昆山焊盤(pán)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)
　　摘　要：昆山焊盤(pán)設(shè)計(jì)技術(shù)是表面組裝技術(shù)(昆山SMT)的關(guān)鍵。詳細(xì)分析了焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，包括元器件選擇的原則、矩形無(wú)源元件、SOIC和PLCC及QFP器件的焊盤(pán)優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后提出了設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)與焊盤(pán)相關(guān)的問(wèn)題。
　　關(guān)鍵詞：表面組裝技術(shù);焊盤(pán)技術(shù);印制電路板
　　1　引　言
　　昆山表面組裝技術(shù)(昆山SMT)是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，而SMT設(shè)計(jì)技術(shù)則是各種SMT支持技 術(shù)之間的橋梁和關(guān)鍵技術(shù)。SMT設(shè)計(jì)技術(shù)由SMT線路設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備運(yùn)作設(shè) 計(jì)和檢測(cè)設(shè)計(jì)四部分組成。
　　昆山SMT焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)是印制線路板設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，因?yàn)樗_定了元器件在印制線路板上的 焊接位置，而且對(duì)焊點(diǎn)的可靠性、焊接過(guò)程中可能出現(xiàn)的焊接缺陷、可清洗性、可測(cè)試性和 檢修量等都有很大的影響。換句話說(shuō)，焊盤(pán)圖形的設(shè)計(jì)是決定表面組裝部件可制造性的關(guān)鍵 因素之一。
　　目前，表面組裝元器件SMC/SMD品種規(guī)格繁多，結(jié)構(gòu)各異，生產(chǎn)廠家也多。實(shí)現(xiàn)同樣 功能的元件，其封裝形式可能有多種多樣;而對(duì)于某一給定的封裝類(lèi)型，其規(guī)格尺寸也存在 一定的差異。因此，建立統(tǒng)一的設(shè)計(jì)規(guī)范，對(duì)減少焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)時(shí)的復(fù)雜性和提高焊點(diǎn)可靠 性是大為有益的。
　　設(shè)計(jì)表面組裝焊盤(pán)圖形與元器件選擇和工藝方法兩項(xiàng)因素密切相關(guān)。因?yàn)椋侠淼暮副P(pán)圖形 要與元器件尺寸相匹配，可用于不同廠家稍有差異的元件，能適應(yīng)各種不同工藝(如回流焊 和波峰焊)，最大程度地滿足布局和布線的要求。
　　2　焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)
　　2.1　選擇元器件的原則
　　選擇元器件時(shí)要根據(jù)系統(tǒng)和電路原理及組裝工藝的要求，在保證滿足元器件功能和性能的基 礎(chǔ)上，指定有限數(shù)目的供應(yīng)商提供適合的元器件，以減小焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)必須提供的公差，減 小焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度。
　　2.2　矩形無(wú)源元件焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)
