Protel电子电路设计(3)

2019-03-09 21:34

印制导线应避免呈一定角度与焊盘相连,只要可能,印制导线应从焊盘的长边的中心处与之相连。

7.焊盘与阻焊膜

印制板上相应于各焊盘的阻焊膜的开口尺寸,其宽度和长度分别应比焊盘尺寸大0.05~0.25mm,具体情况视焊盘间距而定,目的是既要防止阻焊剂污染焊盘,又要避免焊膏印刷、焊接时的连印和连焊。再有阻焊膜的厚度不得大于焊盘的厚度。

8.导通孔布局

避免在表面安装焊盘以内,或在距表面安装焊盘0.635 mm以内设置导通孔。如无法避免,须用阻焊剂将焊料流失通道阻断。

对测试支撑导通孔,在设计布局时,需充分考虑不同直径的探针在进行自动的在线测试(ATE)时的最小间距。

9.焊接方式与PCB整体设计

再流焊几乎适用于所有贴片元件的焊接,波峰焊则只适用于焊接矩形片状元件、圆柱形元器件、SOT等和较小的SOP(管脚数小于28、脚间距1mm以上)。当采用波峰焊接SOP等多脚元件时,应于锡流方向最后两个(每边各1)焊脚外设置窃锡焊盘,防止连焊。

鉴于生产的可操作性,PCB整体设计尽可能按以下顺序优化: ① 单面贴装或混装,即在PCB单面布放贴片元件或插装元件;

② 双面贴装,PCB A面布放贴片元件和插装元件,B面布放适合于波峰焊的贴片元件; ③ 双面混装,PCB A面布放贴片元件和插装元件,B面布放需再流焊的贴片元件。 总之,表面贴装PCB设计内容很广,不仅要考虑电路基本设计、元器件产品设计、基板设计,而且还要考虑制造工艺性设计、测试图形设计等多方面的内容。若设计不当,SMT根本无法实施或生产效率很低。另外,随着SMT设备的发展,SMT工艺也在不断发展,现有的一些制约因素也许在不久的将来就会消失,所以设计人员需不断跟踪新设备、新工艺的发展。

2.3 元件的选择和考虑

对元件的选择,一般必须做到的考虑点最少有以下几方面: ① 电气性能。 ② 占地效率(三维)。 ③ 成本和供应。

④ 元件可靠性和使用环境条件。 ⑤ 和设计规范的吻合。 ⑥ 合适的工艺和设备规范。

⑦ 可组装性、可测试性(包括目视检查)、可返修性。

⑧ 与制造相关的资料是否完整可得(如元件完整详细外形尺寸、引脚材料、工艺温度限制等)。

从可制造性上考虑,元件的选择应对封装有所了解。元件的封装种类繁多,也各有各的优缺点。做为设计人员,对这些封装技术应该有一定的认识,才能在可选择的范围内做出最优化(即适合高质量高效率的生产)最适当的选择,比如去了解元件封装的目的。如果了解到封装的目的之一是提供散热,那在设计时会自然而然的考虑到不同封装的散热性能。了解到散热和IC的引脚材料有关后,便自然而然的会考虑到是否需要采用铜而放弃42号合金的引脚之类的问题。

对于元件封装和组装工艺相关的问题,已不只是工艺或生产工程师的事了。设计人员也应该有所了解。比如在“爆米花效应”(Pop-corn effect,因元件吸湿而在回流过程中爆裂的现象)的考虑上,在可选的情况下会优选PLCC44而不用QFP44。又如对SOIC的底部浮起高度的考虑,市面上有不太统一的规范,设计人员应该了解到不同高度指标对厂内现有的工艺和设备将会造成什么问题。如当采用清洗工艺时,元件选择上就应该选择较高标准的元件。如果采用贴片机生产,还要注意元件的包装。不同的包装有不同的生产效率和成本。选择标准应根据生产设备和管理的情况而定。 2.5 焊盘设计

焊盘的尺寸,对SMT产品的可制造性和寿命有很大的影响。影响焊盘尺寸的因素众多,必须全面的配合才能做得好。要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。所以SMT用户应该开发适合自己的一套尺寸规范,而且必须有良好的档案记录,详细记载各重要的设计考虑和条件,以方便将来的优化和更改。由于目前在一些因素和条件上还不能找出具体和有效的综合数学公式,用户还必须配合计算和试验来优化本身的规范,而不能单靠采用他人的规范或计算得出的结果。

