简析SMT环境下的PCB设计技术

　　1.引言
　　SMT技术的应用，对PCB制造业产生极大的便利作用。SMT工艺是利用钎料或焊膏在元件与电路板连接之间构成机械与电气两方面的连接，其主要优点在于尺寸小、重量轻、互连性好；高频电路的性能好，寄生阻抗显着降低；抗冲击力与振动性能好。采用SMT工艺时引线不需穿过电路板，可避免产生引线接受或辐射而得来的信号，进而提高电路的信噪比。
　　评价SMT工艺性能的好坏，首先应使焊点能够正确成型；而正确成型的前提是必须合理设计PCB板上元器件的焊盘尺寸；其次在PCB板布局时要合理安排元件的密度，满足测试点的要求。
　　进行电路板设计时，可通过DFM（可制造性设计）来完成。DFM是并行工程（CE）关键技术的重要组成部分，它从产品设计开始，考虑可制造性和可检测性，从设计到制造一次成功，是电路板设计的一种有效工具。
　　2.PCB材料选择
　　印刷电路板基材主要有二大类：有机类基板材料和无机类基板材料，使用最多的是有机类基板材料。层数不同使用的PCB基材也不同，比如3～4层板要用预制复合材料，双面板则大多使用玻璃－环氧树脂材料。无铅化电子组装过程中，由于温度升高，印刷电路板受热时发生弯曲的程度加大，故在SMT中要求尽量采用弯曲程度小的板材，如FR-4等类型的基板。由于基板受热后的胀缩应力对元件产生的影响，会造成电极剥离，降低可靠性，故选材时还应该注意材料膨胀系数，尤其在元件大于3.2×1.6mm时要特别注意。
　　表面组装技术中用PCB要求高导热性，优良耐热性（150℃，60min）和可焊性（260℃，10s），高铜箔粘合强度（1.5×104Pa以上）和抗弯强度（25×104Pa），高导电率和小介电常数、好冲裁性（精度±0.02mm）及与清洗剂兼容性，另外要求外观光滑平整，不可出现翘曲、裂纹、伤痕及锈斑等。
　　印制电路板厚度有0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、（1.8mm）、2.7mm、（3.0mm）、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中0.7mm和1.5mm板厚的PCB用于带金手指双面板的设计，1.8mm和3.0mm为非标尺寸。印制电路板尺寸从生产角度考虑，最小单板不应小于250×200mm，一般理想尺寸为（250～350mm）×（200×250mm），对于长边小于125mm或宽边小于100mm的PCB，易采用拼板的方式。
　　表面组装技术对厚度为1.6mm基板弯曲量的规定为上翘曲≤0.5mm，下翘曲≤1.2mm。通常所允许的弯曲率在0.065%以下。
　　3.PCB导通孔及元器件布局
　　3.1导通孔布局
　　（1）避免在表面贴装焊盘以内或距表面贴装焊盘0.6mm以内设置导通孔。
　　（2）无外引脚的元器件焊盘（如片状电阻电容、可调电位器及电容等），其焊盘之间不允许有通孔(即元件下面不开导通孔；若用阻焊膜堵死可以除外)，以保证清洗质量。
　　（3）作为测试支撑用的导通孔，在设计布局时，需充分考虑不同直径的探针进行自动在线测试时的最小间距。
　　（4）导通孔径与元件引线的配合间隙太大易虚焊。一般导通孔径比引线直径大0.05～0.2mm，焊盘直径为导通孔径的2.5～3倍时，易形成合格焊点。
　　（5）导通孔与焊盘不能相连，以避免因焊料流失或热隔离。如导通孔确需与焊盘相连，应尽可能用细线（小于焊盘宽度1/2的连线或0.3mm~0.4mm）加以互连，且导通孔与焊盘边缘间距离大于1mm。
　　3.2元器件布局
　　进行再流焊工艺时，元件排列方向应注意以下几点：
　　(1) 板面元件分布应尽可能均匀（热均匀和空间均匀）；
