摘要：经济在快速的发展，社会在不断的进步，焊盘设计技术是表面组装技术(SMT)的关键要素。本文详细分析了焊盘图形设计中的关键技术因子,包括元器件选择的原则、矩形无源元件、SOIC和QFN及QFP/CSP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：:SMT;焊盘设计;PCB
引言
SMT是一项综合性的复杂系统工程,是众多技术的复合技术。然而SMT设计技术更是SMT在众多支持技术之间的联系桥梁和关键技术,SMT设计技术主要是由线路设计、制造工艺设计、组装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极其关键部分,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起着显著作用。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。然而,目前表面组装元器件SMC/SMD品种规格繁多,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,如:1206电阻器和电容器,由于厂家不同,使得端焊头宽度这一最重要的尺寸,其公差从最小254μm变化到762μm,由于公差有如此大的变化范围,故焊盘图形的设计实际上是复杂的。因此,我们开发、建立自己的内部规范,使焊盘图形的设计尽量标准化,对减少焊盘图形设计时的复杂性;提高焊点可靠性是大为有益的。设计表面组装焊盘图形与适当元器件的选择和表面组装采取的工艺方法两项因素密切相关,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(如再流焊和波峰焊),最大程度地满足布局和布线的要求。下面就有关实质问题进行讨论。
1PCB焊盘的设计
PCB焊盘设计能够直接的影响到SMT的焊接质量，如果PCB焊盘在设计的过程中，出现了设计结构不规范的情况，则会导致焊接缺陷情况的发生，并且，焊接缺陷发生的情况也会有很多种。例如：焊盘间距过大会导致立碑，过小有可能导致零件底部短路，焊盘的尺寸大小不对称，使再流焊时表面的张力不对称；焊盘上的导通孔会使焊料流到焊盘的背面，导致虚焊的现象出现；BGA焊盘的设计不符合规定，会导致更加严重的后果。PCB焊盘的设计不合理所导致的后果是非常严重的，并且在生产工艺中很难得到解决，或者需要投入10倍百倍于设计的工艺成本去克服设计缺陷，因此，在进行PCB焊盘设计的过程中要严格的遵守焊盘设计的原则/要求/标准，按照相关的规定进行设计，将焊盘的尺寸、间距 形状进行严格的规划，满足印刷和贴装的工艺，这样一来就能够有效的提高PCB焊盘设计的质量，防止由于焊盘设计的缺陷而导致的焊接缺陷。
2焊盘图形设计中的关键技术
2.1SOIC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改进印制板表面无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。第一种焊盘间距最小,中间不能走线,第三种焊盘宽度最小,更有利于零件的自修正,影响焊点质量,第二种最合适。这种焊盘宽度为0.76mm、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。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆SOIC的引脚形状为鸥翼形,SOJ、PLCC封装器件引脚为“J”形。由于鸥翼形引线比J形引线柔性好,且SOIC器件外形尺寸较小,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。
2.2矩形无源元件焊盘图形设计
无源元件的工艺制造方法较为复杂，并且各种方法之间差别较大，本文介绍主要介绍两种元件的焊接方法。第一种焊接方法为波峰焊，波峰焊的优势为无需考虑元件的移动问题，它可以通过元件之间的粘合胶来增加粘贴能力，防止焊接过程中出现的移动或直立现象。第二种焊接方法为回流焊，其优势在于能够更加灵活控制焊接点和焊接形状。为了更好地设计焊盘图形，应当应用不同工艺来针对不同大小的焊盘进行焊接。最经典的矩形无源元件焊盘图形为长方形，焊盘的长度是决定焊接过程中焊料能否形成规矩的形状，避免焊接过程中发生的桥接现象的重要参考，它也是参考元器件的可靠性的重要参考因素。焊盘的宽度是决定回流焊的焊接中的焊接点的，它能够防止焊接过程中的移动，焊盘的宽度大多都小于元件宽度。焊盘间隔的作用是防止元件在焊接过程中的水平滑动，防止焊接过程中产生其他意外。很多元件的公差都很高，设计过程中需要充分参考最小或最大元件的基本数据，不能盲目设计参数。矩形电容器的厚度是电阻器的两倍，在焊盘设计中需要特别注意，不能误差过大导致二者发生移动。
2.3QFP焊盘图形设计
QFP器件的引脚为欧翼形,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,但也是一个重要环节,通过实践的摸索,提供一点设计经验供大家参考。(1)焊盘长度决定焊点可靠性。通常焊盘长度与器件可焊引脚长度应保持一个适当比例,该比例控制在2.5～3左右。这样使焊盘上的引脚前后端都有过盈的焊盘L1、L2,其目的是使焊料在熔化后能形成有效的弯月面,以增强焊接强度;过盈端还可以让过量的焊料有一个“溢料区”,可以减少桥接问题。(2)焊盘宽度一般为引脚中心距的55%左右。(3)当确定了l1、l2及焊盘宽度后,就可以算出焊盘图形中焊盘间相对距离及焊盘图形的外形尺寸。
3设计印制电路板时与焊盘相关的问题
当设计师在设计焊盘时，应当谨遵对称原则，在设计电阻、电容等元件时也需要按照对称原则进行设计，图形设计尺寸应当和焊盘的形状尺寸对称，且图形所在的方位也应当合理。利用CAD系统对焊盘进行设计时，可以在制作时便于更改，更有利于后续的查验。CAD大多以标准的线条来设计，能够将图形直观表达，便于在设计过程中的线条区分和尺寸查验。设计焊盘时，不能将字符和图形标志印刷在焊盘内部且焊盘边部0.5mm内不能印字符和图形标志。
结语
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最佳、质量最优 效率最高 成本最低。
参考文献
[1]冉景红,王宝奇,刘梦雪等.花球焊盘BGA焊接技术研究[J].电子工艺技术,2017,38(04):219-221,232.
[2]王威,马喜宏,秦立君等.温度循环对SMT焊点的影响分析[J].电子器件,2018,41(01):1-7.
论文作者:陈宏凡
论文发表刊物:《建筑实践》2019年10期
论文发表时间:2019/9/2
标签：图形论文; 元件论文; 引脚论文; 过程中论文; 宽度论文; 间距论文; 无源论文; 《建筑实践》2019年10期论文;