1.良好焊盘和影响它的因素

一个良好的焊盘设计,应该在工艺上容易组装、便于检查和测试以及组装后的焊点有很长的使用寿命等条件。设计焊盘的定义,包括焊盘本身的尺寸、阻焊剂或阻焊层框框的尺

寸、元件占地范围、元件下的布线和点胶(在波峰焊工艺中)用的虚设焊盘或布线的所有定义。

决定焊盘尺寸,有五方面的主要因素。它们是元件的外形和尺寸、基板种类和质量、组装设备能力、所采用的工艺种类和能力以及要求的品质水平或标准。在考虑焊盘的设计时必须配合以上五个因素整体考虑。计算尺寸公差时,如果采用最差情况方法(即将各公差加起来做总公差考虑的方法),虽然是最保险的做法,但对微型化不利而且很难照顾到目前统一不足的巨大公差范围。所以工业界中较常用的是统计学中接受的有效值或均方根方法。这种做法在各方面可达到较好的平衡。

2.设计前的准备工作

焊盘设计必须配合多方面的资料,所以在进行焊盘设计前有以下的准备工作先得做好。 ① 收集元件封装和热特性的资料。注意,国际上对元件封装虽然有规范,但东西方规范在某些方面相差很大。用户必须在元件范围上做出选择或把设计规范分成等级。

② 整理基板的规范。对于基板的质量(如尺寸和温度稳定性)、材料、油印的工艺能力和相对的供应商都必须有清楚详细的记录。

③ 制定厂内的工艺和设备能力规范。例如基板处理的尺寸范围、贴片精度、丝印精度、回流原理和点胶工艺采用的是什么注射泵等等。这方面的知识了解对焊盘的设计也很有帮助。

④ 对各制造工艺的问题和知识有足够的了解。这有助于在设计焊盘时的考虑和取舍,有些时候设计无法面面俱到,这方面的知识和能力可以使设计人员做出较好的决策。

⑤ 制定厂内或某一产品上的品质标准。只有在了解到具体的产品品质标准后,焊盘设计才可以推算出来。品质标准是指如焊点的大小、需要什么样的外形等等。

3.波峰焊工艺中的一些考虑

波峰焊接工艺中,较常见的工艺问题有“阴影效应”、“缺焊”、“桥接”(短路)和“元件脱落”。“阴影效应”是由于元件封装的不润湿性和熔锡的强大表面张力造成的,为了避免这种问题的产生,焊盘的长度必须能延伸出元件体外,越高的元件封装延伸也应越长。而元件和元件之间的距离不能太近,应保留有足够的间隙让熔锡渗透。注意这些尺寸都和生产厂的设备和调制能力有一定的关系,所以设计时必须了解到生产厂这方面的特性。

“桥接”问题常发生在IC引脚上和距离太近的元件。解决的方法是给予足够的元件间距,对于IC引脚(一般发生在离开锡炉的最后引脚上)可以在焊盘设计上加入“吸锡”或“盗锡”虚焊盘。此焊盘的尺寸和位置视IC的引脚间距和类型而定。对于较细间距的翼形

引脚和J形引脚,吸锡焊盘应该往外侧布置,较细间距的引脚应采用较长的吸锡焊盘。此外,对于四边都有引脚的QFP应采用45角置放,以减少桥接的机会。对于J形引脚和间距较宽的PLCC则无此需要。

“元件脱落”问题,一般是因为部胶工艺做得不好造成的。最常见的原因是胶点的高度不够。而很多时候是因为工艺(泵技术)和材料(勤胶、元件)的选择不当,以及因基板上焊盘高度将元件托起而引起的。设计时除了要具体和严格的规定元件的封装尺寸以及工艺规范中规定技术和材料外,在基板的设计上可以采用所谓的“垫盘”(在胶点处的一种虚焊盘)来协助增加胶点的高度。这“垫盘”也可以用信号布线来代替。 4.焊点质量的考虑

