Об эффекте «надгробного камня» на печатной плате, и как его можно избежать
Однажды вам может позвонить или написать изготовитель печатных плат и сообщить, мол, что у вас на печатной плате появились «надгробные камни». И тогда вы, вероятно, будете сидеть с озадаченным выражением лица: «Что еще за надгробные камни? Почему он звонит мне по этому поводу?»
Эффект «надгробного камня» – всего лишь одна из многих проблем, которые могут возникнуть в процессе пайки, во время которого электронные компоненты прикрепляются к печатной плате. Эффект «надгробного камня» появился в самом начале производства печатных плат, и продолжает оставаться проблемой и сейчас. В то время как авторы множества статей в Интернете показывают пальцем на изготовителей печатных плат, обвиняя именно их в возникновении этого эффекта, правда заключается в том, что от вас также многое зависит. Итак, давайте разберемся раз и навсегда, что такое эффект «надгробного камня», и что вы, как конструктор печатных плат, можете сделать при разработке платы для его предотвращения.
Эффект «надгробного камня» в двух словах
Как следует из самого названия, надгробные камни – это большие, иногда наклонные гранитные плиты, которые есть на кладбище. Когда речь идет о конструировании печатных плат, эффект «надгробного камня» – это явление, когда типичный компонент для поверхностного монтажа, такой как резистор или конденсатор, частично поднимается одним концом с контактной площадки. Поверхностный монтаж имеет свои особенности, и бывает так, что после волновой пайки SMT-компонент будто бы «воскресает из мертвых», поднимаясь дыбом и выглядит как могильная плита на кладбище, вызывая неисправность печатной платы из-за разорванной электрической цепи.
Электронный компонент для поверхностного монтажа, подвергшийся
эффекту «надгробного камня» в процессе волновой пайки
Хотя угол, на который может подняться компонент, может быть разным, он приводит к одному и тому же результату – изготовителю придется выполнить дополнительную обработку печатной платы после пайки, а вам, заказчику, скорее всего, будет необходимо заплатить дополнительную сумму для устранения недостатка. На заре производства печатных плат эффект «надгробного камня» являлся проблемой, связанной с технологией пайки в паровой фазе. Однако по мере того, как использование этой технологии сводилось на нет, изготовители и конструкторы предполагали, что эффект «надгробного камня» постепенно перестанет проявляться. Но они ошибались.
Эффект «надгробного камня» по-прежнему преследует изготовителей печатных плат по всему миру. Им приходится закапывать готовые печатные платы в свежие могилы после того, как электронный компонент отрывается от контактной площадки. Но почему так происходит?
Размер.
Размер и масса компонентов, используемых на печатных платах, значительно уменьшились.
+ Новые правила.
Для соответствия RoHS («Правила ограничения содержания вредных веществ») увеличилось количество существующих высокотемпературных бессвинцовых припоев.
= Проблемы.
Сложив вместе эти две переменные, вы получите рецепт возникновения эффекта «надгробного камня».
Причины возникновения эффекта «надгробного камня»
Чтобы разобраться с тем, что приводит к возникновению эффекта «надгробного камня», необходимо понять, что означает «смачивание» в описании процесса прикрепления компонентов к пустой печатной плате при помощи припоя. Смачивание – это идеальный случай, когда припой, нанесенный на вашу плату, образует ровную жидкую пленку. В этом случае он способен надежно прикрепиться к выводу или к контактной площадке компонента.
Качественное соединение пайкой:
гладкая поверхность и углы смачивания 40-70 градусов.
В качестве примера возьмем простой резистор для поверхностного монтажа с двумя контактными площадками. В идеальном случае припой прикрепится к обеим площадкам, процесс его смачивания завершится на обоих концах компонента одновременно. В этом случае эффект «надгробного камня» не возникает. Проблемы начинаются тогда, когда процесс смачивания припоя несбалансирован. Например, если на одной из площадок процесс смачивания завершается раньше, чем на другой. Это приводит к тому, что пайка одной стороны детали завершается, а с другой стороны еще продолжается, и начинается игра в перетягивание каната.
