Wydawałoby się, iż tak trywialna kwestia, jak dołączanie ścieżek do pól lutowniczych elementów SMD nie jest niczym skomplikowanym. Jeśli myślimy o masowej produkcji naszego projektu, a przynajmniej o jego montażu automatycznym i lutowaniu w piecu, jest szereg kwestii, których znajomość pozwoli nam zaoszczędzić sobie problemów podczas takiego montażu. W poprzedniej części mówiliśmy o dołączaniu sygnałów do padów z pomocą przelotek, teraz zajmiemy się stykiem zwykłej, planarnej ścieżki i pada.
Zazwyczaj mówiąc o elementach SMD, mamy na myśli duże układy scalone w miniaturowych obudowach z wieloma wyprowadzeniami, np. w obudowach BGA czyt QFN. w tym artykule pochylimy się jednak nad o wiele prostszymi elementami - prostymi układami pasywnymi w obudowie typu chip - rezystorami, kondensatorami i indukcyjnościami. Przykład takiego elementu pokazano po lewej stronie. Widzimy, że element ten jest przekrzywiony - dlaczego przemieścił się on podczas lutowania w piecu? O tym dowiedzieć można się z poniższego artykułu.
Elementy pasywne w obudowach SMD mogą przemieszczać się na płytce drukowanej w dwóch płaszczyznach. Jednej - w płaszczyźnie płytki i drugiej w płaszczyźnie prostopadłej do płytki (powstają wtedy tzw. nagrobki, czyli elementy SMD, które ustawiły się na sztorc). W pierwszej kolejności zajmijmy się kwestią elementów przekręcających się w płaszczyźnie PCB, jak pokazany powyżej kondensator.
Przyczyn tego rodzaju migracji elementów może być wiele. Jedną z nich jest nierównomierne nagrzewanie się lutowia na padach, bądź jego migracja z jednego pada w inne miejsce. W przypadku pokazanym powyżej winna jest niezaślepiona przelotka na jednym z padów - spowodowała ona odpływ spoiwa z pola lutowniczego, przez co napięcie powierzchniowe roztopionego lutowia na drugim padzie spowodowało przemieszczenie elementu.
Nie tylko przelotki na padach mogą jednakże powodować tego rodzaju ruch lutowia. Ułożenie ścieżek dołączonych do pola także może mieć ogromne znaczenie. Asymetryczne ścieżki doprowadzić mogą do niejednorodnej migracji lutowia w piecu, przez co element przemieści się wraz ze spoiwem. Jest to szczególnie istotne podczas lutowania płytek bez maski antylutowniczej (solder mask). Jak widzimy na ilustracji po prawej stronie - asymetryczne ścieżki (lewa strona obrazka) powodują, że wraz z migracją lutowia po ścieżkach (zaznaczone strzałkami) przemieści się także lutowany element elektroniczny.
Po prawej stronie ilustracji widzimy natomiast preferowane sposoby podłączania ścieżek. W idealnych warunkach, do każdego pola lutowniczego podłączona powinna być pojedyncza ścieżka, odchodząca od niego prostopadle po zewnętrznej lub wewnętrznej stronie. Pamiętajmy, aby ścieżki były symetryczne. Dozwolone są także inne sposoby prowadzenia ścieżek, przykładowe akceptowalne ich ułożenie pokazane jest na ilustracji poniżej:
Symetria jest ważna nie tylko w kształcie podłączenia - miejscu styku ścieżki z polem lutowniczym - ale także w wielkości samych ścieżek. Wynika to z faktu, iż jednym z czynników, przyczyniających się do migracji elementów jest różnica temperatur pól lutowniczych. Dzieje się tak zwłaszcza, gdy do elementu z jednej strony podłączona jest szeroka ścieżka, lub wręcz wylewka masy. W przypadku rysowanych automatycznie polygonów, większość programów EDA dodaje automatycznie cieńsze ścieżki, łączące pad z wylewką (patrz obrazek z lewej strony), jednakże gdy łączymy szeroką ścieżkę z padem już tak nie jest.