　　無(wú)源元件可用波峰焊、回流焊或其他工藝進(jìn)行焊接。由于各種焊接方法的工藝和熱分布存在 一定的差別，從優(yōu)化焊盤(pán)圖形的角度出發(fā)，不同工藝有不同大小的焊盤(pán)圖形，因?yàn)楹附舆^(guò)程 中元件容易發(fā)生移動(dòng)和直立。在波峰焊過(guò)程中，由于元件用黏合劑粘貼，故元件移動(dòng)問(wèn)題就 不突出了，為回流焊設(shè)計(jì)的最佳焊盤(pán)圖形也適合于波峰焊。典型的矩形無(wú)源元件焊盤(pán)圖形為 長(zhǎng)方形，如圖1所示。
　　圖1　典型的矩形無(wú)源元件焊盤(pán)圖形
　　焊盤(pán)大小的計(jì)算公式為：
　　A=Wmax-K　(1)
　　貼裝電容器時(shí)：B=Hmax+Tmin-K　(2)
　　貼裝電阻時(shí)：B=Hmax+Tmin+K　(3)
　　G=Lmax-2Tmax-K　(4)
　　式中，K=0.25mm，W為元件寬度，H為元件厚度，T為元件端 焊頭寬度，L為元件 長(zhǎng)度。焊盤(pán)寬度(A)決定元件在涂敷焊膏/回流焊過(guò)程中的位置以及防止旋轉(zhuǎn)或偏移 ，一 般小于或等于元件寬度;焊盤(pán)長(zhǎng)度(B)決定焊料熔融時(shí)能否形成良好的彎月形輪廓焊 點(diǎn)， 還得避免焊料產(chǎn)生橋接現(xiàn)象，焊接實(shí)踐證明，表面貼裝元器件的焊接可靠性主要取決于焊盤(pán) 長(zhǎng)度而不是寬度;焊盤(pán)間隔(G)控制元件在涂敷焊膏/回流焊過(guò)程中的水平移動(dòng)。
　　由于元件的公差較大，最好以最小或最大元件外形參數(shù)來(lái)計(jì)算焊盤(pán)外形參數(shù)。而矩形電阻器 的厚度約為電容器厚度的一半，故在焊盤(pán)長(zhǎng)度的設(shè)計(jì)上應(yīng)有所不同，否則電阻器會(huì)發(fā)生移位 。
　　2.3　SOIC和PLCC焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)
　　以往SOIC、PLCC及QFP元件的焊盤(pán)圖形均是長(zhǎng)方形，由于印制電路生產(chǎn)方面的原 因，使用橢圓形焊盤(pán)更有益處。其主要原因是：①改進(jìn)印制板表面錫/鉛焊料鍍層的平坦度 和厚度;②減少離子污染引起的邊角處樹(shù)突性增長(zhǎng)造成的高電阻通路;③焊盤(pán)間線路布線會(huì) 更緊密。
　　對(duì)于1.27mm引腳中心距的SOIC/SOJ和PLCC封裝器件，焊盤(pán)寬度與焊盤(pán) 間 距的比例有7∶3、6∶4和5∶5三種。第一種焊盤(pán)間距最小，中間不能走線，第三 種焊 盤(pán)寬度最小，容易造成移位，影響焊點(diǎn)質(zhì)量，第二種最合適。這種焊盤(pán)寬度為0.76m m 、焊盤(pán)間距為0.51mm、焊盤(pán)間可以走一根0.15mm連線的設(shè)計(jì)已廣泛應(yīng)用于 高性能產(chǎn)品中。焊盤(pán)長(zhǎng)度標(biāo)準(zhǔn)為1.9mm。
　　SOIC的引腳形狀為鷗翼形，SOJ、PLCC封裝器件引腳為“J”形，如圖2所示。
　　圖2　PLCC和SOIC器件引腳焊點(diǎn)輪廓
　　由于鷗翼形引線比J形引線柔性好，且SOIC器件外形比PLCC外形尺寸小得多，因此 焊點(diǎn)上產(chǎn)生的應(yīng)力小，可靠性問(wèn)題相對(duì)小些。PLCC的焊點(diǎn)輪廓主要形成在器件引腳外側(cè) ，而鷗翼形引腳的焊點(diǎn)輪廓主要在引腳內(nèi)側(cè)，則焊盤(pán)長(zhǎng)度和焊盤(pán)圖形中相對(duì)焊盤(pán)間的間距大 小的設(shè)計(jì)方法就有所區(qū)別，“J”型引線與焊盤(pán)的相切點(diǎn)應(yīng)向內(nèi)移至焊盤(pán)的1/3處， 是至關(guān)重要的。
　　2.4　QFP焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)
　　QFP器件的引腳也為鷗翼形，因而焊盤(pán)圖形所要考慮的問(wèn)題基本與SOIC相同，但它的 引腳中心距比SOIC的小，常用的幾種中心距有1.0mm、0.8mm、0.65mm和0.5mm等。
　　QFP焊盤(pán)尺寸沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式，引腳間距又很密，所以QFP焊盤(pán)圖形的合理設(shè)計(jì)較困 難，在設(shè)計(jì)中要注意以下幾點(diǎn)：
