SMT大讲堂：设计Thermal Relief pad(热阻焊垫/限热焊垫)降低焊接不良

许多SMT贴片工厂内负责制程(Process)或是SMT技术的工程师经常会碰到电路板零件发生空焊(solder empty)、假焊(de-wetting)或冷焊(cold solder)这类焊不上锡(non-wetting)的不良问题，不论制程条件怎么改或是回流焊的炉温再怎么调，就是有一定焊不上锡的比率。这究竟是怎么回事

撇开零件及电路板氧化的问题，究其根因后发现有很大部份这类的焊接不良其实都来自于电路板的布线(layout)设计缺失，而最常见的就是在零件的某几个焊脚上连接到了大面积的铜箔，造成这些零件焊脚经过回流焊后发生焊接不良或墓碑效应(tombstone)问题，有些手焊零件也可能因为相似情形而造成假焊或包焊的问题，有些甚至因为加热过久而把零件给焊坏掉。

一般PCB在电路设计时经常需要铺设大面积的铜箔来当作电源(Vcc、Vdd或Vss)与接地(GND，Ground)之用，这些大面积的铜箔有时候可以在电路板的最上及最下层被眼睛观察到，但更多这类铜箔则被藏在电路板的内层中（多层板），难以用眼睛察觉，这些大面积的铜箔一般会直接连接到一些控制积体电路(IC)及电子零件来达到通电讯号通讯的目的，想要查看电路板上零件有否类似的问题，需要借助电子布线工程师的帮忙，查看电路板的Gerber设计。

不幸的是如果我们想要将这些大面积的铜箔加热到融锡的温度时，比起独立的焊垫通常需要花比较多的时间（就是加热会比较慢），而且散热也比较快。当这样大面积的铜箔布线一端连接在小电阻、小电容这类 small chip 零件，而另一端不是时，就容易因为融锡及凝固的时间不一致而发生墓碑效应；如果迴流焊的温度曲线又调得不好，预热时间不足时，这些连接在大片铜箔的零件焊脚就容易因为达不到融锡温度而造成虚焊的问题。

人工焊接（Hand Soldering）时，这些连接在大片铜箔的零件焊脚则会因为散热太快，而无法在规定时间内完成焊接，最常见到的不良现象就是包焊、虚焊，焊锡只有焊在零件的焊脚上而没有连接到电路板的焊垫，从外观看起来，整个焊点会形成一个球状；更甚者，作业员为了要把焊脚焊上电路板而不断调高烙铁的温度，或是加热过久，以致造成零件超过耐热温度而毁损而不自知。

既然知道了问题点就可以有解决的方法，一般我们都会要求采用【Thermal Relief pad（热阻焊垫/限热焊垫）】设计来解决这类因为大片铜箔连接零件焊脚所造成的焊接问题。参考文章最上面的图片，左边的布线是没有施作【Thermal Relief】的焊垫，可以发现有五个焊垫的四面全都连接到了一大片的铜箔，这样就很容易发生我们上述的温度不足所产生虚焊的问题；而右边的布线则已经施作了【Thermal Relief】的改善，可以看到焊垫与大片铜箔的接触面积只剩下最上面及下面的细小线路，这样就可以大大限制焊垫上温度的流失，达到教佳的焊接结果。

下面的图片也是一些【Thermal Relief】建议改善的方法，基本上就是减少大片铜箔与焊垫接触的面积来达到限制温度的目的，一般我们会建议【Thermal Relief】的布线宽度最大不要超过焊垫宽度或长度的四分之一，这样才能有效减缓热流失。

Thermal Relief 在焊垫宽度的最大线路宽度建议 = 焊垫宽度 x 0.25

Thermal Relief 在焊垫长度的最大线路宽度建议 = 焊垫长度 x 0.25

Thermal Relief 也被称为【花焊盘】或【热风焊盘】或【热焊盘】，因为大部分的 thermal relief 都会将焊垫与铜箔的接触点设计成「十」字形，来达到平均并减少与铜箔接触的面积，因为可能会有好几层的铜箔线，迭起来就更像是一朵花了。

不过得提醒大家的，有时候为了某些原因，比如说高频板为了消除杂讯干扰，电子或RF设计工程师会坚持某些内层一定得将焊垫全部连接到大片铜箔，我会建议尽早在产品设计之初就要求布线工程师尽量把【thermal relief】设计进去，等电气上有问题再逐步加回来，否则一旦电路板经过认证，要再修改可能就难上加难了。