SMT環(huán)境下的PCB設(shè)計技術(shù)詳細

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(gòu)成機械與電氣兩方面的連接，其主要優(yōu)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(chǎn)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(yīng)使焊點能夠正確成型；而正確成型的前提是必須合理設(shè)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(shè)計時，可通過DFM（可制造性設(shè)計）來完成。DFM是并行工程（CE）關(guān)鍵技術(shù)的重要組成部分，它從產(chǎn)品設(shè)計開始，考慮可制造性和可檢測性，從設(shè)計到制造一次成功，是電路板設(shè)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(shù)不同使用的PCB基材也不同，比如3～4層板要用預(yù)制復(fù)合材料，雙面板則大多使用玻璃－環(huán)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(fā)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(yīng)力對元件產(chǎn)生的影響，會造成電極剝離，降低可靠性，故選材時還應(yīng)該注意材料膨脹系數(shù)，尤其在元件大于3.2×1.6mm時要特別注意。

表面組裝技術(shù)中用PCB要求高導(dǎo)熱性，優(yōu)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(dǎo)電率和小介電常數(shù)、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(xiàn)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(shè)計，1.8mm和3.0mm為非標尺寸。印制電路板尺寸從生產(chǎn)角度考慮，最小單板不應(yīng)小于250×200mm，一般理想尺寸為（250～350mm）×（200×250mm），對于長邊小于125mm或?qū)掃呅∮?00mm的PCB，易采用拼板的方式。

表面組裝技術(shù)對厚度為1.6mm基板彎曲量的規(guī)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(dǎo)通孔及元器件布局
3.1導(dǎo)通孔布局

（1）避免在表面貼裝焊盤以內(nèi)或距表面貼裝焊盤0.6mm以內(nèi)設(shè)置導(dǎo)通孔。

（2）無外引腳的元器件焊盤（如片狀電阻電容、可調(diào)電位器及電容等），其焊盤之間不允許有通孔(即元件下面不開導(dǎo)通孔；若用阻焊膜堵死可以除外)，以保證清洗質(zhì)量。

（3）作為測試支撐用的導(dǎo)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。

（4）導(dǎo)通孔徑與元件引線的配合間隙太大易虛焊。一般導(dǎo)通孔徑比引線直徑大0.05～0.2mm，焊盤直徑為導(dǎo)通孔徑的2.5～3倍時，易形成合格焊點。

（5）導(dǎo)通孔與焊盤不能相連，以避免因焊料流失或熱隔離。如導(dǎo)通孔確需與焊盤相連，應(yīng)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(dǎo)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(yīng)注意以下幾點：

(1) 板面元件分布應(yīng)盡可能均勻（熱均勻和空間均勻）；
(2) 元器件應(yīng)盡可能同一方向排列，以便減少焊接不良的現(xiàn)象；
(3) 元器件間的最小間距應(yīng)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(yīng)力集中區(qū)，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(yīng)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(yīng)在焊料流方向最后兩個焊腳處設(shè)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(yīng)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(yīng)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(shè)計

4.1 線路工藝設(shè)計要求

(1) 印制電路板工藝夾持邊最小為5mm。

(2) 避免導(dǎo)線與焊盤成一定角度相連，力求導(dǎo)線垂直于元器件的焊盤，且導(dǎo)線應(yīng)從焊盤的長邊中心與焊盤相連。

(3) 減小導(dǎo)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(dǎo)線結(jié)構(gòu)：線寬與間距為0.6mm的正?？涛g技術(shù)制作的走線；線寬與間距為0.3mm的細線刻蝕技術(shù)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(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。

(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(yīng)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(chǎn)生位移或焊后被誤認為發(fā)生了橋接。

(8) 對于有未封裝的芯片（裸片）的PCB設(shè)計時，裸片的田字形焊盤應(yīng)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(yīng)注意其極性。

4.2線路電氣設(shè)計要求

(1) 引腳間距內(nèi)過線原則：低密度要求在2.54mm引腳中心距內(nèi)穿過2條線徑為0.23mm的導(dǎo)線；中密度要求在1.27mm引腳中心距內(nèi)穿過1條線徑為0.15mm的導(dǎo)線；高密度要求在1.27mm引腳中心距內(nèi)穿過2～3條更細導(dǎo)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(chǎn)過程中質(zhì)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(quán)法應(yīng)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(shè)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(shè)計

焊盤尺寸對SMT產(chǎn)品的可制造性和壽命有著很大的影響，是PCB線路設(shè)計的極其關(guān)鍵部分，對焊點的可靠性、焊接過程中可能出現(xiàn)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(shè)計應(yīng)根據(jù)元器件規(guī)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(yōu)越性。在進行具體設(shè)計時，還必須根據(jù)具體產(chǎn)品的組裝密度、不同工藝、不同的設(shè)備以及特殊元器件的要求進行設(shè)計。

