SMD Lehim Hataları: Mezar Taşı, Köprüleme, Void ve Çözümleri

SMD lehim hataları, yüzey montaj komponentlerin reflow fırınında lehimlenmesi sırasında oluşan bağlantı kusurlarıdır. En sık görülenleri mezar taşı (tombstoning), lehim köprüsü, void (boşluk), lehim topları ve yetersiz ıslanmadır. Bu hataların büyük kısmının kökü dizgi hattında değil, tasarım aşamasında: pad ölçüsü, bakır dağılımı, stencil açıklığı ve komponent yerleşimi. Bu yazıda her hatanın nasıl oluştuğunu, tasarımda nasıl önleneceğini ve üretimde nasıl yakalandığını anlatıyoruz. Lehimlemenin temelleri ve yöntemleri için Lehimleme Nedir? yazımıza bakabilirsiniz.

Hatalar bir bakışta

1. Mezar taşı (tombstoning)

Mezar taşı, 0402 ve 0201 gibi küçük çip dirençlerin ve kondansatörlerin reflow sırasında bir ucunun üzerinde dik kalkmasıdır. Önce eriyen pad’deki lehimin yüzey gerilimi, komponenti kendine doğru çeker ve diğer ucu havaya kaldırır.

Neden olur?

• Isınma farkı: Pad’lerden biri büyük bir bakır alana veya toprak düzlemine doğrudan bağlıysa daha geç ısınır.
• Farklı pad ölçüleri: İki pad’in boyutu ya da pad’e giden yol genişliği farklıysa lehim farklı zamanda erir.
• Eşit olmayan pasta: Stencil açıklıkları farklıysa ya da baskı kaymışsa bir pad’e daha fazla lehim gider.
• Hızlı ısınma: Reflow profilinin ıslatma (soak) bölgesi kısaysa pad’ler arasındaki sıcaklık farkı kapanmaz.

Tasarımda nasıl önlenir?

• Büyük bakır alana bağlanan küçük pasif pad’lerinde termal rölyef (thermal relief) kullanın.
• İki pad’i simetrik tutun; pad’lere giden yolları benzer genişlikte çizin.
• Gerçekten gerekmedikçe en küçük kılıflara inmeyin. Kılıf ölçüleri için SMD kılıf boyutları tablomuza bakabilirsiniz.

2. Lehim köprüsü (bridging)

Lehim köprüsü, iki komşu bacak ya da pad’in lehimle birbirine bağlanması, yani istenmeyen bir kısa devredir. En çok 0,5 mm ve daha dar bacak aralıklı QFP, TSSOP ve QFN entegrelerde görülür.

Neden olur?

• Stencil açıklığının pad’e göre büyük olması ya da stencil’in kalın olması nedeniyle fazla pasta
• Pad’ler arasında lehim maskesi köprüsü (solder mask dam) olmaması
• Baskı sırasında stencil’in kayması veya pastanın yayılması
• Yerleştirme sırasında komponentin pastaya fazla bastırılması

Tasarımda nasıl önlenir?

• İnce aralıklı entegrelerde pad’ler arasında lehim maskesi bırakın; üreticinizin en küçük maske köprüsü değerini kontrol edin.
• Pad’leri veri sayfasındaki önerilen yerleşime (land pattern) göre çizin, gereğinden geniş yapmayın.
• Stencil açıklıklarının, ince aralıklı entegrelerde pad’den biraz küçük tutulmasını isteyin.

3. Void (boşluk)

Void, lehim bağlantısının içinde kalan gaz boşluğudur. Dışarıdan görünmez; X-ray ile tespit edilir. Küçük boşluklar çoğu zaman sorun yaratmaz. Ancak QFN termal pad’lerinde ve güç komponentlerinde ısının karta aktarılmasını zayıflatır; BGA toplarında ise bağlantıyı mekanik olarak zayıflatabilir. IPC-A-610 ve BGA için IPC-7095 gibi standartlar, kabul edilebilir boşluk oranını tanımlar.

Neden olur?

• Lehim pastasındaki flux’ın erirken gaz çıkarması ve bu gazın büyük bir pad’in altından kaçamaması
• Termal pad’deki açık via’lardan lehimin aşağı akması ve yerine hava kalması
• Reflow profilinde flux’ın buharlaşmasına yetecek süre verilmemesi

Tasarımda nasıl önlenir?

• QFN gibi büyük termal pad’lerde stencil açıklığını tek parça yerine bölünmüş (windowpane) isteyin. Gaz kanallardan kaçar.
• Termal pad içindeki via’ları kapatın (tented ya da plugged) veya dolgulu-kaplamalı via kullanın.
• BGA altında via-in-pad kullanılacaksa via’ların dolgulu ve kaplanmış olmasını sağlayın.

4. Lehim topları

Lehim topları, komponentin yanında ya da altında kalan küçük lehim bilyeleridir. İletken oldukları için yerinden oynayıp kısa devre yapabilirler.