　　(2) 元器件应尽可能同一方向排列，以便减少焊接不良的现象；
　　(3) 元器件间的最小间距应大于0.5mm，避免温度补偿不够；
　　(4) PLCC、SOIC、QFP等大器件周围要留有一定的维修、测试空间；
　　(5) 功率元件不宜集中，要分开排布在PCB边缘或通风、散热良好位置；
　　(6) 贵重元件不要放在PCB边缘、角落或靠近插件、贴装孔、槽、拼板切割、豁口等高应力集中区，减少开裂或裂纹。
　　3.3元器件方向
　　进行波峰焊工艺时，元件排列方向应注意以下几点：
　　(1) 所有无源元件要相互平行；
　　(2) SOIC与无源元件的较长轴要互相垂直；
　　(3) 无源元件的长轴要垂直于板沿着波峰焊接机传送带的运动方向；
　　(4) 有极性的表面组装元件尽可能以相同的方向放置；
　　(5) 在焊接SOIC等多引脚元件时，应在焊料流方向最后两个焊脚处设置窃锡焊盘或焊盘面积加位，以防止桥连； (6) 类型相似的元件应该以相同的方向排列在板上，使得元件贴装、检查和焊接时更容易；
　　(7) 采用不同组装工艺时，要考虑元件引脚及重量对再流焊或波峰焊工艺的适应性，防止掉件或漏焊，比如波峰焊接面上元件需能承受260℃高温，切不能是四边有引脚器件。
　　4.PCB线路及焊盘设计
　　4.1 线路工艺设计要求
　　(1) 印制电路板工艺夹持边最小为5mm。
　　(2) 避免导线与焊盘成一定角度相连，力求导线垂直于元器件的焊盘，且导线应从焊盘的长边中心与焊盘相连。
　　(3) 减小导线连通焊盘处的宽度，除非受电荷容量、加工极限等因素的限制，否则最大宽度为0.4mm或焊盘宽度的一半（以小焊盘为准）。一是为了防止散热太快，二是防止阻焊层精度不够，造成焊锡流动，形成不良焊接。
　　(4) 印制电路板导线结构：线宽与间距为0.6mm的正常刻蚀技术制作的走线；线宽与间距为0.3mm的细线刻蚀技术制作的细走线；线宽0.3mm，间距0.15mm的超细走线。
　　(5) 不同的组装方式，布线要求也不同。插装方式引线宽度为0.2mm以上，贴装方式引线宽度为0.1～0.2mm，精细间距组装引线宽度为0.05～0.1mm。
　　(6) 应尽量避免在其焊盘之间穿越互连线（特别是细间距的引脚器件），凡穿越相邻焊盘之间的互连线，必须用阻焊膜对其加以遮隔。
　　(7) 对于多引脚元器件（如S0IC、QFP等），引脚焊盘之间的短接处不允许直通，应由焊盘引出互连线之后再短接（若用阻焊膜加以遮隔可以除外），以免产生位移或焊后被误认为发生了桥接。
　　(8) 对于有未封装的芯片（裸片）的PCB设计时，裸片的田字形焊盘应接地线而不宜悬空；另外为保证可靠键合，要求焊盘一定均匀镀金。对于有方向性的元器件，如三极管、芯片等在布线时应注意其极性。
　　4.2线路电气设计要求
　　(1) 引脚间距内过线原则：低密度要求在2.54mm引脚中心距内穿过2条线径为0.23mm的导线；中密度要求在1.27mm引脚中心距内穿过1条线径为0.15mm的导线；高密度要求在1.27mm引脚中心距内穿过2～3条更细导线。
　　(2) 印制板线条的宽度要求尽量一致，这样有利于阻抗匹配。从印制板制作工艺来讲，宽度可以做到0.3mm，0.2mm及0.1mm，但随着线条变细，间距变小，生产过程中质量将难以控制。除非有特殊要求，一般选用0.3mm线宽和0.3mm线间距的布线原则是比较适宜的。
　　(3) 尽量走短线，特别是对小信号电路来讲，线越短电阻越小，干扰越小，同时藕合线长度尽量减短。
　　(4) 多层板走线方向：按电源层，地线层和信号层分开，减少电源、地、信号之间的干扰。而且要求相邻两层印制板的线版权法应尽量相互垂直或走斜线、曲线，而不平行走线，以利于减少基板层间藕合和干扰。
