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1.引言 SMT工藝是利用釬料或焊膏在元件與電路板連接之間構成機械與電氣兩方面的連接，其主要優點在于尺寸小、重量輕、互連性好；高頻電路的性能好，寄生阻抗顯著降低；抗沖擊力與振動性能好。采用SMT工藝時引線不需穿過電路板，可避免產生引線接受或輻射而得來的信號，進而提高電路的信噪比。 評價SMT工藝性能的好壞，首先應使焊點能夠正確成型；而正確成型的前提是必須合理設計PCB板上元器件的焊盤尺寸；其次在PCB板布局時要合理安排元件的密度，滿足測試點的要求。 進行電路板設計時，可通過DFM（可制造性設計）來完成。DFM是并行工程（CE）關鍵技術的重要組成部分，它從產品設計開始，考慮可制造性和可檢測性，從設計到制造一次成功，是電路板設計的一種有效工具。 2.PCB材料選擇 印刷電路板基材主要有二大類：有機類基板材料和無機類基板材料，使用最多的是有機類基板材料。層數不同使用的PCB基材也不同，比如3～4層板要用預制復合材料，雙面板則大多使用玻璃－環氧樹脂材料。無鉛化電子組裝過程中，由于溫度升高，印刷電路板受熱時發生彎曲的程度加大，故在SMT中要求盡量采用彎曲程度小的板材，如FR-4等類型的基板。由于基板受熱后的脹縮應力對元件產生的影響，會造成電極剝離，降低可靠性，故選材時還應該注意材料膨脹系數，尤其在元件大于3.2×1.6mm時要特別注意。 表面組裝技術中用PCB要求高導熱性，優良耐熱性（150℃，60min）和可焊性（260℃，10s），高銅箔粘合強度（1.5×104Pa以上）和抗彎強度（25×104Pa），高導電率和小介電常數、好沖裁性（精度±0.02mm）及與清洗劑兼容性，另外要求外觀光滑平整，不可出現翹曲、裂紋、傷痕及銹斑等。 印制電路板厚度有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用于帶金手指雙面板的設計，1.8mm和3.0mm為非標尺寸。印制電路板尺寸從生產角度考慮，最小單板不應小于250×200mm，一般理想尺寸為（250～350mm）×（200×250mm），對于長邊小于125mm或寬邊小于100mm的PCB，易采用拼板的方式。 表面組裝技術對厚度為1.6mm基板彎曲量的規定為上翹曲≤0.5mm，下翹曲≤1.2mm。通常所允許的彎曲率在0.065%以下。 3.PCB導通孔及元器件布局 3.1導通孔布局 （1）避免在表面貼裝焊盤以內或距表面貼裝焊盤0.6mm以內設置導通孔。 （3）作為測試支撐用的導通孔，在設計布局時，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。 （4）導通孔徑與元件引線的配合間隙太大易虛焊。一般導通孔徑比引線直徑大0.05～0.2mm，焊盤直徑為導通孔徑的2.5～3倍時，易形成合格焊點。 （5）導通孔與焊盤不能相連，以避免因焊料流失或熱隔離。如導通孔確需與焊盤相連，應盡可能用細線（小于焊盤寬度1/2的連線或0.3mm~0.4mm）加以互連，且導通孔與焊盤邊緣間距離大于1mm。 3.2元器件布局 進行再流焊工藝時，元件排列方向應注意以下幾點： (1) 板面元件分布應盡可能均勻（熱均勻和空間均勻）； (2) 元器件應盡可能同一方向排列，以便減少焊接不良的現象； (3) 元器件間的最小間距應大于0.5mm，避免溫度補償不夠； (4) PLCC、SOIC、QFP等大器件周圍要留有一定的維修、測試空間； (5) 功率元件不宜集中，要分開排布在PCB邊緣或通風、散熱良好位置； (6) 貴重元件不要放在PCB邊緣、角落或靠近插件、貼裝孔、槽、拼板切割、豁口等高應力集中區，減少開裂或裂紋。 3.3元器件方向 進行波峰焊工藝時，元件排列方向應注意以下幾點： (1) 所有無源元件要相互平行； (2) SOIC與無源元件的較長軸要互相垂直； (3) 無源元件的長軸要垂直于板沿著波峰焊接機傳送帶的運動方向； (4) 有極性的表面組裝元件盡可能以相同的方向放置； (5) 在焊接SOIC等多引腳元件時，應在焊料流方向最后兩個焊腳處設置竊錫焊盤或焊盤面積加位，以防止橋連； (6) 類型相似的元件應該以相同的方向排列在板上，使得元件貼裝、檢查和焊接時更容易； (7) 采用不同組裝工藝時，要考慮元件引腳及重量對再流焊或波峰焊工藝的適應性，防止掉件或漏焊，比如波峰焊接面上元件需能承受260℃高溫，切不能是四邊有引腳器件。 