• Nedenleri: Nem almış veya süresi geçmiş pasta, çok hızlı ön ısıtma, pad dışına taşan pasta, komponentin pastaya fazla bastırılması. Pastanın doğru saklanması ve kullanılması için lehim pastası rehberimize bakabilirsiniz.
• Önlem: Çip komponentlerde stencil açıklığının pad’e göre biraz küçültülmesi ve pastanın doğru saklanıp kullanılması. Bu, büyük ölçüde üretim tarafının işidir.

5. Yetersiz ıslanma ve soğuk lehim

Lehim pad’e ya da komponent ucuna düzgünce yayılmazsa bağlantı mat, topak veya içbükey olmayan bir görünüm alır. Bu tür bağlantılar elektriksel olarak zayıftır ve titreşim ya da ısıl çevrimlerde çatlayabilir.

• Nedenleri: Oksitlenmiş pad veya komponent uçları, raf ömrü geçmiş PCB’ler, reflow tepe sıcaklığının düşük kalması, büyük bakır alanların ısıyı çekmesi.
• Tasarımda önlem: Doğru yüzey kaplaması seçin. İnce aralıklı ve BGA’lı kartlarda ENIG gibi düz kaplamalar avantaj sağlar. Büyük bakır alanlara bağlanan pad’lerde termal rölyef kullanın.

6. Komponent kayması

Komponent, reflow sonrasında pad’in ortasından yana kaymış ya da dönmüş olabilir. Hafif kaymalar, eriyen lehimin yüzey gerilimiyle kendiliğinden düzelir; büyük kaymalar açık devre ya da köprüye yol açar.

• Nedenleri: Yerleştirme koordinatı ve açı hataları, simetrik olmayan pad’ler, fiducial işaretlerinin eksik olması.
• Tasarımda önlem: Doğru ve eksiksiz bir pick-and-place (XY) dosyası hazırlayın. Kartta ve panelde fiducial işaretleri bulundurun; ince aralıklı entegrelerin yanına lokal fiducial ekleyin.

7. BGA’da head-in-pillow

Head-in-pillow, BGA topunun eriyen pasta ile tam kaynaşmadan üstüne “yaslanıp” kalmasıdır. Bağlantı ilk testte çalışabilir ama sahada kopabilir. Dışarıdan görünmez; X-ray ile ve gerekirse kesit analiziyle tespit edilir.

• Nedenleri: Reflow sırasında kartın ya da BGA kılıfının eğilmesi, oksitlenmiş toplar, yetersiz pasta.
• Tasarımda önlem: BGA bölgesinde bakır dağılımını dengeli tutun. İnce ve büyük kartlarda kalınlık seçimine dikkat edin. Neme hassas (MSL) komponentleri BOM’da belirtin; dizgiden önce gerekiyorsa kurutulur.

Üretimde bu hatalar nasıl yakalanır?

• AOI (otomatik optik muayene): Mezar taşı, köprüleme, kayma, eksik veya ters komponent gibi görünür hataları yakalar. Ayrıntılar: AOI nedir?
• X-ray kontrol: BGA ve QFN gibi bağlantısı görünmeyen komponentlerde void ve head-in-pillow gibi hataları gösterir.
• Mikroskopla görsel kontrol: Islanma kalitesi ve ince aralıklı bağlantılar yakından incelenir.

Dizgi hattımızda kartlar AOI ile kontrol edilir; BGA ve QFN gibi bağlantısı görünmeyen komponentlerde gerektiğinde X-ray kontrol yapılır. Kontroller IPC-A-610 kabul kriterlerine göre değerlendirilir. Ayrıntılar için test ve kalite kontrol sayfamıza bakabilirsiniz.

Sık sorulan sorular

Lehim köprüsü nedir?

Lehim köprüsü, iki komşu bacak ya da pad’in lehimle istenmeden birleşmesi, yani kısa devredir. Çoğunlukla fazla lehim pastası veya ince aralıklı entegrelerde pad’ler arasında lehim maskesi olmamasından kaynaklanır.

Mezar taşı etkisi neden olur?

Küçük bir pasif komponentin iki pad’i farklı zamanda ısınınca, önce eriyen lehim komponenti kendine çeker ve diğer ucu kalkar. En sık nedeni pad’lerden birinin büyük bir bakır alana bağlı olmasıdır.

Void her zaman hata mıdır?

Hayır. Küçük ve dağınık boşluklar çoğu uygulamada kabul edilebilir. Isı aktaran termal pad’lerde ve yüksek güvenilirlik istenen ürünlerde boşluk oranı daha sıkı sınırlanır.

Lehim hatalarının çoğu tasarımdan mı kaynaklanır?

Önemli bir kısmı evet. Pad ölçüleri, bakır dağılımı, maske köprüleri ve stencil açıklıkları tasarım dosyalarında belirlenir. Bu yüzden kartı üretime göndermeden önce bir DFM kontrolü yapmak, hataları dizgiye gelmeden önler.

Kartınızı göndermeden önce

Bu hataların çoğunu tasarım aşamasında önlemek mümkün. Dosyalarınızı göndermeden önce PCB dizgi öncesi DFM kontrol listemizi kullanabilir, dizgi süreci için SMD dizgi sayfamızı inceleyebilirsiniz. Siparişten önce dosyalarınızı biz de DFM açısından kontrol ediyoruz.