Tombstoning: Strategie zapobiegania wadom montażu PCB

W miarę kontynuacji naszej serii na temat typowych wad montażu płytek drukowanych i wpływu projektowania PCB na proces montażu, przyjrzyjmy się bliżej zjawisku "tombstoning". Czasami terminy, których używamy w produkcji elektroniki, wywołują uśmiech. Wydaje się, że moglibyśmy mieć bardziej zaawansowane technologicznie terminy dla zjawisk takich jak "tombstoning", "mouse bites", "rabbit ears" itp., ale muszę przyznać, że terminy te są nie tylko niezwykle reprezentatywne, ale również zapadają w pamięć.

Jeśli nie jesteś zaznajomiony z terminem, "tombstoning" występuje, gdy jeden koniec komponentu montowanego powierzchniowo odrywa się od podkładki podczas przepływu lutu, co skutkuje pozycją pionową przypominającą nagrobek. Do typowych przyczyn tombstoningu należą nierównomierne nakładanie pasty lutowniczej, różnice w rozmiarach podkładek, niespójne profile termiczne podczas przepływu oraz problemy z projektowaniem PCB, takie jak nierównomierne ścieżki miedziane czy niewystarczające pokrycie maską lutowniczą. Niektóre z tych problemów mogą być wynikiem projektowania PCB, inne są rezultatem kontroli procesu montażu.

Tombstoning jest stosunkowo powszechnym problemem w montażu płytek drukowanych, szczególnie w procesach montażu technologii montażu powierzchniowego (SMT). Chociaż dokładna częstotliwość występowania tombstoningu może się różnić w zależności od takich czynników jak specyficzne używane komponenty, złożoność projektu PCB oraz jakość procesów produkcyjnych, tombstoning jest uważany za jedną z bardziej rozpowszechnionych wad napotykanych w procesie montażu PCB.

Mimo że postępy w technologii produkcyjnej i ulepszone praktyki projektowe pomogły zmniejszyć występowanie tombstoningu na przestrzeni lat, nadal pozostaje to wyzwanie, z którym projektanci i producenci PCB muszą się zmierzyć, aby zapewnić niezawodność i funkcjonalność urządzeń elektronicznych. W branżach, gdzie wymagane są wysokie standardy niezawodności, takich jak motoryzacja, lotnictwo i produkcja urządzeń medycznych, podejmuje się wysiłki, aby zminimalizować występowanie tombstoningu. Celem jest eliminacja potrzeby poprawek, które byłyby konieczne do usunięcia tombstoningu.

Czynniki przyczyniające się do tombstoningu

• Metody nakładania pasty lutowniczej, takie jak drukowanie pasty lutowniczej, muszą być zweryfikowane, aby zapewnić jednolite nakładanie pasty lutowniczej na pady.
• Nierównomierne pokrycie maski lutowniczej: Maska lutownicza służy jako warstwa ochronna na PCB, zapobiegając przepływowi cyny tam, gdzie nie powinno jej być podczas przepływu. Jeśli pady po jednej stronie komponentu mają mniejsze pokrycie maską lutowniczą niż inne pady, wynikiem może być nierównomierne lutowanie i efekt "tombstoning".
• Projekt i rozmiar padów na PCB odgrywają kluczową rolę w zapobieganiu efektowi "tombstoning". Jeśli pady są za małe, za duże lub niezgodne po obu stronach komponentu, może to prowadzić do nierównomiernego lutowania. Na przykład, mniejsze pady mogą nie zapewniać wystarczającej powierzchni dla odpowiedniego przylegania cyny, podczas gdy większe pady mogą skutkować nadmierną pastą lutowniczą i nierównowagą podczas przepływu.
  • Zapewnij odpowiednie rozmiary padów dla używanych komponentów, dostarczając wystarczającą powierzchnię dla przylegania cyny bez nadmiaru.
  • Wprowadź odpowiednie geometrie padów, takie jak zaokrąglone rogi czy skośne krawędzie, aby promować spójny przepływ cyny i minimalizować ryzyko powstawania mostków lutowniczych lub efektu "tombstoning".
  • Użyj padów z ulgą termiczną dla komponentów połączonych z dużymi płaszczyznami miedzi, aby złagodzić nierównowagi termiczne podczas przepływu.
• Dokładne umiejscowienie komponentów: Nieprawidłowe wyrównanie podczas umieszczania może prowadzić do nierównomiernego ogrzewania podczas przepływu, powodując lutowanie jednego końca komponentu przed drugim.

Rozważania dotyczące maski lutowniczej

Odpowiednie pokrycie maską lutowniczą jest niezbędne, aby zapobiec tworzeniu mostków lutowniczych i efektowi "tombstoning". Praktyki DFM zalecają:

• Zapewnienie odpowiedniego pokrycia maską lutowniczą wokół padów, aby zapobiec przepływowi cyny tam, gdzie nie powinno jej być podczas przepływu.
• Wprowadzenie ekspansji maski lutowniczej, aby zapewnić dodatkowe odstępy między padami i zapobiec tworzeniu mostków lutowniczych.
• Przeprowadzanie przeglądów projektowych w celu weryfikacji pokrycia maską lutowniczą i dokonywanie dostosowań w razie potrzeby, aby zminimalizować ryzyko efektu "tombstoning".

Strategie ulgi termicznej

Skuteczne strategie ulgi termicznej pomagają zarządzać dystrybucją ciepła podczas lutowania przepływowego, redukując prawdopodobieństwo efektu "tombstoning". Wytyczne DFM sugerują:

• Użycie połączeń z ulgą termiczną dla komponentów połączonych z dużymi płaszczyznami miedzi, aby zminimalizować gradienty termiczne i zapobiec efektowi "tombstoning".
• Optymalizację liczby i rozmieszczenia połączeń z ulgą termiczną w oparciu o wymagania termiczne komponentu i układ PCB.

Narzędzia analizy DFM

• Wykorzystanie narzędzi analizy DFM może pomóc zidentyfikować potencjalne problemy na wczesnym etapie procesu projektowania i zapobiec efektowi "tombstoning". Projektanci mogą:
  • Przeprowadzać symulacje termiczne w celu oceny dystrybucji ciepła na PCB i identyfikacji obszarów podatnych na efekt "tombstoning".
  • Przeprowadzać kontrole zasad projektowych (DRC) i kontrole produkowalności, aby zapewnić zgodność z wytycznymi DFM i zidentyfikować potencjalne ryzyko efektu "tombstoning".

W miarę postępu miniaturyzacji komponentów, procesy montażu SMT są coraz bardziej obciążone, a wiele pracy jest wykonywane w celu dostosowania procesów do potrzeb związanych z mniejszymi rozmiarami elementów. Utrzymanie spójnych profilów termicznych podczas lutowania reflow, w tym etapów nagrzewania, utrzymywania temperatury i schładzania, może pomóc zapobiec zjawisku tombstoning. Można z dużym prawdopodobieństwem założyć, że podczas tego procesu, zobaczymy wzrost wspólnych wad montażu płytek drukowanych, takich jak tombstoning. Będzie kluczowe współpracowanie z zespołami produkcyjnymi w celu zrozumienia wszelkich zmian w wytycznych projektowania z myślą o produkcji.