　　(5) 电源线，地线设计原则：走线面积越大越好，以利于减少干扰，对于高频信号线最好是用地线屏蔽。大面积的电源层地线层要相邻，其作用是在电源和地之间形成一个电容，起到滤波作用。
　　4.3 焊盘设计
　　焊盘尺寸对SMT产品的可制造性和寿命有着很大的影响，是PCB线路设计的极其关键部分，对焊点的可靠性、焊接过程中可能出现的缺陷、可测试性和检修量等都起着显着作用。元器件制作要求不一样，焊盘设计应根据元器件规格进行制作，方能保证线路的可靠性和防止工艺缺陷（如竖碑及偏斜），显示SMT的优越性。在进行具体设计时，还必须根据具体产品的组装密度、不同工艺、不同的设备以及特殊元器件的要求进行设计。
　　目前表面组装元器件还没有统一标准，不同的国家，不同的厂商所生产的元器件外形封装都有差异，所以在设计焊盘尺寸时，应与自己所选用的元器件的封装外形、引脚等相适应，确定焊盘长度和宽度。常用的元件焊盘设计可以参考一些标准，如IPC-SM-782、IPC-7095、IPC-7525、IEC-TC52 WG6、JIS C-5010和电子行业工艺标准汇编。
　　焊盘设计时应遵循以下几点：
　　(1) 对于同一个器件，凡是对称使用的焊盘，设计时应严格保持其全面的对称性，即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致；
　　(2) 对同一种器件，焊盘设计采用封装尺寸最大值和最小值为参数，计算焊盘尺寸，保证设计结果适用范围宽；
　　(3) 焊盘设计时，焊点可靠性主要取决于长度而不是宽度；
　　(4) 焊盘设计要适当：太大则焊料铺展面较大，形成的焊点较薄；较小则焊盘铜箔对熔融焊料的表面张力太小，当铜箔的表面张力小于熔融焊料表面张力时，形成的焊点为不浸润焊点；
　　(5) 焊盘与较大面积的导电区（如地、电源等平面）相连时，应通过一较细导线进行热隔离，一般宽度为0.2～0.4，长度约为0.6mm。
　　(6) 波峰焊时焊盘设计一般比再流焊时大，因为波峰焊中元件有胶水固定，焊盘稍大，不会危及元件的移位和直立，相反却能减少波烽焊“遮蔽效应”。
　　4.4矩形元件（L×W）
　　焊盘宽度C与元件焊端宽度W之间的关系为：C=W×（0.7～1.3）mm。对于0805以下的阻容元器件，C≤W；对于0805以上的阻容元器件，C＝W＋0.1~0.25mm。长度为约0.9mm左右，焊盘间距为A=L－0.7mm。
　　厚度相差很大，如电阻器仅为电容器的一半左右，在焊盘设计时应加以注意，尤其是小尺寸阻容元件，应考虑端头侧面良好的浸润焊接。另外，元源二端片元件端头焊区上，下并不完全一致，为了可靠焊接，也需要端侧浸润焊接。所以，要求焊盘比元件的焊区大。
　　4.5圆柱形元件（φD×L）
　　MELF元件焊盘图形设计公式：焊盘的宽度为C=D×（0.7～1.0）mm=φmax，长度S=Lmax-(Lmin-2I)，约为1mm左右，两焊盘间距为A=Lmax-2S=Lmin-2I，约为L-1mm。（仅考虑元件公差的理想设计，未考虑帖放误差）
　　具体制作时，考虑到元件贴装误差，尺寸要稍微放大。再流焊时，宽度增加0.05~0.1mm，长度增加0.2~0.3mm；波峰焊时，宽度增加0.1mm，长度增加0.2~0.6mm。另外再流焊工艺时，希望在焊盘设计时开一个缺口，以便元件在再流焊过程中定位。缺口深度尺寸F=(Lmax-A)/2，缺口深度E取0.3mm（对小尺寸元件，如1/8W电阻）和0.4mm（对尺寸较大的元件，如1/4W电阻）。由于一般焊盘铜层厚度（包括镀层和阻焊层）不会超过0.2mm，缺口E不宜取得过大。
　　4.6 SOP（翼型引脚）、QFP封装器件
