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(jì)時(shí)需考慮的一些制造工藝性問題進(jìn)行了闡述，給SMT設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)參考。
關(guān)鍵詞：印制電路板 基準(zhǔn)標(biāo)志 導(dǎo)通孔 波峰焊 再流焊 可測性設(shè)計(jì)
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(jì)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(jì)技術(shù)之中，對PCB板的設(shè)計(jì)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(jì)之初除了要考慮電路原理設(shè)計(jì)的可行性，同時(shí)還要統(tǒng)籌考慮PCB的設(shè)計(jì)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，對SMT表面安裝PCB設(shè)計(jì)中的制造工藝性問題進(jìn)行了總結(jié)，提出來供廣大設(shè)計(jì)人員參考。
一、焊接方式與PCB整體設(shè)計(jì)
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(jì)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(jì)，以雙面混裝(如攝象機(jī))為例，我們就可以設(shè)計(jì)如下生產(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(diǎn)：
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(gè)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(shí)，只遭受部分應(yīng)力，尺寸大于3.2×1.6mm時(shí)，就必須注意這個(gè)問題。
導(dǎo)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(shí)的熱量主要通過基板給予擴(kuò)散，在貼裝電路密集，發(fā)熱量大時(shí)，基板必須具有高的導(dǎo)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(dá)到260℃，10秒的要求。
銅箔的粘合強(qiáng)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(qiáng)度，一般要達(dá)到1.5kg/cm2以上。
彎曲強(qiáng)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(diǎn)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(qiáng)度要達(dá)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(shí)隨著布線密度的提高，基板的絕緣性能要達(dá)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(jì)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(gè)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(jì):為了保證印制電路板能準(zhǔn)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(gè)孔可以設(shè)計(jì)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(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，具體位置會因設(shè)備的不同而有所變化。
拼板設(shè)計(jì)要求：對PCB的拼板格式有以下幾點(diǎn)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(jì)有基準(zhǔn)標(biāo)志，讓機(jī)器將每塊拼板當(dāng)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(shí)，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(shí)由于印制電路板受力不均導(dǎo)致變形。在采用雙面對刻的Ｖ形槽時(shí)，Ｖ形槽深度應(yīng)控制在板厚的1/6 - 1/8左右。
(5)設(shè)計(jì)雙面貼裝不進(jìn)行波峰焊的印制電路板時(shí)，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(zhǔn)備費(fèi)用和時(shí)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：
表1 PCB容許的翹曲
四、PCB焊盤設(shè)計(jì)工藝要求
焊盤設(shè)計(jì)是PCB線路設(shè)計(jì)的極其關(guān)鍵部分，因?yàn)樗_定了元器件在印制電路板上的焊接位置，而且對焊點(diǎn)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(jì)時(shí)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(shí)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(dǎo)線
(1)減小印制導(dǎo)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(zhǔn))。
(2)焊盤與較大面積的導(dǎo)電區(qū)如地、電源等平面相連時(shí)，應(yīng)通過一長度較細(xì)的導(dǎo)電線路進(jìn)行熱隔離
(3)印制導(dǎo)線應(yīng)避免呈一定角度與焊盤相連，只要可能，印制導(dǎo)線應(yīng)從焊盤的長邊的中心處與之相連。
導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)通孔，在設(shè)計(jì)布局時(shí)，需充分考慮不同直徑的探針，進(jìn)行自動在線測試時(shí)的最小間距。
對于同一個(gè)元件，凡是對稱使用的焊盤(如片狀電阻、電容、SOIC、QFP等)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)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(shí)，作用于元器件上所有焊點(diǎn)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(diǎn)。
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(xì)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(biāo)記，標(biāo)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(dāng)采用波峰焊接工藝時(shí)，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(jì)(見表2)
(1)片狀元件焊盤圖形設(shè)計(jì)
(2)SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計(jì):SOP、QFP焊盤尺寸沒有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式，所以焊盤圖形的設(shè)計(jì)相對困難。引用松下公司的SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)參照執(zhí)行，如表3所示。
表2 片狀元件焊區(qū)尺寸
表3 SOP、QFP焊盤圖形設(shè)計(jì)尺寸
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