纯干货！焊盘尺寸设计缺陷

cqukelly 2019-10-28

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SMT焊盘设计是PCB设计非常关键的部分，它确定了元器件在PCB上焊接位置，对焊点的可靠性、焊接过程中可能出现的焊接缺陷、可清晰性、可测试性和可维修性等起着显著作用。如果PCB焊盘设计正确，贴装时少量的歪斜可以在回流焊时，由于熔融焊锡表面张力的自校正效应而得到纠正;相反，如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，回流焊后会出现元器件位移、立碑等焊接缺陷。因此焊盘设计是决定表面组装部件可制造性的关键因素之一。

片式元器件焊盘设计需要考虑的因素有很多，必要的焊料量是确保结合部可靠性的前提。对在回流焊过程中可能出现的桥连、翘立等现象，在设计时要采取一定的预防措施。SMC/SMD与焊盘的匹配必须符合GJB 3243和IPC-7351的要求。常见的焊盘尺寸设计缺陷有焊盘尺寸错误、焊盘间距过大或过小、焊盘不对称、公用焊盘设计不合理等，导致焊接时容易出现虚焊、移位、立碑、少锡等很多缺陷，影响可靠性。

一、片式元器件焊盘设计缺陷

1.0.5mm间距的QFP焊盘长度太长，造成短路，如图1所示。

图1　焊盘长度太长，造成短路

2.PLCC插座焊盘太短，造成虚焊，如图2所示。

图2　焊盘太短，造成虚焊

3.IC的焊盘长度过长，焊膏量较大导致回流时短路，如图3所示。

图3　焊盘长度过长，焊膏量大导致回流时短路

4.翼形芯片焊盘过长影响脚跟焊料填充和脚跟润湿不良，如图4所示。

图4　焊盘过长影响脚跟焊料填充和脚跟润湿不良

5.片式元器件焊盘长度过短，造成移位、开路、无法焊接等焊接问题，如图5所示。

图5　焊盘长度过短，造成移位、开路、无法焊接

6.片式元器件焊盘长度过长，造成立碑、开路、焊点少锡等焊接问题，如图6所示。

图6　焊盘长度过长，造成立碑、开路、焊点少锡

7.焊盘宽度过宽导致元器件位移、空焊和焊盘上锡量不足等缺陷，如图7所示。

图7　焊盘宽度过宽导致元器件位移、空焊和焊盘上锡量不足

8.焊盘宽度过宽，元器件封装尺寸与焊盘不匹配，如图8所示。

图8　焊盘宽度过宽，元器件封装尺寸与焊盘不匹配

9.焊盘宽度偏窄，影响熔融焊料沿元器件焊端和PCB焊盘结合处的金属表面润湿铺展所能达成的尺寸，影响焊点形态，降低焊点的可靠性，如图9所示。

图9　焊盘宽度偏窄，影响焊点形态，降低焊点的可靠性

10.焊盘直接与大面积铜箔连接，导致立碑、虚焊等缺陷，如图10所示。

图10　焊盘直接与大面积铜箔连接，导致立碑、虚焊

11.焊盘间距过大或过小，元器件焊端不能与焊盘搭接交叠，会产生立碑、移位、虚焊等缺陷，如图11所示。

图11　焊盘间距过大或过小，元器件焊端不能与焊盘搭接交叠

12.焊盘间距过大导致不能形成焊点，如图12所示。

图12　焊盘间距过大导致不能形成焊点

型号实例：信号处理模块中SAD9058元器件的PCB焊盘尺寸与元器件实际尺寸不匹配，元器件焊接后引脚与焊盘的重叠接触部分仅占焊盘长度的50%(要求是100%接触)，焊点强度降低50%，经过多次温度、振动试验后焊盘开裂，导致干扰信号无法正常输出，如图13所示。

图13　焊盘尺寸与元器件实际尺寸不匹配，焊点强度降低

二、片式元器件错误的“常见病、多发病”

钽电容器焊盘设计缺陷片式钽电容器焊盘设计是焊盘设计错误的“常见病、多发病”。图14所示是片式钽电容器外形图，图15所示是片式钽电容器焊盘尺寸图。

图14　片式钽电容器外形图

图15　片式钽电容器焊盘尺寸图

CA45片式固体电解钽电容器，当额定电压为25V时，CA45型其外壳有C、E型两种，而设计人员在元器件表面上往往只写型号规格，忽略尾缀;C型的CA45-25V-10μ的片式钽电容器的L为5.8mm，焊盘设计长度应为7.4mm;而E型的CA45-25V-10μ的片式钽电容器的L为7.3mm，焊盘设计长度应为8.8mm。

