Impact mécanique de la conception dimensionnelle des pastilles de PCB sur les chutes lors des solutions de soudage par refusion CMS et d'optimisation

Tombstone (Effet Manhattan) est l'un des problèmes de défaillance les plus courants lors du brasage par refusion SMT de composants miniatures montés en surface tels que 0201 et 0402 packages. La cause principale est le déséquilibre des forces de soudure aux deux extrémités du composant.. Cet article part des principes de la mécanique et fournit une analyse approfondie de la façon dont les dimensions de la géométrie des plots PCB, longueur du porte-à-faux, espacement des tampons, ouverture du masque de soudure, et d'autres paramètres affectent les défauts de désactivation. Combiné avec les données mesurées et les résultats de simulation, cet article fournit des informations pratiques DFM des normes d'optimisation de la conception pour aider les fabricants à réduire considérablement le taux de défauts persistants dans Assemblage SMT et répondre aux exigences de la production SMT de haute précision.

1. Aperçu du phénomène de chute et de ses causes profondes

Tombstone, également connu sous le nom d'effet Manhattan ou effet pont-levis, est un défaut structurel typique de soudure qui se produit pendant l'étape de brasage par refusion du processus de montage en surface SMT. On le trouve le plus souvent dans les composants miniatures rectangulaires tels que les condensateurs à puce MLCC et les résistances à puce.

La caractéristique de défaillance est qu'une électrode d'extrémité du composant est entièrement mouillée et attirée par la soudure fondue., le faisant être soulevé vers le haut, tandis que l'autre extrémité reste fermement attachée au plot PCB. Par conséquent, l'ensemble du composant s'incline et se tient debout.

Bien que ce défaut ne provoque pas directement un circuit ouvert au stade initial, cela peut entraîner des problèmes tels que des joints de soudure à froid, force de liaison mécanique insuffisante, et une mauvaise résistance aux vibrations. Pendant un fonctionnement à long terme, les produits peuvent connaître des problèmes de fiabilité, notamment un mauvais contact électrique et le détachement des composants.

Avec la miniaturisation croissante des appareils électroniques et l'adoption généralisée de boîtiers ultra-petits tels que 0402 et 0201 composants, le taux d'apparition de défauts tombstone a considérablement augmenté, devenir l'un des principaux problèmes limitant l'amélioration du rendement SMT.

D'un point de vue mécanique, la cause fondamentale du tombstoning est le déséquilibre des forces de tension superficielle de soudure aux deux extrémités du composant pendant le processus de brasage par refusion à haute température. La différence de force de traction générée par la soudure fondue au niveau de l'interface triphasée peut surmonter les limites de la gravité et du frottement statique du composant., provoquant la rotation du composant autour de son centre de gravité et son retournement vers le haut.

Parmi tous les facteurs contrôlables, La conception de la géométrie des plots PCB est le facteur critique qui détermine l'équilibre de la tension superficielle et contrôle les défauts de désactivation.

2. Impact mécanique des paramètres géométriques des tampons PCB sur le tombstoning

2.1 Dimensions symétriques du tampon: Le facteur clé déterminant le gradient de tension superficielle

Pendant la phase de température maximale du brasage par refusion (230–250°C), la pâte à souder fond complètement dans la soudure liquide. La tension superficielle de la soudure génère une force de traction nette à l'interface triphasée entre le plot, souder, et électrode terminale du composant, détermination directe de l'ampleur de la force d'adhésion du joint de soudure.

La formule de calcul de la tension superficielle est:

Fsurf ≈ γ·L·cosθ

(où γ représente la tension superficielle de la soudure, L représente le périmètre de mouillage de la soudure, et θ représente l'angle de contact solide-liquide.)

Les dimensions asymétriques en longueur et en largeur des tampons entraînent directement des différences dans les zones de mouillage entre les deux extrémités du composant., créant un gradient de tension superficielle significatif et générant un couple de retournement.

Les données mesurées montrent que pour un 0603 Composant MLCC (taille de l'électrode terminale: 0.3mm × 0,15 mm), lorsque la longueur du tampon d'un côté est 0,08 mm plus longue que l'autre côté (augmenté de 0,45 mm à 0,53 mm), dans des conditions conventionnelles de pâte à braser SAC (γ≈0,62N/m, θ≈30°), la différence de tension superficielle entre les deux extrémités peut atteindre 12-15μN.

Cette différence de force est plus de trois fois supérieure au poids propre du 0603 composant (environ 3,2 μN), surmonter complètement la résistance gravitationnelle du composant et déclencher la rotation et le tombstoning du composant.

Donc, une conception symétrique de haute précision des dimensions de longueur et de largeur des tampons est l'exigence fondamentale pour supprimer le déséquilibre de tension superficielle et prévenir les défauts de désactivation.

2.2 Longueur du surplomb du patin: Transfert de chaleur asymétrique et différents moments de fusion des soudures

Le surplomb du tampon fait référence à la longueur d'extension du tampon PCB au-delà de l'électrode de la borne du composant.. Ce paramètre affecte non seulement la zone de mouillage de la soudure, mais modifie également l'efficacité du transfert de chaleur local., provoquant une fusion non synchronisée de la pâte à souder aux deux extrémités et amplifiant indirectement le déséquilibre des forces. Il s’agit donc d’un facteur facilement négligé qui provoque une désillusion..

