Jeżeli element SMD w procesie lutowania rozpływowego staje „na sztorc”, mamy do czynienia z klasycznym tombstoningiem, czyli – dosłownie – efektem nagrobkowania. W najnowszym artykule wskazujemy, jakie błędy na różnych etapach projektowania layoutu PCB, a także samego procesu lutowania, powodują wystąpienie tego szkodliwego zjawiska.
Mechanizm powstawania tombstoningu
Podczas lutowania rozpływowego (ang. reflow) pasta lutownicza najpierw przechodzi przez fazę aktywacji topnika, a następnie zaczyna się rozpływać i zwilża metalizowane zakończenia elementu oraz pady na PCB. W idealnej sytuacji wszystkie wyprowadzenia komponentu osiągają temperaturę niezbędną do zwilżenia powierzchni w podobnym czasie, a powstające wtedy siły napięcia powierzchniowego działają symetrycznie na lutowany komponent. Taki układ sił jest wysoce pożądany, bowiem element może nawet nieznacznie dosunąć się ku środkowi footprintu, jeśli w wyniku niedostatecznie dokładnego pozycjonowania został umieszczony na płytce lekko poza swoim miejscem docelowym – jest to efekt samopozycjonowania, który doskonale znają montażyści obserwujący PCB podczas lutowania gorącym powietrzem.
Tombstoning pojawia się wtedy, gdy ta równowaga zostanie zaburzona. Jeśli lutowie po jednej stronie rozpłynie się wcześniej, zaczynie zwilżać wyprowadzenie elementu i generować siłę skierowaną w stronę pada. Druga strona, po której pasta jest jeszcze lepka albo nie osiągnęła pełnego zwilżenia, nie jest w stanie zrównoważyć tego oddziaływania. Dla małego komponentu o masie rzędu ułamka grama wystarczy nawet znikomy moment siły, aby jego jedna strona została uniesiona.
W praktyce opisywany defekt jest więc skutkiem nierównowagi kilku powiązanych ze sobą parametrów:
- czasu osiągnięcia temperatury rozpływu po obu stronach elementu,
- pojemności termicznej widzianej od strony obu padów,
- objętości i geometrii pasty lutowniczej na obu padach,
- sił zwilżania wynikających z kształtu i otoczenia padów oraz położenia elementu.
Błędy w layoucie prowadzące do efektu nagrobkowania
Najbardziej oczywisty, choć raczej rzadko spotykany w praktyce błąd to niesymetryczny footprint. W przypadku rezystora, kondensatora, dławika ferrytowego SMD czy też niewielkiej diody TVS oba pady powinny mieć tę samą geometrię i porównywalną ilość pasty po nadruku. Jeżeli jeden pad jest dłuższy, szerszy albo ma większą aperturę w szablonie, po jego stronie powstanie większa siła zwilżania. Dotyczy to zwłaszcza ręcznie modyfikowanych bibliotek, w których footprint został sztucznie powiększony, aby ułatwić lutowanie ręczne.
Drugim rodzajem błędu, nieporównanie częściej popełnianym przez projektantów, jest asymetria termiczna połączeń. Typowy scenariusz jest następujący: jedno wyprowadzenie elementu jest podłączone do szerokiej ścieżki, polygonu masy lub dużej wyspy miedzi (np. węzła wyjściowego przetwornicy DC/DC), a drugie – tylko do cienkiej ścieżki sygnałowej. Taki układ powoduje, że pady nagrzewają się z różną dynamiką. Rozwiązaniem nie zawsze jest zastosowanie przewężeń łączących pad z większym obszarem miedzi (tzw. thermal relief), gdyż w układach zasilania lub RF mogłoby to pogorszyć parametry obwodu przez wprowadzenie dodatkowej rezystancji i indukcyjności pasożytniczej. Warto więc zawsze dążyć do symetrii: stosować podobne szerokości doprowadzeń i teardropy o porównywalnej geometrii, a przede wszystkim unikać sytuacji, w której jeden pad ma bezpośredni kontakt z dużym polem miedzi, a drugi nie.
Trzeci błąd to prowadzenie ścieżki tylko od jednego końca pada w sposób zwiększający jego efektywną powierzchnię lutowniczą. Jeżeli apertura w warstwie soldermaski (w oprogramowaniu EDA określana jako soldermask expansion) odsłania większy fragment doprowadzenia albo pad płynnie przechodzi w szeroką ścieżkę bez wyraźnego odgraniczenia maską przeciwlutową, pasta może rozpływać się poza zamierzone pole. Wtedy rzeczywisty pad – z punktu widzenia termodynamiki procesu – staje się większy niż w bibliotece, mimo że w programie EDA wygląda poprawnie i nie różni się zasadniczo od drugiego pola lutowniczego komponentu.
Czwartym problemem są zbyt duże pady dla małych obudów. W przypadku 0603, 0402 i mniejszych elementów „bezpieczne powiększenie” footprintu często działa odwrotnie do oczekiwań: zwiększa objętość lutowia, wydłuża drogę zwilżania i podnosi podatność komponentu na obrót. Footprint powinien wynikać z zaleceń producenta elementu lub norm dotyczących geometrii i wymiarowania padów, a nie z intuicyjnego skalowania większych obudów „na zapas”.