　　这类器件焊盘设计没有标准的计算公式，相对困难。焊盘宽度C应等于（或稍大/小）焊端（或引脚）的宽度，一般为C=W+0.1mm。焊盘长度常取2.0±0.5mm，一般为B=T+b1+b2，其中b1=0.45～0.6mm，有利于焊料熔融时能形成良好的弯月形轮廓的焊点，还能有效避免钎料产生桥连缺陷及兼顾元器件的贴装偏差为宜；b2=0.25～1.5mm，主要以保证能形成最佳的弯月形轮廓的焊点为宜，（对于SOIC、QFP等器件还应兼顾其焊盘抗剥离的能力），
　　对于SOIC、QFP器件，焊盘长度B=T+（0.6～0.8）mm，焊盘中心之间的间距与芯片本身的间距相等，焊盘的空隙等于（或稍小于）引线间的空隙。
　　脚间距在1.27mm以上的SO、SOJ等IC芯片，焊盘宽度C≤1.2W，脚间距在0.65～1.27之间，焊盘宽度C≥W，一般为C=W+0.1~0.25mm；而对于0.65mm包括0.65mm引脚间距以下的IC芯片，焊盘宽度应等于引脚的宽度。
　　QFP焊盘宽度应等于引脚的宽度，C=W+0.1mm；为对于细间距的QFP，有时候焊盘宽度要适当减小，如在两焊盘之间有引线穿过时。焊盘长度B=L+（0.6~1.0）mm，焊盘间距A＝F－0.25mm。
　　同时较长的焊盘，增大了焊膏与焊盘之间的表面张力利于焊膏释放，给印制焊膏工艺带来方便。实际应用中还证明焊盘上引脚前后有过盈区非常有利于过量的焊料储料以较少焊后桥连危险。
　　本 4.7 晶体管（SOT）
　　焊盘宽度C与元件引线宽度W之间的关系为：C≥W；焊盘长度＝元件引脚长度＋b1+b2，其中b1＝b2＝0.3～0.5mm；焊盘间距在保证等于引线中心距的基础上，将每个焊盘四边的尺寸向外延伸至少0.35mm。
　　4.8 SOJ、PLCC器件（J形引脚）
　　焊盘设计原则：（0.5～0.8mm）×（1.85～2.15mm）；引脚中心应在焊盘图形内侧1/3至焊盘中心之间；SOJ相对两排焊盘间距一般为4.9mm。
　　4.9 BGA焊盘设计及假焊盘
　　BGA焊盘形状为圆形，直径为焊球直径的80％，设计时最好采用公制尺寸，因为元件是按公制生产的，按英制设计会造成贴装偏差。
　　从组装工艺因素考虑，有时在二端片式元件下面设计一个假焊盘，它并不作焊接用，而是为波峰焊点胶之用，故称傀儡图形。该图形使胶与元件粘连容易，不致因胶面过低而粘不上元件。
　　5.基准点标记制作要求
　　(1) 基准标志常用图形有正方形、圆形、三角形和十字形，基准点标记最小的直径为0.5mm，最大为3mm。一般置2~3个直径为1mm的实心圆于板对角线上作为基准标志。如是拼板，则每块拼板应设计有基准标志；
　　(2) 同一块板上的标记尺寸力求相同，变化不许超过25μm；
　　(3) 基准点可以是裸铜，或在上面镀镍、镀锡、镀焊料(HASL，厚度7～10μm)。镀层厚度首选5～10μm，最大不超过25μm，基准点表面平整度应该在15μm内；
　　(4) 基准点离印制板边缘至少5mm，形状不规则的板应该另外加5mm的板边。放置位于板和元器件的对角线，基准点标记周围不能有其它电路特征，其空旷区尺寸最好等于标记直径；
　　(5) 拼板可采用邮票板或双面对刻V型槽的分离技术，V型槽深度控制在板厚的1/6～1/8，长度控制在所在边的1/3内；双面贴装不进行波峰焊的PCB，可采用双数拼板正反面各半，两面图形按相同的排列方式可以提高设备利用率；
　　(6) 引脚间距在0.65mm以下的细间距贴装IC，应在其焊盘图形附近增设基准标志，一般在对角线上设置两个对称基准点作为贴片机光学定位和校准用。
　　6.测试点制作要求
　　关键性元件需要在PCB上设计测试点。用于焊接表面组装元件的焊盘不允许兼作检测点，必须另外设计专用的测试焊盘，以保证焊点检测和生产调试的正常进行。用于测试的焊盘尽可能的安排于PCB的同一侧面上，即便于检测，又利于降低检测所花的费用。
