为什么要用十字形、花、焊盘?

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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（内容来源：华夏时报）