Porte-à-faux excessif (>0,15 mm pour 0402 composants) augmente la surface du dissipateur thermique en feuille de cuivre et augmente la capacité thermique locale, provoquant une fusion retardée de la pâte à souder de ce côté.

Porte-à-faux insuffisant (<0,05 mm), cependant, peut entraîner un volume de pâte à souder insuffisant et de mauvaises performances de mouillage.

Dans des conditions de refusion standardisées (taux de chauffage: 2°C/s, temps au-dessus de la température du liquide: 60s), les mesures réelles ont confirmé que lorsque la différence de longueur de porte-à-faux entre les deux extrémités d'un 0402 le composant dépasse 0,07 mm, le taux de défauts tombstoning augmente fortement de 0.02% à 1.8%.

Pour éviter le risque de transfert de chaleur inégal, la norme de conception industrielle optimale est:

• La longueur du porte-à-faux des plaquettes doit être contrôlée 20%–30 % de la longueur de l'électrode terminale du composant.
• La différence absolue entre les deux extrémités’ la longueur du porte-à-faux doit être ≤0,05 mm.

Cela garantit une fusion synchrone de la pâte à souder et un mouillage uniforme aux deux extrémités..

2.3 Espacement des tampons: Effet d'amplification du couple du levier

La relation de correspondance entre la distance centre à centre du tampon (Pas) et la longueur du corps du composant détermine la longueur du bras de levier de la force de tension superficielle. Il amplifie ou réduit directement le couple de retournement provoqué par de petites différences de tension de soudure, ayant un impact significatif sur les conditions critiques du tombstoning.

Une tolérance raisonnable d’espacement des plaquettes (+0.05~+0,10mm) permet au composant de s'ajuster légèrement et de se déplacer pendant l'étape de fusion de la pâte à souder, permettant un mouillage synchronisé aux deux extrémités et réduisant le risque de chute.

Cependant, si l'espacement des plaquettes est inférieur ou égal à la longueur du corps du composant, le composant devient mécaniquement contraint. Dans ce cas, la tension superficielle doit surmonter un frottement statique plus important, augmentant considérablement la probabilité de déséquilibre des forces.

La formule de calcul du couple de retournement est:

M = ΔF × d/2

(où ΔF représente la différence de tension de soudure entre les deux extrémités, et d représente la distance centre à centre du tampon.)

Prendre un 0201 composant miniature à titre d'exemple, avec un entraxe standard de 0,25 mm, une différence de tension de 1 μN génère seulement un couple de 0,125 μN·mm.

Si Gravure de PCB les erreurs augmentent l'espacement à 0,27 mm, le couple augmente de 8% sous la même différence de tension, réduisant considérablement le seuil requis pour déclencher le tombstoning.

Les normes de l'industrie exigent que:

• La tolérance d'espacement des plaquettes pour les composants de précision montés en surface doit être strictement contrôlée dans ±0,02 mm.
• Conceptions d'emballage basées sur le Nominal ou Moins les spécifications d'empreinte de la norme IPC-7351B doivent être préférées.
• Le risque d’amplification du couple du levier doit être minimisé.

2.4 Dimensions d'ouverture du masque de soudure: Contrôle du volume de soudure et du profil de mouillage

La dimension d'ouverture du masque de soudure détermine le volume d'impression efficace de la pâte à souder et la plage de mouillage de la soudure. Les ouvertures asymétriques du masque de soudure ou les écarts dimensionnels peuvent entraîner des différences de volume de soudure entre les deux extrémités du composant., créant une structure de mouillage asymétrique et déclenchant des défauts de désactivation.

Lorsque l'ouverture du masque de soudure est plus petite que le tampon, la pâte à souder est partiellement bloquée par le masque de soudure, ce qui entraîne un volume de soudure efficace insuffisant et une faible force de mouillage.

Lorsque l'ouverture dépasse le bord du tampon de plus de 0.03MM, la soudure fondue peut se propager irrégulièrement dans la zone du masque de soudure, perturber la symétrie du mouillage.

Les tests de tomographie aux rayons X ont vérifié que lorsque l'ouverture du masque de soudure dépasse la largeur de la pastille de 0.05mm d'un côté, la zone d'étalement de la soudure sur la borne du composant correspondante augmente de 12%, tandis que la tension superficielle augmente simultanément de 9%, créant un déséquilibre de force important.

Entre-temps, variations de l'épaisseur du masque de soudure (±5 μm) peut provoquer une hauteur d'effondrement inégale de la pâte à souder, amplifiant encore le déséquilibre des forces.

La solution de conception optimale est:

• Adopter un ouverture du masque de soudure sans jeu (la taille de l'ouverture correspond exactement à la taille du tampon), ou
• Utilisez un définition du masque de soudure (SMD) structure du tampon

pour contrôler avec précision le volume de soudure et la géométrie de mouillage.

