównoważyć rozkład miedzi po obu stronach płyty, aby zminimalizować odkształcenia.
• Wybieraj zrównoważone układy warstw z symetrycznymi masami miedzi i grubością dielektryków na całym układzie.
• Wybierz materiały do płytek drukowanych, które mają dobrą stabilność wymiarową i niski współczynnik rozszerzalności cieplnej (CTE).
• Rozważ użycie materiałów zaprojektowanych do aplikacji wysokotemperaturowych, jeśli wymaga tego twoja konstrukcja.

Rozważania termiczne

• Upewnij się, że komponenty generujące znaczące ilości ciepła mają odpowiednie rozwiązania zarządzania ciepłem.  Radiatory, przelotki lub dedykowane płaszcze miedziane mogą pomóc w tym zakresie.
• Rozmieść elementy generujące ciepło równomiernie na całej płycie, aby uniknąć lokalnego nagrzewania się i deformacji.
• Unikaj umieszczania gęsto upakowanych radiatorów lub złączy blisko środka PCB.  Mogą one wywierać nierówne siły i przyczyniać się do deformacji.

Zakończę ten blog radą.  Ważne jest, aby współpracować zarówno z produkcją, jak i montażem podczas procesu projektowania. Jest tak wiele przykładów elementów tak prostych jak kolor maski lutowniczej, które wpływają na wydajność, co z kolei wpływa na cenę i czas realizacji.  Zapewnienie współpracy i komunikacji między projektowaniem, produkcją a montażem przez cały proces produkcyjny da projektowi najlepsze szanse na sukces za pierwszym podejściem.

Gdy będziesz gotowy, aby stworzyć swój układ PCB z najlepszymi praktykami DFA dla montażu SMT, użyj narzędzi do projektowania i układu w Altium Designer^®. Aby wdrożyć współpracę w dzisiejszym środowisku wielodyscyplinarnym, innowacyjne firmy korzystają z platformy Altium 365™ , aby łatwo udostępniać dane projektowe i wprowadzać projekty do produkcji.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.