　　6.1工艺设计要求
　　(1) 测试点距离PCB边缘需大于5mm；
　　(2) 测试点不可被阻焊剂或文字油墨覆盖；
　　(3) 测试点最好镀焊料或选用质地较软、易贯穿、不易氧化的金属，以保证可靠接地，延长探针使用寿命
　　(4) 测试点需放置在元件周围1mm以外，避免探针和元件撞击；
　　(5) 测试点需放置在定位孔（配合测试点用来精确定位，最佳用非金属化孔，定位孔误差应在±0.05mm内）环状周围3.2mm以外；
　　(6) 测试点的直径不小于0.4mm，相邻测试点的间距最好在2.54mm以上，但不要小于1.27mm；
　　(7) 测试面不能放置高度超过6.4mm的元器件，过高的元器件将引起在线测试夹具探针对测试点的接触不良；
　　(8) 测试点中心至片式元件端边的距离C与SMD高度H有如下关系：SMD高度H≤3mm，C≥2mm；SMD高度H≥3mm，C≥4mm。
　　(9) 测试点焊盘的大小、间距及其布局还应与所采用的测试设备有关要求相匹配。
　　6.2电气设计要求
　　(1) 尽量将元件面的SMC/SMD测试点通过过孔引到焊接面，过孔直径大于1mm，可用单面针床来测试，降低测试成本；
　　(2) 每个电气接点都需有一个测试点，每个IC需有电源和接地测试点，且尽可能接近元件，最好在2.54mm以内； (3) 电路走线上设置测试点时，可将其宽度放大到1mm；
　　(4) 测试点应均匀分布在PCB上，减少探针压应力集中；
　　(5) PCB上供电线路应分区域设置测试断点，以便电源去耦合或故障点查询。设置断点时应考虑恢复测试断点后的功率承载能力。
　　7.设计不当造成的缺陷分析
　　表面组装焊盘图形确定了元器件在印制电路板上的焊接位置，它的设计合理与否直接决定了焊接强度，对保证产品的可靠性起着关键的作用。由于焊盘设计不恰当，通常会造成一些不良的焊接缺陷，如表5所示。
　　造成以上缺陷的主要原因有：
　　(1) 由于矩形片式元件焊端外侧的焊盘长度决定焊料熔融时能否形成良好的弯月形轮廓焊点。过短的焊盘长度会影响熔融焊料沿元器件焊端和PCB焊盘结合处的金属表面润湿铺展所能达到的几何尺寸，从而影响焊点形态，降低焊点的可靠性。
　　(2) 过小的焊盘间隙，过窄的焊盘宽度，使涂覆于焊盘上的焊膏量不足，导致虚焊焊点的产生。
　　(3) 由于QFP封装的器件的引脚为翼形，主焊点形成位置在翼形引脚的内侧，因此在设计这种窄间距器件的焊盘长度时，必须保证焊盘上的引脚前后端都有过盈的焊盘，其目的是使焊料在溶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。
　　(4) 因焊盘设计不当的阻容元件，焊点较大，随强度高，但元件与PCB之间的应力全部由焊料吸收，大的焊点形态不易使应力得到释放，易疲劳失效。
　　翼型引脚焊点形态，焊点根部圆角的高度(h)和长度(X)是影响焊点拉伸强度的主要参数，内侧X要偏长。
　　(5) SOIC、SOJ、PLCC封装类元器件焊盘用椭圆形，焊盘宽度与焊盘间距的比例为6：4较好，
　　(6) 细间距QFP器件焊盘图形优选椭圆形，焊盘长度与焊件可焊引脚长度的比例为2.5～3:1。
　　(7) 焊盘宽度设计为引脚中心距的55%左右为较好，可减少桥连。
　　(8) 鸥翼形引脚，焊点轮廓主要形成在引脚内侧，应保证引脚内侧焊盘长度为整个焊盘长度的二分之三，J形引脚焊点轮廓主要形成于引脚外测，应保证引脚外测焊盘长度为整个焊盘长度的二分之三。
　　通过对具体元器件焊点缺陷原因的分析，找到了焊盘设计不合理的原因，为合理地改进焊盘设计提供了依据。