Contents:

Introduction

These Guidelines are designed to outline best practices to help minimise errors arising during the assembly process.

The world is divided into two parts one part works with the Metric system and the other with the Imperial system when defining measurements, the “µm” (micron) is 25.4 times smaller than the “Mil” (0.001 of an inch).

We decided many years ago to work exclusively in the Metric system to ensure the highest quality possible. Therefore the basis of all measurements given in this document and in our website are Metric and all Imperial values are there for clarification and general understanding ONLY.

As there is no general consensus throughout the global PCB industry on terminology, if we feel any term we use may be unclear we will try to explain it when it first appears.

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BGA/QFN/LGA

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BOM & CPL Data

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Cold/Hot Spot

#Cold/hot Spot

Hot & Cold Spots are issues during the reflow soldering process of the PCB Assembly and as the term suggests they relate to the temperature of the components or specific areas.

Cold Spot

A Cold Spot is an area that doesn’t get enough heat to activate the flux at the right time and allow the solder to reach molten stage and reflow.

The main reason for a Cold Spot is that Tin Chip components such as resistors are placed next or between large or high bodied components. this cause whats known as a shadowing effect where the larger components effectively shadow the smaller components from the heat in the reflow oven.

To avoid this type of issues ensure that smaller components are not placed too close to larger components.

Hot Spot

A Hot Spot is an area that gets too much heat and results in warped, blistered or even burnt boards.

Generally this is caused by large areas of copper in specific areas, these heat up quicker and hotter than other areas of the PCB and thus temperature across the PCB is unbalanced.

To avoid Hot Spots ensure the copper is balanced across the PCB.

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Component Clearance

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Component Pad/Footprint

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Component Orientation

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Customer Panel

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Fiducials

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Overhanging Components

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Selective Wave Soldering

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Solder Escape/Wick

#Abfließen von Lot

Ist ein Via zu nah an einem Lötpad und ist kein Lötstopplacksteg vorhanden, so fließt das flüssige Lötzinn unkontrolliert durch das Via ab. Die Lötstelle verarmt an Lötzinn und die elektrischen sowie mechanischen Eigenschaften der Lötstelle werden negativ beeinflußt. Außerdem erhöht sich das Risiko, dass Kurzschlüße auf der Rückseite entstehen. Die gleiche Gefahr geht von Kupferflächen aus, die ebenfalls von der Lötstelle nicht mit einem Lötstopplacksteg getrennt werden.
Ein größeres Volumen an Lotpaste zu Drucken, ist dabei auch keine Lösung. Es besteht die Gefahr, dass andere SMD-Pads zuviel Lotpaste bekommen. Oder die Verwendung von teuren Stufenschablonen nötig macht.

Nachfolgend finden Sie ein Beispiel (Animation) einer Durchkontaktierung, dass sich zu nahe an einem SMD-Pad befindet und daher keinen Steg in der Lötstoppmaske enthält, um zu verhindern, dass Lotpaste durch das Loch abfließt.

Problem – Via Hole zu nah am SMD Pad

Via zu nah am SMD-Pad und somit kein Lötstopplacksteg

Lösung 1 – Via (Durchsteiger) füllen mit Harz

Bei Durchsteigerfüllung mit Harz wird sichergestellt, dass das Via anschließend vollständig mit Lötstopplack bedeckt ist. Dadurch wird verhindert, dass das Lot vom SMD-Pad abfließt.
Lösung 2 – Via verschieben

Es sollte beachtet werden, dass es verschiedene Artikel gibt, in denen diskutiert wird, wie weit ein Via von einem SMD-Pad entfernt sein sollte. Der Konsens scheint ein Minimum von 0,250 mm von der Kante des SMD-Pads bis zum Rand des Via-Pads zu sein.

Es ist auch wichtig, dass nach dem Verschieben des Vias der Abstand groß genug, dass ein Lötstopplacksteg realisiert werden kann.

Via im SMD Pad

Durch die fortschreitende Miniaturisierung der Elektronik werden Vias in SMD-Pads als Lösung angesehen, um mehr Platz auf der Leiterplatte zu gewinnen. Das Problem ist jedoch, dass Lötzinn durch das Via abfließt, was unwillkürlich zu einer qualitativ schlechten Lötverbindung führt.

Lösung 1 – Via verschieben

Auch hier sollte beachtet werden, dass es verschiedene Artikel gibt, in denen diskutiert wird, wie weit ein Via von einem SMD-Pad entfernt sein sollte. Der Konsens scheint ein Minimum von 0,250 mm von der Kante des SMD-Pads bis zum Rand des Via-Pads zu sein.

Es ist auch wichtig, dass nach dem Verschieben des Vias der Abstand groß genug, dass ein Lötstopplacksteg realisiert werden kann.