Ścieżki łączące się z typowymi padami SMD nie powinny być zasadniczo szersze niż 10 milsów. Jeśli istnieje konieczność przeniesienia większego prądu, przez to połączenie, możemy dodać kilka równoległych ścieżek o tej szerokości, jak pokazano na poniższej ilustracji. Co do zasady, długość przewężonych ścieżek nie powinna być mniejsza niż 10 milsów od krawędzi pola lutowniczego do większej ścieżki.
Jeśli jednak nie możemy z jakiegoś powodu poprowadzić w ten sposób ścieżek, to upewnijmy się, iż ścieżki po obu stronach elementu mają podobną szerokość i geometrię, aby temperatura na obu polach lutowanego elementu rozkładała się w symetryczny sposób.
Inną przyczyną nierównomiernego rozkładu temperatury może być występowanie dużej pojemności cieplnej w okolicy jednego z padów. Jak widzimy na obrazku po lewej stronie, po umieszczeniu obok niewielkiego elementu SMD dużego układu/elementu, który ma znacznie większą pojemność, pola lutownicze rozgrzewają się niejednokrotnie. Jak widać na obrazku - tutaj nie doprowadziło to do przemieszczenia się elementu na PCB lateralnie, a do jego powstania.
Taki ruch elementów na PCB ma podobne przyczyny jak przesuwanie się elementów w płaszczyźnie PCB - niejednorodne rozgrzewanie się pól lutowniczych, co sprawia, że siła napięcia powierzchniowego roztopionego spoiwa na jednym z padów jest dużo silniejsza niż na drugim i powoduje postawienie elementu "na sztorc". Na filmie poniżej widzimy, jak nierównomierne rozmieszczenie pasty lutowniczej powoduje "wstanie" jednego z lutowanych oporników:
Innym czynnikiem, jaki może przyczynić się do "wstawania" elementów SMD jest niepoprawnie nałożona warstwa antylutownicza. Zazwyczaj myśląc o PCB, pomijamy jej grubość, ale jeżeli - tak jak pokazano po prawej stronie - występuje zgrubienie farby soldermaski wokół pól lutowniczych, to występuje ryzyko, że elementy będą wstawać. Ogólniej mówiąc, to jeżeli warstwa ta będzie zbyt gruba, to lutowanie w piecu elementów SMD obarczone jest większym ryzykiem powstawania defektów tego typu.
Na wstawanie elementów elektronicznych wpływ ma też asymetryczna wielkość pól lutowniczych. Jak pokazano na poniższej ilustracji, jeśli na jednym z pól lutowniczych znajdzie się więcej pasty, to po jej roztopieniu siła generowana przez napięcie powierzchniowe będzie nierówna i spowoduje powstanie elementu.
Jak pokazują powyższe przykłady, niuanse projektu PCB, takie jak szerokość ścieżek czy sposób połączenia ich z polami lutowniczymi elementów SMD, mogą mieć istotne znaczenie dla powodzenia masowej produkcji układów elektronicznych. Jeśli chcemy, by nasze układy montowane i lutowane były automatycznie, zadbajmy o to, by zminimalizować miejsca, gdzie potencjalnie wystąpić mogą opisane powyżej zjawiska. Unikniemy w ten sposób błędów przy montażu układów, które niepotrzebnie zwiększają koszt produkcji danej serii urządzeń.
Więcej na temat opisanych powyżej zjawisk przeczytać można w linkowanej poniżej literaturze źródłowej. Jeśli macie jakieś pytania odnośnie w/w tematu, nie bójcie się komentować. Może macie własne doświadczenia z tego rodzaju zjawiskami lub też znacie inne metody przeciwdziałania im?
Jeśli macie propozycje dalszych części tego cyklu, to zapraszam do sugerowania. Najlepsze pewnie doczekają się realizacji.
