SMT焊盘设计中的关键技术

时间：2016-06-15

	 摘　要：焊盘设计技术是表面组装技术(smt)的关键。详细分析了焊盘图形设计中的关键技术，包括元器件选择的原则、矩形无源元件、SOIC和PLCC及QFP器件的焊盘优化设计。最后提出了设计印制电路板时与焊盘相关的问题。


	关键词：表面组装技术;焊盘技术;印制电路板


	1　引　言


	表面组装技术(SMT)是一项复杂的系统工程，而SMT设计技术则是各种SMT支持技 术之间的桥梁和关键技术。SMT设计技术由SMT线路设计、工艺设计、设备运作设 计和检测设计四部分组成。


	SMT焊盘图形设计是印制线路板设计的关键部分，因为它确定了元器件在印制线路板上的 焊接位置，而且对焊点的可靠性、焊接过程中可能出现的焊接缺陷、可清洗性、可测试性和 检修量等都有很大的影响。换句话说，焊盘图形的设计是决定表面组装部件可制造性的关键 因素之一。


	目前，表面组装元器件SMC/SMD品种规格繁多，(上海SMT)结构各异，生产厂家也多。实现同样 功能的元件，其封装形式可能有多种多样;而对于某一给定的封装类型，其规格尺寸也存在 一定的差异。因此，建立统一的设计规范，对减少焊盘图形设计时的复杂性和提高焊点可靠 性是大为有益的。


	设计表面组装焊盘图形与元器件选择和工艺方法两项因素密切相关。因为，合理的焊盘图形 要与元器件尺寸相匹配，可用于不同厂家稍有差异的元件，能适应各种不同工艺(如回流焊 和波峰焊)，较大程度地满足布局和布线的要求。


	2　焊盘图形设计中的关键技术


	2.1　选择元器件的原则


	选择元器件时要根据系统和电路原理及组装工艺的要求，在保证满足元器件功能和性能的基 础上，*有限数目的供应商提供适合的元器件，以减小焊盘图形设计必须提供的公差，减 小焊盘图形设计的复杂程度。


	2.2　矩形无源元件焊盘图形设计


	无源元件可用波峰焊、回流焊或其他工艺进行焊接。由于各种焊接方法的工艺和热分布存在 一定的差别，从优化焊盘图形的角度出发，不同工艺有不同大小的焊盘图形，因为焊接过程 中元件容易发生移动和直立。在波峰焊过程中，由于元件用黏合剂粘贴，故元件移动问题就 不**了，为回流焊设计的较佳焊盘图形也适合于波峰焊。典型的矩形无源元件焊盘图形为 长方形，如图1所示。


	图1　典型的矩形无源元件焊盘图形


	焊盘大小的计算公式为：


	A=Wmax-K　(1)


	贴装电容器时：B=Hmax+Tmin-K　(2)


	贴装电阻时：B=Hmax+Tmin+K　(3)


	G=Lmax-2Tmax-K　(4)


	式中，K=0.25mm，W为元件宽度，H为元件厚度，T为元件端 焊头宽度，L为元件 长度。焊盘宽度(A)决定元件在涂敷焊膏/回流焊过程中的位置以及防止旋转或偏移 ，一 般小于或等于元件宽度;焊盘长度(B)决定焊料熔融时能否形成良好的弯月形轮廓焊 点，(上海SMT) 还得避免焊料产生桥接现象，焊接实践证明，表面贴装元器件的焊接可靠性主要取决于焊盘 长度而不是宽度;焊盘间隔(G)控制元件在涂敷焊膏/回流焊过程中的水平移动。


	由于元件的公差较大，较好以较小或较大元件外形参数来计算焊盘外形参数。而矩形电阻器 的厚度约为电容器厚度的一半，故在焊盘长度的设计上应有所不同，否则电阻器会发生移位 。


	2.3　SOIC和PLCC焊盘图形设计


	以往SOIC、PLCC及QFP元件的焊盘图形均是长方形，由于印制电路生产方面的原 因，使用椭圆形焊盘更有益处。其主要原因是：①改进印制板表面锡/铅焊料镀层的平坦度 和厚度;②减少离子污染引起的边角处树突性增长造成的高电阻通路;③焊盘间线路布线会 更紧密。


