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基于IPC的SMT表貼器件PCB 封裝設計日期:29 Oct 2019       來源:       預覽:86返回

為解決在PCB 設計過程中可制造性和產品性能之間折中考慮的問題,依據IPC-7351B 標準,對表貼器件PCB 封裝進行設計。結合IPC-7351B 標準、可制造性和可靠性等要求,通過對標準封裝的SMD 焊盤尺寸及引腳參數計算,設置SMD 焊盤阻焊參數,設計出表面貼裝器件PCB 封裝。實踐結果表明,該方法可提高產品的可焊性和可靠性。

引言

目前在PCB 設計過程中,由于產品小型化、高密度和可靠性等要求,導致很多時候需要在可制造性和產品性能之間折中考慮。在PCB 設計過程中,封裝的設計是一個重要而又容易被忽視的過程,其設計質量直接影響后期器件裝配以及產品質量。目前封裝設計的標準很多,有國際標準、國軍標和企標等, 必須采用統一的設計標準指導設計。IPC-7351B 是IPC(國際電子工業協會)制定的表面貼裝設計和焊盤圖形標準通用要求,是國際通用的設計規范。該標準充分考慮了產品密度、環境和返修等因素。筆者結合IPC-7351B 標準、可制造性和可靠性等要求,對表面貼裝器件PCB 封裝設計進行了介紹和總結,同時結合CADENCE 設計軟件對封裝設計中其他參數進行了說明。

1 概述

1.1 PCB 封裝設計的重要性

在PCB 設計的過程中,有時會出現如下問題:

1) 元器件與PCB 板焊盤規格不匹配,例如0603 規格的元器件貼裝在0805 規格的焊盤上,或0805 規格的元器件貼裝在0603 規格的焊盤上;

2) 同一規格的元器件有多種不同的封裝設計,標準不統一;

3) PCB 封裝所匹配的焊盤尺寸不符合規范的要求。

以上問題都是由于建庫標準不統一和不規范給后期SMT 作業帶來極大困擾甚至焊接不良,最終影響了產品質量和生產效率;因此,PCB封裝的設計對SMT 產品的可制造性和壽命有很大的影響。

1.2 IPC-7351B 標準簡介

IPC 是國際電子工業聯接協會。IPC-7351B 是表面貼裝設計和焊盤圖形標準通用要求, 替代IPC-SM-782A 標準。IPC-7351B 從元器件密度、高沖擊環境和對返修要求等變量對PCB 封裝焊盤的設計給出了建議,并且IPC-7351B 將PCB 封裝分為3 種類型。如圖1 所示,用戶可從3 種密度中選擇適合自己產品的尺寸。

1) 密度等級A

最大焊盤伸出,適用于低元器件密度應用,典型的例子如便攜/手持式或暴露在高沖擊或震動環境中的產品。焊接結構是最堅固的,并且在需要的情況下很容易進行返修。人工焊接和機器焊接都可操作,且留有較大的裕量。

2) 密度等級B

中等焊盤伸出,適用于中等元件密度的產品,提供堅固的焊接結構。人工焊接和機器焊接都可以操作。

3) 密度等級C

最小焊盤伸出,適用于焊盤圖形具有最小的焊接結構要求的微型器件,可實現最高的元件組裝密度。適用于機器焊接,人工焊接較難。

2 表貼電子元器件封裝設計

2.1 SMD 焊盤設計

2.1.1 標準封裝的SMD 焊盤尺寸計算

標準封裝是指符合JEDEC、EIA等國際標準的封裝,例如SOP、SOIC、TSSOP、TQFP 等。其中:Z 為封裝兩邊焊盤最外沿的距離;G 為封裝兩邊焊盤內沿的距離;X 為封裝焊盤的寬度;L 為元器件兩邊引腳最外沿的距離;S 為表示元器件兩邊引腳內沿的距離;W 為元器件的引腳寬度;JT 為焊點外延(toe)的長度,即腳趾;JH 為焊點內沿(heel)的長度,即腳跟;JS 為焊點側面(side)的長度,即腳側;CL 為元器件的尺寸容限,L 的最大值與最小值的差值;CS 為元器件的尺寸容限,S 的最大值與最小值的差值;CW 為元器件的尺寸容限,W 的最大值與最小值的差值;F 為印制板加工時的公差;P為SMT 機器焊接時的公差。

