作者 | 王輝剛、王輝東 （一博科技高速先生團隊隊員）
序
PCBA的生產環節中有很多不良問題發生，其中錫珠引起的短路失效，總是讓人防不勝防。解決此問題方法有很多，是從生產上改進，工藝上改良，還是從設計源頭上優化，多年來大家對此各抒己見討論不休，本期的DFM案例分析也許能給出一個比較明確的答案……
隨著電子產品集成化的不斷提高，對PCBA工藝製程的要求也越來越高。比如阻容封裝01005 尺寸的器件在智能穿戴產品和手機通訊產品的普遍應用，密間距的QFN、CSP封裝的應用等都提升了SMT工藝製程的複雜程度。為滿足產品的可靠性要求，良好的焊點形成有賴於合理的焊盤設計、合適的錫膏量、合適的爐溫區線等，其中鋼網的設計工藝是提升SMT工序良率的核心部分，這對於多年來在一線生產的工程師來說，也是巨大的挑戰。只有大家積累了豐富的生產經驗和紮實的技術功底，才能在生產線上處理異常時能迅速推導出缺陷的發生原因和機理，快速有效的解決問題。
本期課題，跟大家一起分享SMT製程中，常見幾種封裝產生錫珠不良的問題，怎麼通過鋼網開孔優化來解決的案例，同時在優化鋼網開孔時，也要避免因開孔面積縮小導致焊點少錫現象的不良問題出現。
通常關於錫珠不良現象描述如下：
錫珠是指在焊接過程中，由於錫膏飛濺或殘留、溢出焊盤等原因在PCB表面非焊點處形成的不規則的錫球。SMT工藝製程中在以下元件周圍出現錫珠的概率比較常見，通常分部位置如下：
- 電阻、電容元件焊盤周圍
- 模塊組件、屏蔽罩周圍
- 電感、磁珠、晶振、LED燈、MOS管、保險絲
- 底部扁平封裝器件如：濾波器、LGA封裝本體側面出現錫珠現象
下圖為阻容器件底部和模塊引腳周邊因錫珠產生的不良案例。
圖1：阻容封裝 圖2：模塊封裝 圖3: 晶振封裝
錫珠問題形成的原因有很多種：
- 從設計的角度PCB焊盤設計不合理、特殊封裝器件接地大焊盤外伸超出器件引腳過長。
- 物料封裝與焊盤尺寸不匹配，元件本體壓在焊盤上導致錫膏外溢
- 錫膏印刷後貼片壓力過大，部分錫膏被擠出焊盤到元器件本體的底部或焊盤外側，在迴流焊接時，被擠出的部分錫膏，未能正常收回到焊盤上，所形成的錫珠。
- 在迴流焊接過程中，溫度曲線的加熱升溫的斜率過快，錫膏中的助焊劑溶劑劇烈汽化產生爆噴從而導致錫粉飛濺，在焊盤周圍所形成的錫珠。
- 在錫膏印刷過程中，由於鋼網底部未清洗乾淨，在PCB焊盤周圍有殘留的錫粉，在迴流焊接過程中，也能導致錫珠的產生。
- 鋼網開孔設計如果直接按照gerber文件中的焊盤尺寸1:1 開孔，不做任何的評審和優化，這樣全開孔印刷錫膏，元件貼裝後錫膏擠出焊盤，迴流焊接後形成錫珠。
處理對策和預防措施：
- 遇到片式阻容類焊盤設計內距小於IPC-SM-782標準“Gap”值時，工藝工程師片優化鋼網時必須按防錫珠開孔方式特殊處理，如果按客戶提供的Gerber文件開孔，就會出現開孔未內切處理，導致開孔內距偏小（如下圖一）。
開孔內距小於0.3mm 0402封裝優化開孔內距0.35 – 0.5mm之間
- 以下有幾種防錫珠開孔方式：
0603元件內距保持0.8mm防錫珠處理內切外擴方式防錫珠、少錫
開梯形防錫珠方式開“U”形防錫珠方式
- 模塊類封裝防錫珠開孔方式主要是依據物料引腳尺寸和形狀進行優化：
焊盤尺寸1.8*1.27mm優化鋼網開孔尺寸2.1mm*1.26
- 針對晶振是底部焊盤封裝尺寸的類型，防錫珠開孔也不同。
內距尺寸為：1.3mm優化內距2mm倒圓角，寬度2mm開孔
- 對QFP、PLCC封裝長條形引腳的焊盤開孔方式
寬度內切處理引腳寬度1:0.9開孔，內距大於0.2mm
- 一般情況下防止錫膏印刷後連錫現象的發生，採用縮孔方式和開孔架橋方式來處理。
- 遇到混裝元件複雜度高的產品時，採用局部階梯厚度的開孔方式
比如板上的元件既有最小封裝0201、01005元件，又有大焊盤或定位孔的元件（如耳機座、卡座、連接器等），為了保證所有元件的焊盤都滿足良好的上錫效果，採用階梯鋼網的
開孔方式兼顧這兩種需求。在大尺寸元件焊盤位置保持較大的厚度，而在小封裝焊盤位置保持較小的厚度。一般情況下0201和01005元件的鋼網厚度為0.08mm，大焊盤吃錫量大的局部位置階梯厚度0.15 - 0.18mm來滿足焊點錫量。
- PCB焊盤設計時參考IPC-SM-782, 不同封裝尺寸的元件焊盤內距如下：
- 工程師在產前優化和設計鋼網開孔時，同樣在參考鋼網開孔設計指南 IPC – 7525，根據元件封裝引腳形狀和尺寸進行測量面積比和寬厚比，這樣才能確保錫膏印刷效果。
1）鋼網開孔面積與孔壁側面積的比值，一般建議大於0.66以上
2）鋼網開孔寬度和鋼網厚度的比值，通常建議大於1.5以上
總結
- 預防錫珠的發生，我們在DFM評審時對封裝尺寸和焊盤設計進行檢查，主要考慮在元件底部減少上錫量，從而減少錫膏擠出焊盤的幾率，對於不同的封裝元件優化的開孔方式和尺寸都不同，應該根據實際的元件規格及具體的製程參數相結合進行優化。
- 綜上所述是通過優化鋼網開孔尺寸解決錫珠問題是快速高效的方案，當然錫珠的產生的原因也是多種多樣的，解決方法也不同，如經過優化迴流爐溫度曲線、機器貼裝壓力、車間的環境和錫膏在印刷前的回溫攪拌等等也是解決錫珠產生的重要手段，E公司有經驗的工程師跟你一起分享幾點：
- 優化迴流爐溫度曲線設置，在預熱階段溫度上升斜率不能太快，升溫斜率設置小於2℃/秒以內，特別是複雜服務器主板上元件太密集，確保元件預熱均勻平穩。
- 對於LED封裝的元件在機器貼裝時控制貼裝壓力。
- 錫膏在印刷前嚴格按規範4小時以上回溫時間，使用時攪拌3-5分鐘
在生產過程中，工藝工程師在處理和解決各式各樣問題時，可以總結出鋼網的開孔形狀和尺寸，要根據焊點的不良現象進行點對點分析優化，根據實際問題不斷總結經驗進行優化上錫量，規範管理鋼網的開孔設計是非常重要的，否則會直接影響到生產直通率。
這正是
錫珠不良影響大
短路失效多因它
各種方案細考量
鋼網優化方最佳
— end —
本期提問：大家談一談在PCB設計時，有什麼鋼網優化的好方法？
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