Разумеется, площадка, где процесс смачивания уже завершен, «выигрывает», притягивая другой вывод компонента к себе в процессе смачивания. Вся электронная деталь перекашивается на одну сторону, поднимается и встает как надгробный камень. Как вы можете себе представить, поиск точной причины этого неравномерного смачивания может быть целой детективной историей, поскольку в процессе волновой пайки задействовано множество переменных. Вот наиболее частые причины возникновения на печатной плате эффекта «надгробного камня»:
Неравномерная температура в печи для пайки оплавлением, которая может стать причиной того, что начало и завершение процесса смачивания припоя происходит на разных участках печатной платы в разное время;
Паяльная паста наносится на контактные площадки печатной платы неравномерно, что может привести к тому, что смачивание будет начинаться и заканчиваться в разное время;
Размеры контактных площадок сами по себе различаются, причем сами контактные площадки компонентов для поверхностного монтажа имеют собственный набор допусков, которые часто игнорируются, но могут повлиять на точность пайки.
Эффект «надгробного камня» в действии
Приведем небольшой пример для демонстрации развития эффекта «надгробного камня», который может возникнуть в практической конструкции. Взгляните на рисунок ниже, где изображен компонент для поверхностного монтажа, прикрепленный к двум токопроводящим дорожкам разной ширины. Контактная площадка 2 справа подключена к широкой дорожке, а далее - к слою заземления, в то время как контактная площадка 1 слева подключена к более узкой дорожке. Можно догадаться, что контактная площадка 1 будет нагреваться сильнее, чем контактная площадка 2 при прохождении через печь для волновой пайки.
Эффект «надгробного камня» просто ждет момента,
когда сможет повлиять на этот компонент для поверхностного монтажа
Итак, что в этом примере произойдет в процессе смачивания припоя? На контактной площадке 2 процесс смачивания завершится раньше, поскольку она отдаст свое тепло быстрее. При этом, скорее всего, процесс застывания припоя вызовет притягивание вывода компонента с контактной площадки 1, вызывая ужасный эффект надгробного камня.
Что я могу сделать, чтобы устранить эту проблему?
Теперь вы понимаете, что такое эффект «надгробного камня» и как он выглядит на вашей печатной плате. Вы можете сказать себе: «Все, что я прочитал выше, звучит как проблема, возникающая в процессе производства, и ее возникновение зависит от изготовителя печатной платы. Разве это не его проблема?» Ну, и да, и нет.
Не смотря на то, что многие причины возникновения эффекта «надгробного камня» напрямую связаны с недостатками производства, на некоторые факторы, тем не менее, вы можете повлиять. Например, эффект может возникнуть в результате ошибки в размерах контактной площадки при разметке печатной платы, или в результате использования материалов для окончательной отделки печатной платы, способствующих возникновению эффекта «надгробного камня». Ниже мы предлагаем вашему вниманию пять советов, строго следуя которым в процессе разработки вы сможете уменьшить риск возникновения этого эффекта.
№ 1 – Рассмотрите возможность использования другой технологии финишной отделки печатной платы
Когда вы пробиваетесь сквозь процесс создания собственных электронных деталей, легко запутаться в размерах контактных площадок, даже не осознавая этого. Это может быть простая ошибка, например, вы делаете слишком маленькие или слишком большие контактные площадки, или случайно создаете контактные площадки разных размеров. Какая бы ошибка ни произошла, излишки меди на плате будут работать как теплоотвод в процессе волновой пайки, что приведет к тому, что процесс смачивания на одной стороны детали завершится раньше, чем на другой.
Так выглядят размеры контактных площадок в спецификации
Чтобы не совершить подобной ошибки, всегда проверяйте точное соответствие контактных площадок ваших компонентов параметрам, указанным в спецификации изготовителя. Нет веских причин делать размеры контактных площадки больше, чем необходимо. В следующий раз, когда вы будете размечать контактные площадки, попробуйте воспользоваться этим калькулятором IPC-7351B, который может помочь вам точно рассчитать рисунок контактных площадок на основании точных размеров детали.