Solution 2 – Via füllen mit Harz

Bei Durchsteigerfüllung mit Harz wird sichergestellt, dass das Via anschließend vollständig mit Lötstopplack bedeckt ist. Dadurch wird verhindert, dass das Lot vom SMD-Pad abfließt.

Vias unter dem Bauteilgehäuse

Es ist für Bauteilersteller üblich geworden, das Gehäuse entweder als Masseanschluss oder als Weg zur Wärmeableitung oder als beides zu verwenden.
Um dies zu erreichen, ist die Empfehlung eine Kupferfläche unter dem Gehäuse mit einer Matrix aus Vias.
Das Problem ist, dass das Gehäuse an die Kupferfläche gelötet werden muss. Wenn offene Durchkontaktierungen vorhanden sind, kann das Lötzinn abfließen und zu einer schlechten Lötverbindung führen. Ohne Röntgenprüfung kann die Qualität der Lötstelle nicht überprüft werden. 

Die Bauteilhersteller schlagen vor, die Vias umlaufend mit Lötstopplack zu versehen oder die Vias zu tenten (überspannen).

Obwohl dies praktisch klingt, gibt es folgende Nachteile. Beide Verfahren reduzieren den Lötbereich und können die Qualität der Masseverbindung oder die Wirksamkeit der Wärmeableitung beeinträchtigen.
In der Realität ist der Einsatz von Lötstopplack bei dieser Art Bauteile nicht praktisch.

Die einzig wirkliche Lösung besteht darin, Vias mit Harz zu füllen, wodurch das Gehäuser korrekt an die Kupferfläche gelötet werden kann und somit die effektivste Lösung ist.

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Soldermask Issues

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Tombstoning

Was ist Tombstoning?

Beim Tombstoning, auch Grabsteineffekt genannt, wird ein Ende des Bauteils während dem Reflow-Lötprozess vom Pad  der Leiterplatte abgehoben. Das betrifft hauptsächlich SMD-Bauteile wie Widerstände und Kondensatoren.


Der endgültige Aufstellwinkel eines Bauteils variiert bis zu 90 Grad. Unabhängig vom Aufstellwinkel besteht das Ergebnis darin, dass einer der Bauteilanschlüsse NICHT an das Leiterplatten-Pad gelötet wird und somit ein offener Stromkreis entsteht.

Wie kommt es dazu?

Um zu verstehen warum sich Bauteile aufstellen, hier ein paar Erklärungen zum Löt- bzw. Benetzungsprozess.

Beim Löten eines Bauteils auf eine Leiterplatte ist es wichtig, dass das Lot den idealen Zustand erreicht. Dies wird auch als Benetzung des Lots bezeichnet. Es bildet dann eine intermetallische Verbindung zwischen dem Anschluss des Bauteils und dem Pad auf der Leiterplatte, bevor es abkühlt und fest wird.

Es ist wichtig, dass der Benetzungsprozess möglichst gleichzeitig an den Lötflächen abgeschlossen wird. Ist dies der Fall, hat die dabei entstehende Zugkraft den Vorteil, dass sich das Bauteil zwischen seinen Pads zentriert.

Bei passiven Bauteilen kann ein erheblicher zeitlicher Unterschied entstehen, wann die Benetzung an den Lötflächen abgeschlossen ist. Das kann zu vielen Fehlern führen, wie Tombstoning (Grabsteineffekt), Falschausrichtung, Kurzschluss usw. Grundsätzlich gewinnt das Pad, das den Benetzungsprozess als erstes abschließt, das “Tauziehen”und das andere Ende des Bauteils wird vom Pad abgehoben. Das nennt man den Tombstone- bzw. Grabsteineffekt.
Ein wichtiger Punkt ist der Unterschied der thermischen Masse von Pads des gleichen Bauteils. Dadurch wird festgelegt wie schnell die Lotpaste flüssig wird und wie schnell die Wärme wieder abgeführt wird, so dass das Lot sich wieder verfestigt.

Probleme die aus dem Bestückungsprozess resultieren unterliegen der Kontrolle des Bestückers.

Daher konzentrieren wir uns in diesem Abschnitt nur auf Layout bezogene Probleme und deren Vermeidung.

PCB Layouts die Tombstoning verursachen können

Das Tombstoning bezieht sich hauptsächlich auf Passive Bauteil mit 2 Lötflächen. Das Ziel sollte sein, sicherzustellen, dass der Benetzungsprozess für jedes der Lötflächen eines Bauteils gleichzeitig abgeschlossen wird.
Nachfolgend sind die Hauptgründe aufgeführt, die die Wärmeableitung von einem Bauteiplad und somit den Benetzungsprozess beeinflussen.
  • Leiterbahnbreite zu Pad
  • Durchkontaktierung zu nah am Pad
  • Pads an Kupferflächen angeschlossen
  • Via im Pad

Leiterbahnen an Pads

Vermeiden Sie mehrere Leiterbahnen an einem Pad und nur eine Leiterbahn zum anderen Pad des gleichen Bauteils. Vermeiden Sie ebenso unterschiedliche Leiterbahnbreiten des gleichen Bauteils.