　　a)焊盤(pán)長(zhǎng)度決定焊點(diǎn)可靠性。如圖3所示，焊盤(pán)長(zhǎng)度與器件可焊引腳最大長(zhǎng)度之間應(yīng)保持 一個(gè)適當(dāng)比例，一般在2.5∶1～3∶1左右，這樣，焊盤(pán)上的引腳前后端 都有過(guò)盈的焊盤(pán)(b1，b2)，使焊料在熔化后能形成有效的彎月面，以增強(qiáng)焊接強(qiáng)度。 此外，過(guò)盈端還可以讓過(guò)量的焊料有一個(gè)“溢料區(qū)”，減少橋接。
　　b)焊盤(pán)寬度一般為引腳中心距的55%左右。
　　圖3　QFP器件焊盤(pán)設(shè)計(jì)示意圖
　　c)確定了焊盤(pán)長(zhǎng)度和焊盤(pán)寬度后，就可計(jì)算出焊盤(pán)圖形中焊盤(pán)間相對(duì)距離及焊盤(pán)圖形 的外形尺寸。即：
　　LA或LB=Dmin+2b2　(5)
　　△LA=(LA-△x)/2-L　(6)
　　△LB=(LB-△y)/2-L　(7)
　　式中，D為元件外形尺寸，m為器件可焊引腳長(zhǎng)度，b1為器件內(nèi)側(cè)焊盤(pán)過(guò)盈 長(zhǎng)度，b2為器件外側(cè)焊盤(pán)過(guò)盈長(zhǎng)度。
　　d)對(duì)于多引腳細(xì)間距的QFP器件，焊盤(pán)的中心距必須與QFP引腳的中心距一致，此外 還應(yīng)保證焊盤(pán)總體的累積誤差應(yīng)在±0.0127mm范圍內(nèi)。這是由于在用計(jì)算機(jī)排版 時(shí)若是以英制單位來(lái)計(jì)算時(shí)與公有制單位有一個(gè)精度差異，因此相鄰焊盤(pán)中心距就比相鄰引 腳中心距大，造成第一條引腳與第一個(gè)焊盤(pán)對(duì)齊時(shí)最后一個(gè)焊盤(pán)已落在最后一條引腳之外的 現(xiàn)象。
　　3　設(shè)計(jì)印制電路板時(shí)與焊盤(pán)相關(guān)的問(wèn)題
　　自行設(shè)計(jì)焊盤(pán)時(shí)，對(duì)稱(chēng)使用的焊盤(pán)(如片狀電阻、電容、 SOIC、QFP等)在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格保持其全面的對(duì)稱(chēng)性，即焊盤(pán)圖形的形狀尺寸應(yīng)完全 一致，以及圖形所處的位置應(yīng)完全對(duì)稱(chēng)。
　　設(shè)計(jì)焊盤(pán)圖形時(shí)最好以CAD系統(tǒng)中的焊盤(pán)和線條為元素來(lái)設(shè)計(jì)，以便今后可再編輯。
　　焊盤(pán)內(nèi)不允許印有字符和圖形標(biāo)志，標(biāo)志符號(hào)離焊盤(pán)邊緣距離應(yīng)大于0.5　mm。凡無(wú)外 引腳的器件焊盤(pán)，其焊盤(pán)之間不允許有通孔，以保證清洗質(zhì)量。
　　兩個(gè)元件之間不應(yīng)使用單個(gè)大焊盤(pán)，避免錫量過(guò)多，熔融后拉力大，將元件拉到一側(cè)。如圖 4所示。
　　圖4　使用一個(gè)大焊盤(pán)的失誤
　　對(duì)于引腳中心距為0.65　mm及其以下的細(xì)間距元件，應(yīng)在焊盤(pán)圖形的對(duì)角線上，增設(shè) 兩個(gè)對(duì)稱(chēng)的裸銅基準(zhǔn)標(biāo)志，用于光學(xué)定位，提高貼片精度。
　　應(yīng)正確標(biāo)注每個(gè)元器件所有引腳的順序號(hào)，以避免布線時(shí)引腳混淆。
　　4　結(jié)束語(yǔ)
　　昆山SMT焊盤(pán)設(shè)計(jì)是表面組裝器件制造中的關(guān)鍵技術(shù)，但其中的設(shè)計(jì)問(wèn)題容易被忽視。應(yīng)正確 選擇適合的元器件，優(yōu)化設(shè)計(jì)各種元器件的焊盤(pán)圖形設(shè)計(jì)，使得設(shè)計(jì)的印制線路板達(dá)到性能 最佳、質(zhì)量最優(yōu)。