№2 – Рассмотрите возможность использования другой технологии финишной отделки печатной платы
Если вы работаете с электронными компонентами крошечных размеров, такими как 0402 или 0201, печально известных тем, что именно у них проявляется эффект «надгробного камня», рассмотрите возможность использования альтернативы традиционному выравниванию припоя горячим воздухом (HASL) по поверхности вашей платы. Не смотря на то, что окончательная отделка платы при помощи HASL является промышленной нормой благодаря ее низкой стоимости и широкой доступности, она также склонна вызывать неравномерную отделку платы, что может повлиять на процесс смачивания припоем ваших компонентов. Существуют и другие методы финишной отделки платы, которые следует рассмотреть в зависимости от ограничений вашей конструкции. Это такие методы, как иммерсионное лужение, иммерсионное золочение или формирование органического защитного покрытия для обеспечения паяемости (OSP).
№ 3 – Обратите внимание на размещение компонентов и трассировку печатной платы
Скорее всего, разная ширина токопроводящих дорожек, подходящих к разным концам электронного компонента не так уж и важна для вас, но она вызывает риск возникновения эффекта «надгробного камня» у компонентов в крошечных корпусах. При работе с этими мелкими деталями внимательно проверяйте и размещение этих деталей, и трассировку платы, чтобы убедиться, что все дорожки, подходящие к контактным площадкам этих деталей имеют одинаковую ширину. Также рекомендуется соединять дорожки в одном направлении, или вдоль оси X, или вдоль оси Y. В противном случае вы можете получить различное тепловое рассеяние у дорожек, располагающихся под разными углами.
№ 4 – Контролируйте токопроводящие области внутренних слоев платы
Вызывать возникновение эффекта «надгробного камня» могут не только верхний и нижний слои печатной платы. Иногда виновник может скрываться во внутренних слоях платы. Если внутренний слой печатной платы имеет большую токопроводящую область, которая лежит под контактными площадками электронного компонента лишь с одной стороны, но не лежит под площадками с другой стороны компонента, тогда это, скорее всего, приведет к неравномерному прогреву в процессе волновой пайки. Во избежание этого всегда следите за тем, чтобы токопроводящая медная область внутренних слоев печатной платы лежала под контактными площадками компонента с обеих его сторон.
№ 5 – Делайте толщину паяльной маски меньше рисунка контактных площадок
Хотя паяльная маска является отличным защитным слоем, который может защитить вашу конструкцию от проблем с окислением и припоем, она также может не пустить припой туда, где он нужен. Поэтому мы всегда рекомендуем проверять выполнение условия, что толщина паяльной маски, которую изготовитель печатной платы планирует использовать, меньше рисунка контактных площадок.
Превосходная иллюстрация того, как паяльная маска взаимодействует с контактными площадками компонентов на рисунке контактных площадок
Покойся с миром
Итак, в следующий раз, когда изготовитель печатной платы позвонит или напишет вам письмо, в котором сообщит, что у вас проблема с эффектом «надгробного камня», вы будете точно знать, что это означает. На вашей печатной плате образовалось кладбище электронных компонентов, которое пытается испортить плату! Следуя приведенным выше рекомендациям, вы в значительной степени сможете избежать в вашей конструкции проблем с эффектом «надгробного камня». Но даже эти рекомендации сами по себе не смогут защитить вас от того простого факта, что возникновение эффекта «надгробного камня», может быть исключительно проблемой изготовителя печатных плат.
Когда возникает такая ситуация, причиной может быть количество нанесенной паяльной пасты, неравномерная температура печи оплавления или неточная установка компонентов. Но независимо от проблемы – это проблема изготовителя, а не ваша. Покойтесь с миром, детали, ставшие надгробными камнями. Нам не нужны разорванные цепи на печатной плате, возникшие из-за вас.