目前表面組裝元器件還沒有統(tǒng)一標準，不同的國家，不同的廠商所生產(chǎn)的元器件外形封裝都有差異，所以在設(shè)計焊盤尺寸時，應(yīng)與自己所選用的元器件的封裝外形、引腳等相適應(yīng)，確定焊盤長度和寬度。常用的元件焊盤設(shè)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(yè)工藝標準匯編。

焊盤設(shè)計時應(yīng)遵循以下幾點：

(1) 對于同一個器件，凡是對稱使用的焊盤，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；

(2) 對同一種器件，焊盤設(shè)計采用封裝尺寸最大值和最小值為參數(shù)，計算焊盤尺寸，保證設(shè)計結(jié)果適用范圍寬；

(3) 焊盤設(shè)計時，焊點可靠性主要取決于長度而不是寬度；

(4) 焊盤設(shè)計要適當：太大則焊料鋪展面較大，形成的焊點較??；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(dǎo)電區(qū)（如地、電源等平面）相連時，應(yīng)通過一較細導(dǎo)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(shè)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(yīng)”。
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(guān)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(shè)計時應(yīng)加以注意，尤其是小尺寸阻容元件，應(yīng)考慮端頭側(cè)面良好的浸潤焊接。另外，元源二端片元件端頭焊區(qū)上，下并不完全一致，為了可靠焊接，也需要端側(cè)浸潤焊接。所以，要求焊盤比元件的焊區(qū)大。

4.5圓柱形元件（φD×L）

MELF元件焊盤圖形設(shè)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(shè)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(shè)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(shè)計沒有標準的計算公式，相對困難。焊盤寬度C應(yīng)等于（或稍大/?。┖付耍ɑ蛞_）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(chǎn)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(yīng)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(yīng)等于引腳的寬度。

QFP焊盤寬度應(yīng)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(yīng)用中還證明焊盤上引腳前后有過盈區(qū)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(guān)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(chǔ)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(shè)計原則：（0.5～0.8mm）×（1.85～2.15mm）；引腳中心應(yīng)在焊盤圖形內(nèi)側(cè)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(shè)計及假焊盤

BGA焊盤形狀為圓形，直徑為焊球直徑的80％，設(shè)計時最好采用公制尺寸，因為元件是按公制生產(chǎn)的，按英制設(shè)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(shè)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。

5.基準點標記制作要求

(1) 基準標志常用圖形有正方形、圓形、三角形和十字形，基準點標記最小的直徑為0.5mm，最大為3mm。一般置2~3個直徑為1mm的實心圓于板對角線上作為基準標志。如是拼板，則每塊拼板應(yīng)設(shè)計有基準標志；

(2) 同一塊板上的標記尺寸力求相同，變化不許超過25μm；

(3) 基準點可以是裸銅，或在上面鍍鎳、鍍錫、鍍焊料(HASL，厚度7～10μm)。鍍層厚度首選5～10μm，最大不超過25μm，基準點表面平整度應(yīng)該在15μm內(nèi)；

(4) 基準點離印制板邊緣至少5mm，形狀不規(guī)則的板應(yīng)該另外加5mm的板邊。放置位于板和元器件的對角線，基準點標記周圍不能有其它電路特征，其空曠區(qū)尺寸最好等于標記直徑；

(5) 拼板可采用郵票板或雙面對刻V型槽的分離技術(shù)，V型槽深度控制在板厚的1/6～1/8，長度控制在所在邊的1/3內(nèi)；雙面貼裝不進行波峰焊的PCB，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；

(6) 引腳間距在0.65mm以下的細間距貼裝IC，應(yīng)在其焊盤圖形附近增設(shè)基準標志，一般在對角線上設(shè)置兩個對稱基準點作為貼片機光學定位和校準用。

6.測試點制作要求

關(guān)鍵性元件需要在PCB上設(shè)計測試點。用于焊接表面組裝元件的焊盤不允許兼作檢測點，必須另外設(shè)計專用的測試焊盤，以保證焊點檢測和生產(chǎn)調(diào)試的正常進行。用于測試的焊盤盡可能的安排于PCB的同一側(cè)面上，即便于檢測，又利于降低檢測所花的費用。