	对于1.27mm引脚中心距的SOIC/SOJ和PLCC封装器件，焊盘宽度与焊盘 间 距的比例有7∶3、6∶4和5∶5三种。**种焊盘间距较小，中间不能走线，*三 种焊 盘宽度较小，容易造成移位，影响焊点质量，*二种较合适。这种焊盘宽度为0.76m m 、焊盘间距为0.51mm、焊盘间可以走一根0.15mm连线的设计已广泛应用于 高性能产品中。焊盘长度标准为1.9mm。


	SOIC的引脚形状为鸥翼形，SOJ、PLCC封装器件引脚为“J”形，如图2所示。


	图2　PLCC和SOIC器件引脚焊点轮廓


	由于鸥翼形引线比J形引线柔性好，且SOIC器件外形比PLCC外形尺寸小得多，因此 焊点上产生的应力小，可靠性问题相对小些。PLCC的焊点轮廓主要形成在器件引脚外侧 ，而鸥翼形引脚的焊点轮廓主要在引脚内侧，则焊盘长度和焊盘图形中相对焊盘间的间距大 小的设计方法就有所区别，“J”型引线与焊盘的相切点应向内移至焊盘的1/3处， 是至关重要的。


	2.4　QFP焊盘图形设计


	QFP器件的引脚也为鸥翼形，因而焊盘图形所要考虑的问题基本与SOIC相同，但它的 引脚中心距比SOIC的小，常用的几种中心距有1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm等。


	QFP焊盘尺寸没有标准计算公式，引脚间距又很密，所以QFP焊盘图形的合理设计较困 难，在设计中要注意以下几点：


	a)焊盘长度决定焊点可靠性。如图3所示，焊盘长度与器件可焊引脚较大长度之间应保持 一个适当比例，一般在2.5∶1～3∶1左右，这样，焊盘上的引脚前后端 都有过盈的焊盘(b1，b2)，使焊料在熔化后能形成有效的弯月面，以增强焊接强度。 此外，过盈端还可以让过量的焊料有一个“溢料区”，减少桥接。


	b)焊盘宽度一般为引脚中心距的55%左右。


	图3　QFP器件焊盘设计示意图


	c)确定了焊盘长度和焊盘宽度后，就可计算出焊盘图形中焊盘间相对距离及焊盘图形 的外形尺寸。即：


	LA或LB=Dmin+2b2　(5)


	△LA=(LA-△x)/2-L　(6)


	△LB=(LB-△y)/2-L　(7)


	式中，D为元件外形尺寸，m为器件可焊引脚长度，b1为器件内侧焊盘过盈 长度，b2为器件外侧焊盘过盈长度。


	d)对于多引脚细间距的QFP器件，焊盘的中心距必须与QFP引脚的中心距一致，此外 还应保证焊盘总体的累积误差应在±0.0127mm范围内。这是由于在用计算机排版 时若是以英制单位来计算时与公有制单位有一个精度差异，(上海SMT)因此相邻焊盘中心距就比相邻引 脚中心距大，造成**条引脚与**个焊盘对齐时最后一个焊盘已落在最后一条引脚之外的 现象。


	3 设计印制电路板时与焊盘相关的问题


	自行设计焊盘时，对称使用的焊盘(如片状电阻、电容、 SOIC、QFP等)在设计时应严格保持其全面的对称性，即焊盘图形的形状尺寸应完全 一致，以及图形所处的位置应完全对称。


	设计焊盘图形时较好以CAD系统中的焊盘和线条为元素来设计，以便今后可再编辑。


	焊盘内不允许印有字符和图形标志，标志符号离焊盘边缘距离应大于0.5　mm。凡无外 引脚的器件焊盘，其焊盘之间不允许有通孔，以保证清洗质量。


	两个元件之间不应使用单个大焊盘，避免锡量过多，熔融后拉力大，将元件拉到一侧。如图 4所示。


	图4　使用一个大焊盘的失误


	对于引脚中心距为0.65　mm及其以下的细间距元件，应在焊盘图形的对角线上，增设 两个对称的裸铜基准标志，用于光学定位，提高贴片精度。


	应正确标注每个元器件所有引脚的顺序号，以避免布线时引脚混淆。


	4　结束语


	SMT焊盘设计是表面组装器件制造中的关键技术，但其中的设计问题容易被忽视。应正确 选择适合的元器件，优化设计各种元器件的焊盘图形设计，使得设计的印制线路板达到性能 较佳、质量较优。

词条
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