Źródła:
https://www.eeweb.com/profile/duane-benson-2/articles/little-smt-parts-big-issues
https://www.altronmfg.com/pcb-design-for-manufacturability/
http://documentation.solidworkspcb.com/display/SWPCB/PCB_Dlg-PolygonConnectStyleRule_Frame((Polygon+Connect+Style))_PW
https://www.ecnmag.com/article/2012/07/low-mass-solution-tombstone-dilemma-identified
Zazwyczaj mówiąc o elementach SMD, mamy na myśli duże układy scalone w miniaturowych obudowach z wieloma wyprowadzeniami, np. w obudowach BGA czyt QFN. w tym artykule pochylimy się jednak nad o wiele prostszymi elementami - prostymi układami pasywnymi w obudowie typu chip - rezystorami, kondensatorami i indukcyjnościami. Przykład takiego elementu pokazano po lewej stronie. Widzimy, że element ten jest przekrzywiony - dlaczego przemieścił się on podczas lutowania w piecu? O tym dowiedzieć można się z poniższego artykułu.
Elementy pasywne w obudowach SMD mogą przemieszczać się na płytce drukowanej w dwóch płaszczyznach. Jednej - w płaszczyźnie płytki i drugiej w płaszczyźnie prostopadłej do płytki (powstają wtedy tzw. nagrobki, czyli elementy SMD, które ustawiły się na sztorc). W pierwszej kolejności zajmijmy się kwestią elementów przekręcających się w płaszczyźnie PCB, jak pokazany powyżej kondensator.
Przyczyn tego rodzaju migracji elementów może być wiele. Jedną z nich jest nierównomierne nagrzewanie się lutowia na padach, bądź jego migracja z jednego pada w inne miejsce. W przypadku pokazanym powyżej winna jest niezaślepiona przelotka na jednym z padów - spowodowała ona odpływ spoiwa z pola lutowniczego, przez co napięcie powierzchniowe roztopionego lutowia na drugim padzie spowodowało przemieszczenie elementu.
Nie tylko przelotki na padach mogą jednakże powodować tego rodzaju ruch lutowia. Ułożenie ścieżek dołączonych do pola także może mieć ogromne znaczenie. Asymetryczne ścieżki doprowadzić mogą do niejednorodnej migracji lutowia w piecu, przez co element przemieści się wraz ze spoiwem. Jest to szczególnie istotne podczas lutowania płytek bez maski antylutowniczej (solder mask). Jak widzimy na ilustracji po prawej stronie - asymetryczne ścieżki (lewa strona obrazka) powodują, że wraz z migracją lutowia po ścieżkach (zaznaczone strzałkami) przemieści się także lutowany element elektroniczny.
Po prawej stronie ilustracji widzimy natomiast preferowane sposoby podłączania ścieżek. W idealnych warunkach, do każdego pola lutowniczego podłączona powinna być pojedyncza ścieżka, odchodząca od niego prostopadle po zewnętrznej lub wewnętrznej stronie. Pamiętajmy, aby ścieżki były symetryczne. Dozwolone są także inne sposoby prowadzenia ścieżek, przykładowe akceptowalne ich ułożenie pokazane jest na ilustracji poniżej:
Symetria jest ważna nie tylko w kształcie podłączenia - miejscu styku ścieżki z polem lutowniczym - ale także w wielkości samych ścieżek. Wynika to z faktu, iż jednym z czynników, przyczyniających się do migracji elementów jest różnica temperatur pól lutowniczych. Dzieje się tak zwłaszcza, gdy do elementu z jednej strony podłączona jest szeroka ścieżka, lub wręcz wylewka masy. W przypadku rysowanych automatycznie polygonów, większość programów EDA dodaje automatycznie cieńsze ścieżki, łączące pad z wylewką (patrz obrazek z lewej strony), jednakże gdy łączymy szeroką ścieżkę z padem już tak nie jest.
Ścieżki łączące się z typowymi padami SMD nie powinny być zasadniczo szersze niż 10 milsów. Jeśli istnieje konieczność przeniesienia większego prądu, przez to połączenie, możemy dodać kilka równoległych ścieżek o tej szerokości, jak pokazano na poniższej ilustracji. Co do zasady, długość przewężonych ścieżek nie powinna być mniejsza niż 10 milsów od krawędzi pola lutowniczego do większej ścieżki.