計算公式中,各參數計算值規定如下:

1) L、S 和W 分別為元器件的各尺寸,通過元器件數據手冊獲得;

2) CL、CS 和CW 是元器件的尺寸容限,通過元器件數據手冊獲得;

3) F 和P 分別為印制板制造公差和元器件貼裝公差,可根據用戶的設備能力進行修改,一般可取F=0.1 mm(4 mil),P=0.1 mm(4 mil);

4) JT、JH 和JS 取值見IPC-7351B 標準中對于各種封裝形式和各種密度等級的推薦值。

2.1.2 各種封裝形式的引腳計算參數

在IPC-7351B 標準中,針對各種標準封裝形式和3 種密度等級都有封裝計算參數JT、JH 和JS 的薦,以及調節系數推薦等。根據產品的密度等級即可計算封裝參數。例如:對于間距大于0.625 mm的扁平帶狀L 形引腳和歐翼形引腳的計算參數如表1

2.1.3 SMD 焊盤阻焊參數設置

焊盤阻焊的大小表明焊盤的開口尺寸,其大小一般是在焊盤尺寸的基礎上外擴一個尺寸,外擴尺寸需要根據生產廠家的工藝能力確定。一般建議設置為:在焊盤尺寸的基礎上擴大6 mil,非金屬化孔的阻焊與鉆孔尺寸一致。

對于高密度器件,一般指焊盤間距小于0.5 mm時,在制作封裝過程中會出現焊盤的阻焊重疊,也就導致沒有阻焊橋。這種情況下,一般采取2 種方式處理:

1) 第1 種采用的是不要阻焊橋的方式,即焊盤全開窗。

2) 第2 種調整阻焊的尺寸。如圖4 中,D 為兩相鄰引腳焊盤的中心距離,R 為焊盤半徑,S 為阻焊單邊開窗的尺寸,G 為阻焊橋寬度。阻焊尺寸應滿足以下計算公式:

G=D-2R-2S≥3 mil。

2.2 PCB 封裝設計

2.2.1 坐標原點

SMD 器件的PCB 封裝坐標原點(0,0)點放置在SMD 器件的幾何中心,這有利于后期裝配機器的識別。

2.2.2 絲印層

封裝絲印層主要用來在PCB 板上表示器件實體大小范圍,以及PCB 上器件的SMT 裝配時作為器件定位的參考。結合CADENCE 設計軟件和生產廠家常規加工能力,SMD 器件PCB 封裝絲印層設計有一些特殊考慮,當然根據生產工藝,參數可以調整。

1) 絲印層線段的線寬一般采用5 mil。

2) 絲印層外框不允許壓焊盤,一般要求離焊盤的距離≥10 mil。

3) 絲印層需要畫出器件的1 腳標識,可以采用空心圓,推薦線寬5 mil,半徑20 mil,以便于加工和后期PCB 板的查看,同時空心圓不能與其他絲印重疊。

4) 有正負極性的器件,應明確標識器件的正極性或負極性,便于器件的裝配識別。

2.2.3 器件實體范圍大小

PCB 封裝建立時, 封裝區域的大小在CADENCE 軟件中可以作為器件布局DRC 檢查項。封裝區域大小可以考慮由2 項組成,包括封裝最大外圍尺寸和焊接工藝要求的器件間距一起組成封裝區域。表4 為常用焊接工藝要求的器件間距推薦。如果在PCB 設計中,封裝區域有干涉軟件自動進行報錯提醒。

3 結束語

在PCB 封裝設計過程中,只要綜合考慮環境條件、產品性能、密度等級、產品可制造性良好等情況,遵循芯片設計手冊的規定,并參考IPC-7351B標準,就一定能設計出滿足產品性能要求的可制造性良好的PCB 封裝。筆者所在單位采用IPC-7351B標準里的密度等級A 建立元器件封裝庫,進一步提高了產品可靠性。實踐結果證明:該方法切實可行,提高了產品的可焊性和可靠性。

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