4.PCB線路及焊盤設計 4.1 線路工藝設計要求 (1) 印制電路板工藝夾持邊最小為5mm。 (2) 避免導線與焊盤成一定角度相連，力求導線垂直于元器件的焊盤，且導線應從焊盤的長邊中心與焊盤相連。 (3) 減小導線連通焊盤處的寬度，除非受電荷容量、加工極限等因素的限制，否則最大寬度為0.4mm或焊盤寬度的一半（以小焊盤為準）。一是為了防止散熱太快，二是防止阻焊層精度不夠，造成焊錫流動，形成不良焊接。 (4) 印制電路板導線結構：線寬與間距為0.6mm的正常刻蝕技術制作的走線；線寬與間距為0.3mm的細線刻蝕技術制作的細走線；線寬0.3mm，間距0.15mm的超細走線。 (5) 不同的組裝方式，布線要求也不同。插裝方式引線寬度為0.2mm以上，貼裝方式引線寬度為0.1～0.2mm，精細間距組裝引線寬度為0.05～0.1mm。 (6) 應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。 (7) 對于多引腳元器件（如S0IC、QFP等），引腳焊盤之間的短接處不允許直通，應由焊盤引出互連線之后再短接（若用阻焊膜加以遮隔可以除外），以免產生位移或焊后被誤認為發生了橋接。 (8) 對于有未封裝的芯片（裸片）的PCB設計時，裸片的田字形焊盤應接地線而不宜懸空；另外為保證可靠鍵合，要求焊盤一定均勻鍍金。對于有方向性的元器件，如三極管、芯片等在布線時應注意其極性。 4.2線路電氣設計要求 (1) 引腳間距內過線原則：低密度要求在2.54mm引腳中心距內穿過2條線徑為0.23mm的導線；中密度要求在1.27mm引腳中心距內穿過1條線徑為0.15mm的導線；高密度要求在1.27mm引腳中心距內穿過2～3條更細導線。 (2) 印制板線條的寬度要求盡量一致，這樣有利于阻抗匹配。從印制板制作工藝來講，寬度可以做到0.3mm，0.2mm及0.1mm，但隨著線條變細，間距變小，生產過程中質量將難以控制。除非有特殊要求，一般選用0.3mm線寬和0.3mm線間距的布線原則是比較適宜的。 (3) 盡量走短線，特別是對小信號電路來講，線越短電阻越小，干擾越小，同時藕合線長度盡量減短。 (4) 多層板走線方向：按電源層，地線層和信號層分開，減少電源、地、信號之間的干擾。而且要求相鄰兩層印制板的線版權法應盡量相互垂直或走斜線、曲線，而不平行走線，以利于減少基板層間藕合和干擾。 (5) 電源線，地線設計原則：走線面積越大越好，以利于減少干擾，對于高頻信號線最好是用地線屏蔽。大面積的電源層地線層要相鄰，其作用是在電源和地之間形成一個電容，起到濾波作用。 4.3 焊盤設計 焊盤尺寸對SMT產品的可制造性和壽命有著很大的影響，是PCB線路設計的極其關鍵部分，對焊點的可靠性、焊接過程中可能出現的缺陷、可測試性和檢修量等都起著顯著作用。元器件制作要求不一樣，焊盤設計應根據元器件規格進行制作，方能保證線路的可靠性和防止工藝缺陷（如豎碑及偏斜），顯示SMT的優越性。在進行具體設計時，還必須根據具體產品的組裝密度、不同工藝、不同的設備以及特殊元器件的要求進行設計。 目前表面組裝元器件還沒有統一標準，不同的國家，不同的廠商所生產的元器件外形封裝都有差異，所以在設計焊盤尺寸時，應與自己所選用的元器件的封裝外形、引腳等相適應，確定焊盤長度和寬度。常用的元件焊盤設計可以參考一些標準，如IPC-SM-782、IPC-7095、IPC-7525、IEC-TC52 WG6、JIS C-5010和電子行業工藝標準匯編。 焊盤設計時應遵循以下幾點： (1) 對于同一個器件，凡是對稱使用的焊盤，設計時應嚴格保持其全面的對稱性，即焊盤圖形的形狀與尺寸應完全一致； (2) 對同一種器件，焊盤設計采用封裝尺寸最大值和最小值為參數，計算焊盤尺寸，保證設計結果適用范圍寬； (3) 焊盤設計時，焊點可靠性主要取決于長度而不是寬度； (4) 焊盤設計要適當：太大則焊料鋪展面較大，形成的焊點較薄；較小則焊盤銅箔對熔融焊料的表面張力太小，當銅箔的表面張力小于熔融焊料表面張力時，形成的焊點為不浸潤焊點； (5) 焊盤與較大面積的導電區（如地、電源等平面）相連時，應通過一較細導線進行熱隔離，一般寬度為0.2～0.4，長度約為0.6mm。 (6) 波峰焊時焊盤設計一般比再流焊時大，因為波峰焊中元件有膠水固定，焊盤稍大，不會危及元件的移位和直立，相反卻能減少波烽焊“遮蔽效應”。 4.4矩形元件（L×W）焊盤寬度C與元件焊端寬度W之間的關系為：C=W×（0.7～1.3）mm。對于0805以下的阻容元器件，C≤W；對于0805以上的阻容元器件，C＝W＋0.1~0.25mm。長度為約0.9mm左右，焊盤間距為A=L－0.7mm。 厚度相差很大，如電阻器僅為電容器的一半左右，在焊盤設計時應加以注意，尤其是小尺寸阻容元件，應考慮端頭側面良好的浸潤焊接。另外，元源二端片元件端頭焊區上，下并不完全一致，為了可靠焊接，也需要端側浸潤焊接。所以，要求焊盤比元件的焊區大。 4.5圓柱形元件（φD×L） MELF元件焊盤圖形設計公式：焊盤的寬度為C=D×（0.7～1.0）mm=φmax，長度S=Lmax-(Lmin-2I)，約為1mm左右，兩焊盤間距為A=Lmax-2S=Lmin-2I，約為L-1mm。（僅考慮元件公差的理想設計，未考慮帖放誤差）具體制作時，考慮到元件貼裝誤差，尺寸要稍微放大。再流焊時，寬度增加0.05~0.1mm，長度增加0.2~0.3mm；波峰焊時，寬度增加0.1mm，長度增加0.2~0.6mm。另外再流焊工藝時，希望在焊盤設計時開一個缺口，以便元件在再流焊過程中定位。缺口深度尺寸F=(Lmax-A)/2，缺口深度E取0.3mm（對小尺寸元件，如1/8W電阻）和0.4mm（對尺寸較大的元件，如1/4W電阻）。由于一般焊盤銅層厚度（包括鍍層和阻焊層）不會超過0.2mm，缺口E不宜取得過大。 4.6 SOP（翼型引腳）、QFP封裝器件 這類器件焊盤設計沒有標準的計算公式，相對困難。焊盤寬度C應等于（或稍大/小）焊端（或引腳）的寬度，一般為C=W+0.1mm。焊盤長度常取2.0±0.5mm，一般為B=T+b1+b2，其中b1=0.45～0.6mm，有利于焊料熔融時能形成良好的彎月形輪廓的焊點，還能有效避免釬料產生橋連缺陷及兼顧元器件的貼裝偏差為宜；b2=0.25～1.5mm，主要以保證能形成最佳的彎月形輪廓的焊點為宜，（對于SOIC、QFP等器件還應兼顧其焊盤抗剝離的能力）及其焊盤對于SOIC、QFP器件，焊盤長度B=T+（0.6～0.8）mm，焊盤中心之間的間距與芯片本身的間距相等，焊盤的空隙等于（或稍小于）引線間的空隙。 腳間距在1.27mm以上的SO、SOJ等IC芯片，焊盤寬度C≤1.2W，腳間距在0.65～1.27之間，焊盤寬度C≥W，一般為C=W+0.1~0.25mm；而對于0.65mm包括0.65mm引腳間距以下的IC芯片，焊盤寬度應等于引腳的寬度。 QFP焊盤寬度應等于引腳的寬度，C=W+0.1mm；為對于細間距的QFP，有時候焊盤寬度要適當減小，如在兩焊盤之間有引線穿過時。焊盤長度B=L+（0.6~1.0）mm，焊盤間距A＝F－0.25mm。 同時較長的焊盤，增大了焊膏與焊盤之間的表面張力利于焊膏釋放，給印制焊膏工藝帶來方便。實際應用中還證明焊盤上引腳前后有過盈區非常有利于過量的焊料儲料以較少焊后橋連危險。 4.7 晶體管（SOT） 焊盤寬度C與元件引線寬度W之間的關系為：C≥W；焊盤長度＝元件引腳長度＋b1+b2，其中b1＝b2＝0.3～0.5mm；焊盤間距在保證等于引線中心距的基礎上，將每個焊盤四邊的尺寸向外延伸至少0.35mm。 4.8 SOJ、PLCC器件（J形引腳） 焊盤設計原則：（0.5～0.8mm）×（1.85～2.15mm）；引腳中心應在焊盤圖形內側1/3至焊盤中心之間；SOJ相對兩排焊盤間距一般為4.9mm。 4.9 BGA焊盤設計及假焊盤 BGA焊盤形狀為圓形，直徑為焊球直徑的80％，設計時最好采用公制尺寸，因為元件是按公制生產的，按英制設計會造成貼裝偏差。 從組裝工藝因素考慮，有時在二端片式元件下面設計一個假焊盤，它并不作焊接用，而是為波峰焊點膠之用，故稱傀儡圖形。該圖形使膠與元件粘連容易，不致因膠面過低而粘不上元件。 |
