为什么要用“十字形花焊盘”?

英炜硬十 2025-02-24 17:31:00

十字形花焊盘,米字型花焊盘

花焊盘主要指如图所示的焊盘与铜皮的连接方式。主要有十字形和米字型两种。

花焊盘的用途:

在大面积的接地(电)中,常用元器件的引脚与其连接,对连接引脚的处理需要进行综合的考虑,就电气性能而言,元件引脚的焊盘与铜面满接为好,但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如:①焊接需要大功率加热器。②容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要,做成十字花焊盘,称之为热隔离(heat shield)俗称热焊盘(Thermal)。

在PCB设计中使用十字连接(也称为热焊盘或热释放连接)进行铺铜,主要是出于以下几个关键考虑因素:

1. 热管理(焊接工艺优化)

焊接散热问题:大面积铜箔是良好的热导体,若焊盘与铜箔全连接,焊接时热量会快速通过铜箔散失,导致焊点温度不足(尤其是手工焊接时),易产生冷焊、虚焊等问题。

十字连接的作用:通过减少铜箔与焊盘的接触面积(通常用4条细线连接),可降低散热速度,使焊盘在焊接时更快达到熔锡温度,提高焊接可靠性。

2. 机械应力缓解

热胀冷缩:PCB在使用中经历温度变化时,铜箔与基材(FR4等)的膨胀系数不同,大面积铜箔可能对焊盘产生机械应力。

十字连接的柔性:细窄的连接线可提供一定弹性,缓解应力集中,降低焊盘脱落或铜箔撕裂的风险。

3. 电气性能平衡

接地/电源完整性:十字连接在保证电气连通性的同时,避免大面积铜箔直接连接带来的寄生电容增加,对高频信号的回流路径影响较小。

电流承载能力:通过调整十字连接的线宽和数量(如2线或4线),可兼顾载流需求与热管理需求。

4. 生产工艺适配

波峰焊/回流焊:自动焊接工艺对温度均匀性要求高,十字连接可减少热沉效应,确保焊点质量一致性。

返修便利性:十字连接使焊盘更易加热,便于后期维修时拆卸元件。

在PCB设计中,若焊盘一侧采用全连接铺铜,另一侧采用十字连接铺铜,确实可能导致器件在回流焊过程中发生**立碑(Tombstoning)**现象。以下是具体原因及解决方案:

立碑的根本原因:热失衡与表面张力不均

立碑通常发生在表面贴装元件(如电阻、电容)的回流焊过程中。当元件两端的焊盘热容量差异过大时,两侧焊膏熔化时间不同步,导致熔融焊料的表面张力失衡,将元件拉向先熔化的一侧,未熔化的一端被抬起,形成“立碑”。

铺铜方式对热平衡的影响

全连接一侧的热特性

全连接焊盘直接与大面积铜箔相连,铜箔作为热沉(Heat Sink),会快速吸收并散发热量。

结果:该侧焊盘升温慢,焊膏熔化滞后,导致该端焊料表面张力形成较晚。

十字连接一侧的热特性

十字连接通过细线限制铜箔的散热路径,减少热沉效应。

结果:该侧焊盘升温快,焊膏更早熔化,表面张力提前形成。

失衡后果

十字连接侧焊料先熔化,产生向内的表面张力,而全连接侧焊料仍为固态,无法形成反向平衡力,导致元件被拉向十字连接侧,全连接端翘起。

其他加剧立碑的因素

焊盘尺寸/形状不对称:两焊盘面积或形状差异大,导致热容量不一致。

元件封装与焊盘不匹配:如小尺寸元件(如0201)对热失衡更敏感。

布局不合理:全连接侧靠近大面积铜区(如电源层),进一步加剧散热。

解决方案:均衡焊盘热设计1. 统一铺铜连接方式

两侧均采用十字连接:避免单侧全连接导致的热失衡,确保两侧散热速率相近。

调整十字连接参数:通过增加/减少连接线数量或线宽,微调热传导能力(例如:全连接侧改为2线十字连接,另一侧保持4线)。

2. 优化铜箔布局

隔离全连接侧的铜箔:在全连接焊盘周围挖空部分铜箔(添加Thermal Relief或反焊盘),减少热沉效应。

对称铺铜:确保两侧铜箔面积和形状对称,避免局部热容量差异。

3. 调整焊盘设计

焊盘尺寸匹配:确保两焊盘面积、形状一致,尤其是对小型元件。

增加焊盘间距:适当增大焊盘间距可降低表面张力对元件的拉扯力。

4. 工艺优化

回流焊温度曲线:延长预热时间,使全连接侧充分吸热,缩小两侧温差。

焊膏印刷控制:确保两侧焊膏量均匀,避免因锡量差异加剧熔化时间差。

关键设计准则

热平衡优先:对敏感元件(如小封装无源器件),强制使用对称的十字连接铺铜。

大功率器件例外:需散热的器件(如MOSFET)可全连接,但应确保对称设计。

DFM(可制造性设计)检查:借助EDA工具仿真热分布,或与PCB厂商确认工艺兼容性

5. 设计规范与标准

IPC标准建议:如IPC-2221等规范推荐对需要焊接的焊盘采用热释放设计,尤其是通孔元件和较大表贴焊盘。

厂商要求:部分PCB制造商对铜箔连接方式有明确工艺要求,十字连接可避免生产时发生铜箔剥离。

例外情况(何时不用十字连接)

大功率器件:如电源模块、功率MOSFET等需要良好散热的器件,常采用全连接以增强导热。下图中,如果用十字连接,则会破坏整体同流能力。

高频信号地:某些射频电路可能需要低阻抗接地,会直接全连接铜箔。

测试点/固定孔:机械固定孔或测试点通常全连接以保证稳定性。

总结

十字连接的核心目的是在 焊接可靠性、机械强度 和 电气性能 之间取得平衡。通过针对性设计(如调整连接线宽度、数量),可满足不同场景需求,是PCB工程师优化设计的重要手段之一。

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