如果设计人员在PCB上设计的焊盘长度为C型CA45-25V-10μ的片式钽电容器的焊盘长度(7.6mm)而装配的是E型CA45-25V-10μ片式钽电容器(L为7～7.6mm)，就会出现错误，片式钽电容器与焊盘之间的焊接存在严重的不可靠性，如图16所示。

图16　C型元器件焊盘安装E型元器件，无法产生牢固焊接

三、焊盘两端不对称，走线不规范

焊盘设计应严格保持对称性，即焊盘图形与尺寸应完全一致，以保持焊料熔融时，元器件上所有焊点的表面张力能保持平衡，以形成理想的焊点，否则极易导致偏移、立碑等缺陷。印制导线应从焊盘对称中心布线，禁止从对角线方向和焊盘的宽边布线，如图17所示。

图17　对角线方向和焊盘宽边布线设计缺陷示例

①当焊盘尺寸大小不对称或两个元器件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生吊桥、移位现象，如图18所示。

图18　设计缺陷：公用焊盘和元器件两端焊盘不对称示例

②焊盘不对称，回流焊时，焊盘较大的一端或吸热量大的一端焊料达不到应有熔融润湿效果，产生立碑、冷焊现象，如图19所示。

图19　焊盘不对称产生立碑示例

③焊盘不对称，造成片式元器件两端焊盘上的焊料量不一致，会在元器件上产生不一致的应力集中，导致片式陶瓷电容器电极产生裂纹，如图20所示。

图20　焊盘不对称，导致片式陶瓷电容器电极产生裂纹示例

④由于波峰焊特定的焊料涌动、冲刷和短时间内完成焊接的效应，通常需要将有引脚元器件焊盘加长，以加大焊料接触面积和时间，否则将形成阴影效应，如图21所示。

图21　波峰焊时，元器件焊盘没有加长形成阴影效应

四、焊盘宽度及相互间距离不均匀

①焊盘宽度与引脚宽度不匹配，宽度过大会在焊接过程中发生元器件偏移、甚至短路现象。

②宽度过小又会直接影响焊点结构应力不足，焊点完整性缺失等可靠性问题，如图22所示。

图22　焊盘宽度及相互间距离不均匀，造成焊接不可靠

五、IC焊盘宽度间距过大

如图23所示，集成电路的焊盘宽度与引脚宽距不能很好地匹配时，会造成焊点的不饱满。

①翼形引脚元器件会造成焊点脚跟极小甚至没有。

②J形引脚元器件则使得焊点脚趾、脚心焊料的缺失，从而影响焊料的附着力，对可靠性有极大的破坏作用。

图23　焊盘宽度间距过大

六、QFN焊盘设计缺陷

①PCB焊盘尺寸和QFN盘栅实物尺寸不匹配导致焊接后连焊少锡等严重问题，如图24所示。

图24　实物尺寸不匹配导致焊接后连焊少锡

②PCB接地焊盘与QFN两侧盘栅距离过窄，造成与QFN的盘栅短路。如图25所示，QFN元器件两侧的引脚间距为1.18mm，而元器件接地焊盘宽度为1.0mm+0.1/-0.15mm，即使100%精确贴装，贴片后元器件接地焊盘和QFN元器件两侧的距离只有0.065mm，势必造成QFN元器件引脚和元器件接地焊盘之间短路。

图25　避免QFN元器件引脚和元器件接地焊盘之间短路的周边焊盘设计要求

③如图26所示，印制电路板上的接地焊盘设计成很多小块，且每个小块中间有很大的导通孔，焊接时焊料流失，造成接地不良，降低散热效果。

图26　接地焊盘上有导通孔，又没有进行塞孔处理，焊接时焊料流失

④如图27所示，接地焊盘上因未进行除金搪锡处理或接地焊盘上有导通孔等原因，上锡面积只有20%，接地焊盘焊接不良，降低散热效果。

图27　QFN中间接地焊盘未进行除金搪锡处理，焊接不良

七、安装孔金属化，焊盘设计不合理

①安装孔是用螺钉固定PCB之用。安装孔壁覆铜箔，造成过波峰焊后堵孔，如图28所示。

图28　安装孔壁覆铜箔，造成过波峰焊后堵孔

②过波峰焊的安装孔焊盘需要设计成“米”字形或梅花状，也可以使用阻焊槽，如图29所示。

图29　设计成梅花状的安装孔

③使用阻焊槽设计，应注意过波峰焊的方向要和阻焊槽的方向对应。对于过波峰焊使用工装载具的产品，安装孔设计不受以上限制，如图30所示。

图30　使用过波峰焊的安装孔设计要求