                                   
Übliches Layout                                                                                            Vorgeschlagene Alternative

Ein Pad, an dem mehrere Leiterbahnen angeschlossen sind, leitet die Wärme schneller ab als ein Pad, an dem nur eine Leiterbahn angeschlossen ist. Daher wird der Benetzungsprozess zu unterschiedlichen Zeitpunkten abgeschlossen, was zu Tombstoning führen kann.

Wenn ein Pad an Power oder GND angeschlossen ist, werden normalerweise breitere Leiterbahnen wie oben verwendet. Dies führt jedoch dazu, dass der Benetzungsprozess für Pads an dünnen Leiterbahnen früher abgeschlossen ist als an Pads mit breiteren Leiterbahnen. Das kann zu Tombstoning führen.

                                    

Zwei mögliche Vorschläge.

Ziel ist es, die Leiterbahnbreite für jedes Pad der Bauteile auf die gleiche Breite zu bringen. Ein wichtiger zu berücksichtigender Punkt ist, dass diese vereinheitlichte Leiterbahnbreite mindestens 0,25 mm von der Pad-Kante entfernt sein muss, bevor sich die Breite ändert, um den Benetzungsprozess synchron zu halten.

Durchkontaktierung zu nah am Pad

Durchkontaktierte Bohrungen einschließlich Vias die sich zu nahe an einem Pad befinden, leiten die Wärme während des Benetzungsprozesses schneller ab. Es sollte ein Mindestabstand von 0,25 mm zwischen der Kante des Pads und der Kante der Bohrung sein.

Wenn sich das PTH zu nahe am Bauteilpad befindet, um einen zuverlässigen Lötstopplacksteg zu gewährleisten, fließt das Lot in die Bohrung (bekannt als Wicking oder Solder Escape).

In beiden Fällen kann dies zu Tombstoning führen.

                                    

Die Grafik auf der linken Seite zeigt ein Layout, bei dem ein Via zu nahe an der Bauteilkante ist, die rechte Grafik zeigt ein Via mit einem Mindestabstand von 0,25 mm von der Padkante zur Lochkante.

Die Grafik oben zeigt eine Durchkontaktierung im Pad. Es gibt 2 mögliche Lösungen.

Die erste ist die Verwendung von Via Filling. Allerdings wird das Via selbst immer noch Wärme abführen und der Benetzungsprozess wird möglicherweise nicht homogen sein.

Die zweite und zuverlässigere Lösung besteht darin, das Via mindestens 0,25 mm von der Kante des Bauteils bis zur Kante des Durchgangslochs zu verschieben.

Pads verbunden mit Kupferflächen

                                     

Große Kupferflächen fungieren als Kühlkörper. Daher würde das Anschließen eines Bauteilpads in die Kupferfläche wie in der obigen Grafik dargestellt, höchstwahrscheinlich zu Tombstoning führen.

Um dieses Problem zu lösen, müssen beide Pads wie in der obigen Grafik zu sehen, mit einer Leiterbahn ähnlicher Größe verbunden sein. Außerdem sollte die Leiterbahn mindestens 0,25 mm lang sein, bevor sie mit der Kupferfläche verbunden wird, je länger desto besser.

Via in Pad

Mit der fortschreitenden Miniaturisierung der Elektronik wird auch der verfügbare Platz auf der Leiterplatte zum Platzieren von Bauteilen und Leiterbahnen immer geringer.

Eine Lösung ist das Platzieren von Vias in Pads. Das Lot kann jedoch durch das Loch ablaufen, was zu einem ungleichmäßigen Benetzungsprozess führt.

Selbst wenn beide Pads mit Durchkontaktierungen versehen sind, besteht immer noch eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass einer den Benetzungsvorgang vor dem anderen abschließt, abhängig davon, wie die Verbindung auf der unteren Seite weiter verläuft. Die Gefaht von Tombstoning ist immer noch gegeben

Die Grafik zeigt Vias in Bauteilpads. Sind die Vias nicht gefüllt, kann die Lotpaste abfließen und Bauteilanbidungen sind nicht korrekt gelötet.

Via Filling ist hier eine Lösung und verhindert die beschriebenen Probleme.

Das Verschieben der Vias um mindestens 0,25 mm von der Kante des Bauteilpads ist aber eine zuverlässigere Lösung.

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Via in Pad

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