Jeśli jednak nie możemy z jakiegoś powodu poprowadzić w ten sposób ścieżek, to upewnijmy się, iż ścieżki po obu stronach elementu mają podobną szerokość i geometrię, aby temperatura na obu polach lutowanego elementu rozkładała się w symetryczny sposób.
Inną przyczyną nierównomiernego rozkładu temperatury może być występowanie dużej pojemności cieplnej w okolicy jednego z padów. Jak widzimy na obrazku po lewej stronie, po umieszczeniu obok niewielkiego elementu SMD dużego układu/elementu, który ma znacznie większą pojemność, pola lutownicze rozgrzewają się niejednokrotnie. Jak widać na obrazku - tutaj nie doprowadziło to do przemieszczenia się elementu na PCB lateralnie, a do jego powstania.
Taki ruch elementów na PCB ma podobne przyczyny jak przesuwanie się elementów w płaszczyźnie PCB - niejednorodne rozgrzewanie się pól lutowniczych, co sprawia, że siła napięcia powierzchniowego roztopionego spoiwa na jednym z padów jest dużo silniejsza niż na drugim i powoduje postawienie elementu "na sztorc". Na filmie poniżej widzimy, jak nierównomierne rozmieszczenie pasty lutowniczej powoduje "wstanie" jednego z lutowanych oporników:
Innym czynnikiem, jaki może przyczynić się do "wstawania" elementów SMD jest niepoprawnie nałożona warstwa antylutownicza. Zazwyczaj myśląc o PCB, pomijamy jej grubość, ale jeżeli - tak jak pokazano po prawej stronie - występuje zgrubienie farby soldermaski wokół pól lutowniczych, to występuje ryzyko, że elementy będą wstawać. Ogólniej mówiąc, to jeżeli warstwa ta będzie zbyt gruba, to lutowanie w piecu elementów SMD obarczone jest większym ryzykiem powstawania defektów tego typu.
Na wstawanie elementów elektronicznych wpływ ma też asymetryczna wielkość pól lutowniczych. Jak pokazano na poniższej ilustracji, jeśli na jednym z pól lutowniczych znajdzie się więcej pasty, to po jej roztopieniu siła generowana przez napięcie powierzchniowe będzie nierówna i spowoduje powstanie elementu.
Jak pokazują powyższe przykłady, niuanse projektu PCB, takie jak szerokość ścieżek czy sposób połączenia ich z polami lutowniczymi elementów SMD, mogą mieć istotne znaczenie dla powodzenia masowej produkcji układów elektronicznych. Jeśli chcemy, by nasze układy montowane i lutowane były automatycznie, zadbajmy o to, by zminimalizować miejsca, gdzie potencjalnie wystąpić mogą opisane powyżej zjawiska. Unikniemy w ten sposób błędów przy montażu układów, które niepotrzebnie zwiększają koszt produkcji danej serii urządzeń.
Więcej na temat opisanych powyżej zjawisk przeczytać można w linkowanej poniżej literaturze źródłowej. Jeśli macie jakieś pytania odnośnie w/w tematu, nie bójcie się komentować. Może macie własne doświadczenia z tego rodzaju zjawiskami lub też znacie inne metody przeciwdziałania im?
Jeśli macie propozycje dalszych części tego cyklu, to zapraszam do sugerowania. Najlepsze pewnie doczekają się realizacji.
Źródła:
https://www.eeweb.com/profile/duane-benson-2/articles/little-smt-parts-big-issues
https://www.altronmfg.com/pcb-design-for-manufacturability/
http://documentation.solidworkspcb.com/display/SWPCB/PCB_Dlg-PolygonConnectStyleRule_Frame((Polygon+Connect+Style))_PW
https://www.ecnmag.com/article/2012/07/low-mass-solution-tombstone-dilemma-identified
Fajne? Ranking DIY

nie mówiąc o tym, że mało kto trzyma w lodówce pasty, albo patrzy na takie fanaberie, jak data przydatności