Warto zwrócić uwagę także na przelotki umieszczone w padach (via-in-pad) lub znajdujące się zbyt blisko jednego z pól lutowniczych. Niezaślepiona lub źle wypełniona przelotka może odciągać lutowie, zmieniać lokalną ilość spoiwa, a także wprowadzać asymetrię cieplną, zwłaszcza jeżeli na innej warstwie jest połączona z dużym obszarem miedzi.
Przyczyny procesowe
Najczęstszą procesową przyczyną tombstoningu jest nierówna ilość pasty lutowniczej. Jeżeli na jednym padzie znajduje się jej więcej, po rozpływie powstaje większa objętość ciekłego lutowia, a więc także większa siła zwilżania. Źródło problemu może być wręcz banalne: zanieczyszczony szablon albo lokalny problem z dociskiem rakli.
Profil termiczny procesu także może mieć wpływ na wzrost ryzyka wystąpienia efektu nagrobkowania. Zbyt gwałtowne nagrzewanie PCB zwiększa ryzyko, że niewielkie różnice cieplne między padami przełożą się na opóźnienia rozpoczęcia rozpływu pasty pomiędzy różnymi obszarami płytki. Małe elementy pasywne mają znikomą pojemność cieplną, dlatego silnie reagują na asymetrię otoczenia – problemem może być np. znajdujący się w pobliżu ekranowany dławik o dużej pojemności cieplnej. Jeżeli profil nie daje wystarczającego czasu na wyrównanie temperatur, jedna strona komponentu zaczyna „pracować” mechanicznie wcześniej niż druga.
Znaczenie ma także dokładność pozycjonowania, nawet w przypadku automatyzacji procesu z użyciem maszyny pick-and-place. Element przesunięty wzdłuż osi długiej footprintu (tj. w stronę jednego z padów) będzie miał po tej stronie większą powierzchnię kontaktu z pastą. Podczas lutowania efekt samopozycjonowania nie zawsze skoryguje błąd – w skrajnym przypadku sam stanie się mechanizmem prowadzącym do uniesienia elementu. Podobny problem mogą wywołać: zbyt duża siła osadzania, deformacja pasty nałożonej na pad, zabrudzenia wyprowadzeń komponentu, utlenienie padów czy też niejednorodna lutowność powierzchni.
W produkcji seryjnej tombstoning należy traktować jako defekt systemowy, a nie przypadkową anomalię. Jeśli występuje powtarzalnie w tych samych obszarach płytki, przyczyn należy szukać przede wszystkim w layoucie lub lokalnej asymetrii cieplnej. Jeśli pojawia się losowo na różnych elementach, bardziej prawdopodobny jest problem z nadrukiem lub wilgotnością pasty, profilem pieca, stabilnością procesu placementu albo nieefektywnym procesem czyszczenia szablonu.
Jak ograniczyć ryzyko tombstoningu?
Jedyną metodą zmniejszenia ryzyka wystąpienia efektu nagrobkowania jest skrupulatna kontrola zarówno samego projektu, jak i procesu lutowania. W bibliotece CAD należy stosować sprawdzone footprinty dla danej obudowy, utrzymywać symetrię padów i pilnować, aby apertury soldermaski nie odsłaniały przypadkowych fragmentów ścieżek. W layoucie należy przede wszystkim wyrównywać masę cieplną doprowadzeń, a przy połączeniach z dużymi polygonami rozważyć dołączenie za pomocą „wąsów” (tzw. thermal relief) lub inne rozwiązanie niezaburząjące parametrów elektrycznych obwodu.
W procesie montażu trzeba kontrolować powtarzalność nadruku pasty, czystość szablonu, geometrię apertur i profil termiczny. W przypadku najmniejszych elementów warto także zadbać o to, by profil nie wymuszał zbyt gwałtownego przejścia przez zakres aktywacji topnika i pozwalał wyrównać temperaturę na PCB. W analizie defektu bardzo pomocne jest zestawienie mapy występowania tombstoningu z layoutem.
Podsumowanie
Efekt nagrobkowania nie jest tylko błędem montażowni ani wyłączną winą projektanta PCB. W większości przypadków zjawisko to wynika z nierównowagi sił zwilżania, a ta może zostać wywołana zarówno przez proces reflow, jak i przez niewłaściwy footprint, błędy routingu czy otoczenie termiczne elementu. Najbardziej narażone są małe komponenty pasywne, w których masa elementu jest niewielka, a siły napięcia powierzchniowego stopionego lutowia są wystarczające do jego obrócenia. Warto więc przyjąć następującą zasadę: każde wystąpienie efektu tombstoningu należy potraktować jako ważny sygnał ostrzegawczy – im wcześniej wykryjemy i zdiagnozujemy przyczynę problemu, tym mniejsze będzie ryzyko bolesnego (pod względem finansowym i wizerunkowym dla firmy) fiaska na etapie produkcji masowej.
