浅谈表面安装优势及其PCB设计工艺

  以前的电子产品,"插件+手焊"是PCB板的基本工艺过程,因而对PCB板的设计要求也十分单纯,随着表面安装技术的引入,制造工艺逐步溶于设计技术之中,对PCB板的设计要求就越来越苛刻,越来越需要统一化、规范化。本文结合作者多年的生产实践经验,对表面安装PCB设计中的制造工艺性问题进行了总结,提出来供广大设计人员参考。
  一、表面安装优势
  印制电路板上没有孔或窗口,元件直接紧贴在印制电路板上,缩短了引线,电路装配更易于实现自动化。用小的表面安装元件,可以节省印制电路板上的大量空间,对大多数系统而言,当元件装在电路板一面时,电路板面积可以减小两倍,当元件装到电路板两面时,又可以减小两倍,而且由于表面安装元件的高度一般都比较小,电路的密度可以增另两倍,这就可以大大减小系统的体积。
  使用表面安装,由于引线的缩短,相对插脚元件而言,可以大大降低引线电感,寄生电容和电阻,因而各个元件的延迟时间缩短,使电路有更快的响应速度,使系统的电性能获得较大提高。
  二、PCB设计工艺
  1、PCB板选择(具体设备每种参数可能略有差别)
  1.1 最大面积:X×Y=330mm×250mm(对应于小工作台贴片设备) X×Y=460mm×460mm(对应于大工作台贴片设备)
  1.2 最小面积:X×Y=80mm×50mm
  1.3 PCB四周倒角R 1.5mm
  1.4 PCB厚度:0.8~2.5mm
  1.5 若PCB板太小,需设计拼板,倘若拼板,建议采用邮票版或双面对刻V型槽的分离技术。
  2、元器件布局规则
  2.1 元件布置的有效范围:PCB板X,Y方向均要留出传送边,每边3.5mm,如不可避免,需另加工艺传送边。
  2.2 PCB板上元件需均匀排放,避免轻重不均。
  2.3 元器件在PCB板上的排向,原则上就随元器件类型的改变而变化,即同类元器件尽可能按相同的方向排列,以便元器件的贴装、焊接和检测。
  2.4 当采用波峰焊时,尽量保证元器件的两端焊点同时接触焊料波峰(SOIC必须保证,片状、柱状元件尽量保证)。
  2.5 当尺寸相差较大的片状元器件相邻排列,且间距很小时,较小的元器件在波峰焊时应排列在前面,先进入焊料波,避免尺寸较大的元器件遮蔽其后尺寸较小的元器件,造成漏焊。
  2.6 板上不同组件相邻焊盘图形之间的最小间距应在1mm以上。
  3、基准标志
  3.1 为了精密地贴装元器件,可根据需要设计用于整块PCB的光学定位的一组图形(基准标志),用于引脚数多,引脚间距小的单个器件的光学定位图形(局部基准标志)。
  3.2 基准标志常用图形有:■ ● ▲ +,大小在0.5~2.0mm范围内,置于PCB或单个器件的对角线对称方向位置。
  3.3 基准标志要考虑PCB材料颜色与环境的反差,通常设置成焊盘样,即覆铜或镀铅锡合金。
  3.4 对于拼板,由于模具冲压偏差,可能形成板对板之间间距不一致,最好在每块拼板上都设基准标志,让机器将每块拼板当作单板看待。
  4、焊盘图形设计
  焊盘设计一般按所用元件外形在CAD标准库中选取相应标准焊盘尺寸,不可以大代小或以小代大。
  5、焊盘与印制导线
  5.1 减小印制导线连通焊盘处的宽度,除非受电荷容量、印制板加工极限等因素的限制,最大宽度应为0.4mm,或焊盘宽度的一半(以较小焊盘为准)。
  5.2 焊盘与较大面积的导电区如地、电源等平面相连时,应通过一长度较短细的导电线路进行热隔离。
  5.3 印制导线应避免呈一定角度与焊盘相连,只要可能,印制导线应从焊盘的长边的中心处与之相连。
  6、焊盘与阻焊膜
  6.1 印制板上相应于各焊盘的阻焊膜的开口尺寸,其宽度和长度分别应比焊盘尺寸大0.05~0.25mm,具体情况视焊盘间距而定,目的是既要防止阻焊剂污染焊盘,又要避免焊膏印刷、焊接时的连印和连焊。
  6.2 阻焊膜的厚度不得大于焊盘的厚度
  7、导通孔布局
  7.1 避免在表面安装焊盘以内,或在距表面安装焊盘0.635mm以内设置导通孔。如无法避免,须用阻焊剂将焊料流失通道阻断。
  7.2 作为测试支撑导通孔,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(ATE)时的最小间距。
  8、焊接方式与PCB整体设计
  8.1 再流焊几乎适用于所有贴片元件的焊接,波峰焊则只适用于焊接矩形片状元件、圆柱形元器件、SOT等和较小的SOP(管脚数少于28、脚间距1mm以上)。当采用波峰焊接SOP等多脚元件时,应于锡流方向最后两个(每边各1)焊脚处设置窃锡焊盘,防止连焊。
  8.2 鉴于生产的可操作性,PCB整体设计尽可能按以下顺序优化:
  A.单面贴装或混装,即在PCB单面布放贴片元件或插装元件;
  B.双面贴装,PCB A面布放贴片元件和插装元件,B面布放适合于波峰焊的贴片元件;
  C.双面混装,PCB A面布放贴片元件和插装元件,B面布放有需再流焊的贴片元件。

  总之,表面贴装PCB设计内容很广,不仅要考虑电路基本设计、元器件产品设计、基板设计。而且还要考虑制造工艺性设计、测试图形设计等多方面的内容。若设计不当,SMT根本无法实施或生产效率很低。另外,随着SMT设备的发展,SMT工艺也在不断发展,现有的一些制约因素也许在不久的将来就会消失,所以需设计人员不断跟踪新设备,新工艺的发展。

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