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SMT表面安裝PCB設(shè)計工藝簡析(上)

發(fā)布時間 :2016-12-19 09:39 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計部
SMT表面安裝技術(shù)在許多電子產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中被大量采用,本文就SMT表面安裝PCB設(shè)計時需考慮的一些制造工藝性問題進行了闡述,給SMT設(shè)計人員提供一個參考。
關(guān)鍵詞:印制電路板 基準標志 導通孔 波峰焊 再流焊 可測性設(shè)計
  以前的電子產(chǎn)品,“插件+手焊”是PCB板的基本工藝過程,因而對PCB板的設(shè)計要求也十分單純,隨著SMT表面安裝技術(shù)的引入,PCBA制造工藝逐步溶于設(shè)計技術(shù)之中,對PCB板的設(shè)計要求就越來越苛刻,越來越需要統(tǒng)一化、規(guī)范化。產(chǎn)品開發(fā)人員在設(shè)計之初除了要考慮電路原理設(shè)計的可行性,同時還要統(tǒng)籌考慮PCB的設(shè)計和板上布局、工藝工序流程的先后次序及合理安排。本文結(jié)合作者多年的生產(chǎn)實踐經(jīng)驗,對SMT表面安裝PCB設(shè)計中的制造工藝性問題進行了總結(jié),提出來供廣大設(shè)計人員參考。
 
一、焊接方式與PCB整體設(shè)計
  再流焊幾乎適用于所有貼裝元件的焊接,波峰焊則只適用于焊接矩形片狀元件、圓柱形元器件、SOT等和較小的SOP(管腳數(shù)少于28、腳間距1mm以上)。
  鑒于生產(chǎn)的可操作性,PCB整體設(shè)計盡可能按以下順序優(yōu)化:
  (1)單面混裝,即在PCB單面布放貼片元件或插裝元件。
  (2)兩面貼裝,PCB單面或兩面均布放貼片元件。
  (3)雙面混裝,PCB A面布放貼裝元件和插裝元件,B面布放適合于波峰焊的貼片元件。
  根據(jù)上述推薦的PCB設(shè)計,以雙面混裝(如攝象機)為例,我們就可以設(shè)計如下生產(chǎn)工藝流程:
雙面混裝PCB生產(chǎn)工藝流程
圖1 雙面混裝PCB生產(chǎn)工藝流程
   
二、PCB基板的選用原則
裝載SMD的基板,根據(jù)SMD的裝載形式,對基板的性能要求有以下幾點:
外觀要求:基板外觀應(yīng)光滑平整,不可有翹曲或高低不平,基板表面不得出現(xiàn)裂紋,傷痕,銹斑等不良。 
熱膨脹系數(shù)的關(guān)系:表面貼裝元件的組裝形態(tài)會由于基板受熱后的脹縮應(yīng)力對元件產(chǎn)生影響,如果熱膨脹系數(shù)的不同。這個應(yīng)力會很大,造成元件接合部電極的剝離,降低產(chǎn)品的可靠性,一般元件尺寸小于3.2×1.6mm時,只遭受部分應(yīng)力,尺寸大于3.2×1.6mm時,就必須注意這個問題。 
導熱系數(shù)的關(guān)系:貼裝與基板上的集成電路等期間,工作時的熱量主要通過基板給予擴散,在貼裝電路密集,發(fā)熱量大時,基板必須具有高的導熱系數(shù)。 
耐熱性的關(guān)系:由于表面貼裝工藝要求,一塊基板至組裝結(jié)束,可能會經(jīng)過數(shù)次焊接過程,通常耐焊接熱要達到260℃,10秒的要求。 
銅箔的粘合強度:表面貼裝元件的焊區(qū)比原來帶引線元件的焊區(qū)要小,因此要求基板與銅箔具有良好的粘合強度,一般要達到1.5kg/cm2以上。 
彎曲強度:基板貼裝后,由其元件的質(zhì)量和外力作用,會產(chǎn)生擾曲,這將給元件和接合點增加應(yīng)力,或者使元件產(chǎn)生微裂,因此要求基板的抗彎強度要達到25kg/cm2以上。 
電性能要求:由于電路傳輸速度的高速化、要求基板的介電常數(shù),介電正切要小,同時隨著布線密度的提高,基板的絕緣性能要達到規(guī)定的要求。 
基板對清洗劑的反應(yīng),在溶液中浸漬5分鐘,其表面不產(chǎn)生任何不良,并具有良好的沖裁性。基板的保存性與SMD的保管條件相同。
 