6.1工藝設(shè)計要求

(1) 測試點距離PCB邊緣需大于5mm；

(2) 測試點不可被阻焊劑或文字油墨覆蓋；

(3) 測試點最好鍍焊料或選用質(zhì)地較軟、易貫穿、不易氧化的金屬，以保證可靠接地，延長探針使用壽命

(4) 測試點需放置在元件周圍1mm以外，避免探針和元件撞擊；

(5) 測試點需放置在定位孔（配合測試點用來精確定位，最佳用非金屬化孔，定位孔誤差應(yīng)在±0.05mm內(nèi)）環(huán)狀周圍3.2mm以外；

(6) 測試點的直徑不小于0.4mm，相鄰測試點的間距最好在2.54mm以上，但不要小于1.27mm；
(7) 測試面不能放置高度超過6.4mm的元器件，過高的元器件將引起在線測試夾具探針對測試點的接觸不良；

(8) 測試點中心至片式元件端邊的距離C與SMD高度H有如下關(guān)系：SMD高度H≤3mm，C≥2mm；SMD高度H≥3mm，C≥4mm。

(9) 測試點焊盤的大小、間距及其布局還應(yīng)與所采用的測試設(shè)備有關(guān)要求相匹配。

6.2電氣設(shè)計要求

(1) 盡量將元件面的SMC/SMD測試點通過過孔引到焊接面，過孔直徑大于1mm，可用單面針床來測試，降低測試成本；

(2) 每個電氣接點都需有一個測試點，每個IC需有電源和接地測試點，且盡可能接近元件，最好在2.54mm以內(nèi)；

(3) 電路走線上設(shè)置測試點時，可將其寬度放大到1mm；

(4) 測試點應(yīng)均勻分布在PCB上，減少探針壓應(yīng)力集中；

(5) PCB上供電線路應(yīng)分區(qū)域設(shè)置測試斷點，以便電源去耦合或故障點查詢。設(shè)置斷點時應(yīng)考慮恢復(fù)測試斷點后的功率承載能力。

7.設(shè)計不當造成的缺陷分析

表面組裝焊盤圖形確定了元器件在印制電路板上的焊接位置，它的設(shè)計合理與否直接決定了焊接強度，對保證產(chǎn)品的可靠性起著關(guān)鍵的作用。由于焊盤設(shè)計不恰當，通常會造成一些不良的焊接缺陷。

造成以上缺陷的主要原因有：

(1) 由于矩形片式元件焊端外側(cè)的焊盤長度決定焊料熔融時能否形成良好的彎月形輪廓焊點。過短的焊盤長度會影響熔融焊料沿元器件焊端和PCB焊盤結(jié)合處的金屬表面潤濕鋪展所能達到的幾何尺寸，從而影響焊點形態(tài)，降低焊點的可靠性。

(2) 過小的焊盤間隙，過窄的焊盤寬度，使涂覆于焊盤上的焊膏量不足，導(dǎo)致虛焊焊點的產(chǎn)生。

(3) 由于QFP封裝的器件的引腳為翼形，主焊點形成位置在翼形引腳的內(nèi)側(cè)，因此在設(shè)計這種窄間距器件的焊盤長度時，必須保證焊盤上的引腳前后端都有過盈的焊盤，其目的是使焊料在溶化后能形成有效的彎月面，以增強焊接強度；過盈端還可以讓過量的焊料有一個“溢料區(qū)”，可以減少橋接。

(4) 因焊盤設(shè)計不當?shù)淖枞菰?，焊點較大，隨強度高，但元件與PCB之間的應(yīng)力全部由焊料吸收，大的焊點形態(tài)不易使應(yīng)力得到釋放，易疲勞失效。
翼型引腳焊點形態(tài)，焊點根部圓角的高度(h)和長度(X)是影響焊點拉伸強度的主要參數(shù)，內(nèi)側(cè)X要偏長。

(5) SOIC、SOJ、PLCC封裝類元器件焊盤用橢圓形，焊盤寬度與焊盤間距的比例為6：4較好，

(6) 細間距QFP器件焊盤圖形優(yōu)選橢圓形，焊盤長度與焊件可焊引腳長度的比例為2.5～3:1。

(7) 焊盤寬度設(shè)計為引腳中心距的55%左右為較好，可減少橋連。

(8) 鷗翼形引腳，焊點輪廓主要形成在引腳內(nèi)側(cè)，應(yīng)保證引腳內(nèi)側(cè)焊盤長度為整個焊盤長度的二分之三，J形引腳焊點輪廓主要形成于引腳外測，應(yīng)保證引腳外測焊盤長度為整個焊盤長度的二分之三。

通過對具體元器件焊點缺陷原因的分析，找到了焊盤設(shè)計不合理的原因，為合理地改進焊盤設(shè)計提供了依據(jù)。