决定焊盘的尺寸大小,首先要从焊点的质量来考虑。什么样的焊点(大小、外形)才算是优良的焊点呢?科学性的确认是通过对不同焊点大小和外形进行寿命测试而得来的。这类测试费用高、技术难、所需时间也长。不过工业界中有许多经验是可以被参考和借用的。比如说对矩形元件的焊点,则要求底部端点最少有一半的面积必须和焊盘焊接(家电和消费产品),端点两侧要有0.3mm以上或元件高度的三分之一的润湿面等的最低要求。

对于设计工作,重要的是应该了解到焊点各组成部分的功能和作用。比如了解到矩形元件两端延伸方向处是影响焊点的机械力,也是提供工艺效果有用的检查点。这样在设计时就能很好地取舍尺寸。例如了解到矩形元件各端点两例只提供未必需要的额外机械强度,而它又决定回流时的“浮动”效应(引起立碑的成因之一),这时可以在小元件上放弃这两侧的焊盘面积来换取较高的工艺直通率。 5.焊盘尺寸的推算

焊盘尺寸的初步推算,应该考虑元件尺寸的范围和公差、焊点大小的需要、基板的精度、稳定性和工艺能力(如定位和贴片精度等)。推算的公式内应该包含这些因素的考虑。 在焊盘尺寸X的考虑上,为了确保端点底部有足够的焊接面,采用了元件范围中最长的L值加上质量标准中所需的端点焊点(0.3mm或元件端点高度的1/3),再加上贴片精度的误差(注:有些人认为回流时元件会自动对中而不考虑误差,这种做法不当。因为不是在任何情况下都会自动对中,而且即使能自动对中,在对中前会产生因贴偏而影响工艺的其他问题)。此外,因基板尺寸而引起的误差在制造时是以只允许大而不可小的指标来控制的,所以基板的误差可以不加在公式内。因此,X的推算总结如下: X最小值=L最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度 X最大值=L最大值+1.5X元件端点高度-2X贴片精度

o

注:焊盘延伸长度超过元件高度的1.5倍时容易引起浮动立碑问题。

对于D的考虑,为确保有足够的端点底部焊接面,采用了元件S的最低值,减去品质标准中所需的焊点大小。公式为:

D最大值=S最小值-2X优良焊点所需的延伸

从质量观点来看元件底下内部焊点不是很重要,此处的贴片精度和焊点保留区可以同时考虑(包括在一起)。用户也可以采用:

D最大值=S最小值-2X贴片精度

一般的选择是看哪一个公差较大而定。D最小值的考虑重点是焊球问题,但可以提供丝印钢网的设计来补偿。一般在设计D尺寸时用以上的公式而不找其最小值(没额外的好处)。

Y值的考虑和X值类似。但无须考虑最大值,因为延伸以下的焊盘没有什么意义。 Y最小值=W最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度

由于从W值再向外延伸的焊盘尺寸,对元件的寿命和可制造性没有什么更有益的作用,而缩小这方面的尺寸对元件回流时的“浮动”效应有制止的作用,许多设计人员因此将焊盘的Y值方面不加入这方面的值,甚至还有为了更强的工艺管制而使用稍小于W值的。对于小的矩形件(0603或更小)则可以考虑此做法。

以上是以矩形件为例子,用户该做到的是了解焊点的作用细节,了解尺寸和工艺方面可能发生的误差,那么不管是什么引脚,什么封装的元件焊盘都能较科学的推算出来了。

6.阻焊剂(阻焊层)的考虑

对于阻焊剂无覆盖框的尺寸考虑,主要是看基板制造商在阻焊剂工艺上的能力(印刷定位精度和分辨率)而定。只要保留足够的间隙确保阻焊剂不会覆盖焊盘和不会因太细而断裂便可以了。一般采用液态丝印阻焊剂涂布技术,约需保留0.4mm的间隙。而采用光绘阻焊剂涂布技术的,则只需约0.15mm的间隙。最细的阻焊剂部分,丝印技术应有0.3mm间隙而光绘技术应有0.2mm间隙。

7.占用面积

占用面积指的是不能有其他物件的范围。这方面的考虑是要确保检查(光学或目视)和返修工具和工作所需的空间。设计人员应先了解生产厂所采用的返修和检查方法及工具后再制定此规范。

2.6 基准设计和元件布局

基准设计可以从如何在自动化设备中处理基准开始。比如设备自动传送带所需的留空


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