三、PCB外形及加工工藝的設(shè)計要求
PCB工藝夾持邊:在SMT生產(chǎn)過程中以及插件過波峰焊的過程中,PCB應(yīng)留出一定的邊緣便于設(shè)備夾持。這個夾持邊的范圍應(yīng)為5mm,在此范圍內(nèi)不允許布放元器件和焊盤。 
定位孔設(shè)計:為了保證印制電路板能準確、牢固地放置在SMT表面安裝設(shè)備的夾具上,需要設(shè)置一對定位孔定位孔的大小為5+0.1mm。為了定位迅速,其中一個孔可以設(shè)計成橢圓形狀。在定位孔周圍1mm范圍內(nèi)不能有元件。 
PCB厚度:從0.5mm - 4mm,推薦采用1.6mm - 2mm。 
PCB缺槽:印制電路板的一些邊緣區(qū)域內(nèi)不能有缺槽,以避免印制電路板定位或傳感器檢測時出現(xiàn)錯誤,具體位置會因設(shè)備的不同而有所變化。 
拼板設(shè)計要求:對PCB的拼板格式有以下幾點要求:
(1)拼板的尺寸不可太大,也不可太小,應(yīng)以制造、裝配和測試過程中便于加工,不產(chǎn)生較大變形為宜。
(2)拼板的工藝夾持邊和安裝工藝孔應(yīng)由印制電路板的制造和安裝工藝來確定。
(3)每塊拼板上應(yīng)設(shè)計有基準標志,讓機器將每塊拼板當作單板看待。
(4)拼板可采用郵票版或雙面對刻V型槽的分離技術(shù)。在采用郵票版時,應(yīng)注意搭邊應(yīng)均勻分布于每塊拼板的四周,以避免焊接時由于印制電路板受力不均導致變形。在采用雙面對刻的V形槽時,V形槽深度應(yīng)控制在板厚的1/6 - 1/8左右。
(5)設(shè)計雙面貼裝不進行波峰焊的印制電路板時,可采用雙數(shù)拼板正反面各半,兩面圖形按相同的排列方式可以提高設(shè)備利用率(在中、小批量生產(chǎn)條件下設(shè)備投資可減半),節(jié)約生產(chǎn)準備費用和時間。 
PCB板的翹曲度。用于表面貼裝的印制電路板,翹曲度一律要求小于0.0075mm/mm,具體如下:
PCB容許的翹曲
表1 PCB容許的翹曲
 
四、PCB焊盤設(shè)計工藝要求
焊盤設(shè)計是PCB線路設(shè)計的極其關(guān)鍵部分,因為它確定了元器件在印制電路板上的焊接位置,而且對焊點的可靠性、焊接過程中可能出現(xiàn)的焊接缺陷、可清洗性、可測試性和檢修量等起著顯著作用。 
阻焊膜設(shè)計時考慮的因素
(1)印制電路板上相應(yīng)于各焊盤的阻焊膜的開口尺寸,其寬度和長度分別應(yīng)比焊盤尺寸大0.05~0.25mm,具體情況視焊盤間距而定,目的是既要防止阻焊劑污染焊盤,又要避免焊膏印刷、焊接時的連印和連焊。
(2)阻焊膜的厚度不得大于焊盤的厚度 
焊盤與印制導線
(1)減小印制導線連通焊盤處的寬度,除非手電荷容量、印制電路板加工極限等因素的限制,最大寬度應(yīng)為0.4mm,或焊盤寬度的一半(以較小焊盤為準)。
(2)焊盤與較大面積的導電區(qū)如地、電源等平面相連時,應(yīng)通過一長度較細的導電線路進行熱隔離
(3)印制導線應(yīng)避免呈一定角度與焊盤相連,只要可能,印制導線應(yīng)從焊盤的長邊的中心處與之相連。 
導通孔布局
(1)避免在SMT表面安裝焊盤以內(nèi),或在距SMT表面安裝焊盤0.635mm以內(nèi)設(shè)置導通孔。如無法避免,須用阻焊劑將焊料流失通道阻斷。
(2)作為測試支撐導通孔,在設(shè)計布局時,需充分考慮不同直徑的探針,進行自動在線測試時的最小間距。 
對于同一個元件,凡是對稱使用的焊盤(如片狀電阻、電容、SOIC、QFP等),設(shè)計時應(yīng)嚴格保持其全面的對稱性,即焊盤圖形的形狀與尺寸應(yīng)完全一致。以保證焊料熔融時,作用于元器件上所有焊點的表面張力能保持平衡(即其合力為零),以利于形成理想的焊點。 
凡多引腳的元器件(如SOIC、QFP等),引腳焊盤之間的短接處不允許直通,應(yīng)由焊盤加引出互連線之后再短接,以免產(chǎn)生橋接。另外還應(yīng)盡量避免在其焊盤之間穿越互連線(特別是細間距的引腳器件)凡穿越相鄰焊盤之間的互連線,必須用阻焊膜對其加以遮隔。 
焊盤內(nèi)不允許印有字符和圖形標記,標志符號離焊盤邊緣距離應(yīng)大于0.5mm。凡無外引腳的器件的焊盤,其焊盤之間不允許有通孔,以保證清洗質(zhì)量。 
當采用波峰焊接工藝時,插引腳的通孔,一般比其引腳線徑大0.05 - 0.3mm為宜,其焊盤的直徑應(yīng)大于孔徑的3倍。 
焊盤圖形設(shè)計(見表2)
(1)片狀元件焊盤圖形設(shè)計
(2)SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計:SOP、QFP焊盤尺寸沒有標準計算公式,所以焊盤圖形的設(shè)計相對困難。引用松下公司的SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計標準參照執(zhí)行,如表3所示。 
片狀元件焊區(qū)尺寸
表2 片狀元件焊區(qū)尺寸
SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計尺寸
表3 SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計尺寸


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