3. Effets synergiques des matériaux de surface des tampons

En plus des dimensions géométriques, l'énergie de surface et les caractéristiques cinétiques de mouillage des processus de métallisation des plots de PCB peuvent interagir avec les écarts dimensionnels, créant un effet cumulatif qui aggrave les défauts de désactivation.

Les performances de mouillage des finitions de surface courantes des PCB, y compris Accepter (Or par immersion au nickel autocatalytique), Boîte à immersion, et OSP (Conservateur de soudabilité organique), varie considérablement.

Pour les tampons finis ENIG, la couche de nickel est sujette à l'oxydation, résultant en un angle de contact initial relativement grand (environ 45°) et un démarrage plus lent du mouillage de la soudure.

Les tampons d'étain par immersion sont susceptibles de former un Couche d'oxyde SnO₂ à haute température, provoquant des taux de mouillage incohérents entre les deux extrémités du composant.

Les données mesurées montrent que lorsque les finitions de surface ENIG et OSP sont mélangées sur le même PCB, le taux de chute de 0402 les composants peuvent atteindre 2.3%, nettement supérieur à celui 0.15% observé sur des cartes utilisant un procédé ENIG pur.

En outre, épaisseur inégale de la couche barrière de nickel sur les électrodes des bornes des composants (50Variation de –150 nm) peut entraîner des différences dans le taux de croissance de IMC (Composé intermétallique) couches, modifiant indirectement le modèle d'évolution de la tension superficielle aux deux extrémités.

Donc, Fabrication de PCB les processus doivent garantir la cohérence des finitions de surface des tampons sur l’ensemble de la planche. Pour les zones de précision critiques, une inspection supplémentaire de l'angle de contact doit être mise en œuvre pour contrôler l'uniformité de l'énergie de surface.

4. Solutions de vérification par simulation et d’optimisation en boucle fermée DFM

En utilisant simulation par éléments finis couplée thermomécanique (ANSYS Mécanique + Courant), l'influence des dimensions des dalles sur les risques de chute peut être analysée quantitativement, permettant une prédiction précoce des défauts potentiels.

En saisissant des paramètres tels que:

• Dimensions de la géométrie des plots PCB
• Épaisseur de la feuille de cuivre
• Caractéristiques du masque de soudure
• Modèle rhéologique de pâte à souder
• Profil de température de refusion

le système de simulation peut produire avec précision des données clés, notamment:

• Déplacement du centre de gravité du composant
• Vitesse angulaire de rotation
• Seuil critique de différence de tension de soudure

et d'autres paramètres critiques.

A simulation optimization case from a precision automotive ECU surface mount project demonstrated that after optimizing the 0201 capacitor pad width from 0.25mm to 0.28mm, the component flipping acceleration was reduced by 40%. The tombstoning defect rate in mass production decreased from 1.1% à 0.05%, showing significant improvement.

For mass production implementation, un DFM (Conception pour la fabricabilité) closed-loop control system should be established:

Before Gerber file release, automatic verification should be performed for three critical parameters:

1. Pad symmetry
2. Pad overhang deviation
3. Pad spacing tolerance

The design should strictly comply with the IPC-6012 Class II manufacturing standard.

En même temps, additional pad dimension inspection items should be added to the AOI inspection program to achieve full-process control covering:

• Conception
• Fabrication
• Inspection

5. Résumé

1. Symmetrical Design:
   Strictly control the symmetry of pad length and width dimensions. Eliminate dimensional deviations between both ends to prevent surface tension gradients at the source.
2. Overhang Length Control:
   Maintain pad overhang length at 20%–30% of the terminal electrode length, with the deviation between both ends controlled within ≤0,05 mm.
3. Spacing Tolerance Control:
   For precision components, control pad center spacing tolerance within ±0,02 mm and comply with the IPC-7351B standard.
4. Solder Mask Matching:
   Adopt zero-tolerance solder mask openings or solder mask defined (SMD) pads to ensure accurate and symmetrical solder volume distribution.
5. Process Consistency:
   Maintain consistent surface finish processes across the entire PCB to avoid compounded risks caused by differences in material wetting characteristics.
6. Front-End Simulation:
   Use thermal-mechanical coupled simulation to predict tombstoning risks in advance and combine DFM tools to establish a complete design optimization closed loop.

Auteur:Victor Zhang

Victor a fini 20 années d'expérience dans l'industrie des PCB/PCBA. Dans 2003, il a commencé sa carrière dans le domaine des PCB en tant qu'ingénieur en électronique chez Shennan Circuits Co., Ltd., l'un des principaux fabricants de PCB en Chine. Durant son mandat, il a acquis des connaissances approfondies dans la fabrication de PCB, ingénierie, qualité, et service client. Dans 2006, il a fondé Leadsintec, une société spécialisée dans la fourniture de services PCB/PCBA aux petites et moyennes entreprises du monde entier. En tant que PDG, il a conduit Leadsintec vers une croissance rapide, exploite désormais deux grandes usines à Shenzhen et au Vietnam, offre de conception, fabrication, et services d'assemblage à des clients du monde entier.