PCB制板工艺对SMT制程的影响—案

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• Source: 北京SMT专业委员会
• Date: 2016-12-26
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作者：北京佰瑞德科技有限公司李博 
     在现在的SMT加工过程中，能够影响质量的因素包括PCB、制程工艺参数、辅料、设备等多元素，其中PCB的影响巨大，所以对PCB的制程要求也越来越高，一旦PCB先天不良，在SMT制程中对质量的控制就会比较棘手。每个制板厂都有各自的加工制程能力,所以我们要根据自己的需求选择合适的制板厂，才可以根据其制程能力提出验收条件,避免在SMT制程中出现类似问题
影响生产效率及产品质量.

案例：我司在生产某公司汽车产品板卡时出现了QFN短路现象，生产过程中没有发现异常，客户测试后反馈有短路情况，不良比例约为15%，我司进行了原因分析：

• 从外观上看没有桥连情况，在对板卡进行X-Ray检验，发现短路的引脚多是1/2两脚间如图1 X-Ray影像，
• 为确认锡膏量是不是太多导致连焊，对钢网开口和PCB焊盘尺寸进行了测量，图2为钢网开口尺寸；元件电极尺寸为0.22*0.6mm，间隙为0.28mm；为保证开口面积比，要求开口尺寸为0.24*0.75mm（外延了0.15mm），实测钢网开口尺寸为0.24*0.74mm，间隙变为0.26mm，钢网厚度为0.13mm，使用前将钢网进行了DEK涂膜处理，初步判定钢网的开口尺寸没有问题，不会导致QFN短路；

3. 检查PCB，发现该产品的PCB是由两家不同制板厂加工制造，从外观可看出两种PCB上QFN焊盘的尺寸有很大的差异,图3为A/B两制板厂的QFN实际焊盘图像对比（第一脚和第九脚比其它焊盘的尺寸都小），同时又对PCB上QFN焊盘尺寸进行了测量，图5为A/B两家QFN焊盘尺寸数值（差距最明显的是第一和第九脚）；由此可算出A制板PCB第一脚焊盘的面积是0.421*0.132≈0.056 mm²，第九脚面积0.471*0.124≈0.058 mm²；B厂的PCB第一脚面积0.579*0.192≈0.111 mm²，第九脚面积0.587*0.207≈0.121 mm²， QFN焊盘尺寸在PCB文件中有尺寸要求是0.22*0.6mm，面积为0.132mm²，间隙为0.28mm如图4，将PCB上1/9脚面积与设计面积进行对比：A厂为0.42和0.44，B厂为0.84和0.91，并且相邻焊盘间没有阻焊；由此可见A厂的焊盘最小面积都在设计要求的50%以下，B厂则在80%以上，又将不良品进行了筛选，发现90%的不良品都是A厂制作的；
图3
    图4                                      图5
     解析：由于钢网开口尺寸都相同，所以焊膏的量是一样的，但焊盘的面积有所不同，所以在回流焊接过程中面积小的焊盘与大焊盘的吃锡量是不一样的，在元件贴装时有向下的压力，锡膏会被压出焊盘，小焊盘不能容留多余的锡膏，多余的锡膏也不能被相邻焊盘容留，会在两焊盘的间隙中随机流动，最后导致桥连可能性上升。在生产后没有功能检测只靠外观是很难检查出。
为什么焊盘大小会有如此大的差异呢？原因是在制板厂制板时，会根据实际的制程能力和PCB铜箔线路设计来进行制板，本案例中的QFN在设计时所有的焊盘大小都一样如图7，内部连接线路只有两条，分别是2-8脚连接，3-7脚连接，10脚连接地，1/9焊盘没有线路连接，制板时就会考虑到这些因素，2/3/7/8脚的焊盘是由铜箔和绿油窗来决定实际焊盘的尺寸（如图6是将PCB表面打磨后底部实际铜箔图片，图7为设计时的焊盘和线路图片），其它焊盘底部没有线路,腐蚀铜箔时就没有太大的精度要求，尺寸就会比设计尺寸小。
 制板时制板厂没有在焊盘上做绿油窗，是由铜箔的大小决定焊盘的尺寸，所以焊盘大小不一致，导致在生产过程中会出现短路的情况；如果做了绿油窗时，那么焊盘的尺寸是由绿油窗大小来决定的，生产时就会避免短路发生，但是此案例中有的焊盘是和地铜箔相连（如右下角位置），当该位置做绿油窗时，由于制板做绿油窗有公差，公差大时，该位置的焊盘面积实际上就会变大， SMT制程中所面对的同一器件焊盘大小不一多是由此而来，这种情况应在设计时给与对应。
 
生产前对策： 如遇到此类问题，要对钢网进行特殊开口要求，在符合开口面积比的情况下选与焊盘实际尺寸相匹配的开口，这样才能在制程中保证不会有多余的锡膏导致桥连；另一要点是IQC要注意侧蚀对焊盘尺寸的影响，并对供应商明示关键点的公差要求。
设计对策：设计人员在设计PCB的时候，需要充分考虑到所选择的制板厂制程能力，阻焊窗公差选取对焊盘尺寸大小有很大的关系；设计焊盘的时焊盘与线路连接方式最好采用花焊盘连接且连接线宜细（如图8），这样设计的好处是当制板厂做绿油窗的公差稍大时，焊盘的面积也不会变大过多。
  
结论：在制板时要了解制板厂的制程能力，选择合适的厂商，充分考虑制板能力的高低与SMT制程的关联，以利于低成本时提高品质与生产效率。

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