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1、7/29/2023,1,SMT-表面组装技术 机械工业出版社同名教材 何丽梅 主编,7/29/2023,2,第3章表面组装印制版的设计与制造,7/29/2023,3,SMB（board）,（1）表面贴装对PCB的要求 比THT 高一个数量级以上 外观要求高 热膨胀系数小，导热系数高 耐热性要求 铜箔的粘合强度高 抗弯曲强度：电性能要求：介电常数，绝缘性能 耐清洗,7/29/2023,4,对SMB性能要求高,7/29/2023,5,SMB的特点,1.高密度由于有些SMD器件引脚数高达100500条之多，引脚中心距已由1.27mm过渡到0.5mm，甚至0.3mm，因此SMB要求细线、窄间距，线宽从
2、0.20.3mm缩小到0.15mm、0.1mm甚至0.05mm，2.54mm网格之间已由过双线已发展到过3根导线,最新技术已达到过6根导线，细线、窄间距极大地提高了PCB的安装密度。2.小孔径 单面PCB中的过孔主要用来插装元器件，而在SMB中大多数金属化孔不再用来插装元器件，而是用来实现层与层导线之间的互连。目前SMB上的孔径为0.460.3mm，并向0.20.1mm方向发展，与此同时，出现了以盲孔和埋孔技术为特征的内层中继孔。,7/29/2023,6,3.热膨胀系数(CTE)低由于SMD器件引脚多且短，器件本体与PCB之间的CTE不一致。由于热应力而造成器件损坏的事情经常会发生，因此要求S
3、MD基材的CTE应尽可能低，以适应与器件的匹配性，如今，CSP、FC等芯片级的器件已用来直接贴装在SMB上，这就对SMB的CTE提出了更高的要求。4.耐高温性能好SMT焊接过程中，经常需要双面贴装元器件，因此要求SMB能耐两次再流焊温度，并要求SMB变形小、不起泡，焊盘仍有优良的可焊性，SMB表面仍有较高的光洁度。5.平整度高SMB要求很高的平整度，以便SMD引脚与SMB焊盘密切配合，SMB焊盘表面涂覆层不再使用SnPb合金热风整平工艺，而是采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。,7/29/2023,7,PCB基材质量参数,1.玻璃化转变温度(Tg)玻璃化转变温度(Tg)是指PCB材质在一定温度
4、条件下，基材结构发生变化的临界温度。在这个温度之下基材是硬而脆的，即类似玻璃的形态，通常称之为玻璃态;若在这个温度之上，材料会变软，呈橡胶样形态，称之为橡胶态或皮革态，这时它的机械强度将明显变低。这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度(glass transtion temperture，简称Tg)。玻璃化转变温度是聚合物特有的性能,除了陶瓷基板外，几乎所有的层压板都含有聚合物，因此，它是选择基板的个关键参数。,7/29/2023,8,2.热膨胀系数(CTE),热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion CTE)是指每单位温度变化所引发的材料尺寸的线性变
5、化量。任何材料受热后都会膨胀，高分子材料的CTE通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，会对材料产生损坏。用于SMB的多层板是由几片单层“半固化树脂片”热压制成的，冷却后再在需要的位置上钻孔并进行电镀处理，最后生成电镀通孔金属化孔，金属化孔制成后，也就实现了SMB层与层之间的互连。一般金属化孔的孔壁仅在25m厚左右，且铜层致密性不会很高。对于多层板结构的SMB来说，其长、宽方向的CTE与厚度方向的CTE存在差异性。因此当多层板焊接受热时，层压材料、玻璃纤维和铜层之间在厚度方向的热膨胀系数不一致，其热应力就会作用在金属化孔的孔壁上，从而引发金属化孔中的铜层开裂，发生故障，如图3-5所示。
6、,7/29/2023,9,图3-5 热应力对金属化孔壁的作用 a)多层板室温下无应力，金属化孔完好 b)高温下热应力作用在金属化孔上,7/29/2023,10,克服或消除金属化孔中的铜层开裂的措施：,凹蚀工艺，以增强金属化孔壁与多层板的结合力；适当控制多层板的层数，目前主张使用810层，使金属孔的径深比控制在1：3左右，这是最保险的径深比，目前最常见的径深比是1：6左右；使用CTE相对小的材料或者用CTE性能相反的材料叠加使用，使SMB整体的CTE减小；在SMB制造工艺上，采用盲孔和埋孔技术，如图3-6所示，以达到减小径深比的目的。盲孔是指表层和内部某些分层互连，无须贯穿整个基板，减小了孔的深
7、度；埋孔则仅是内部分层之间的互连，可使孔的深度进一步减小。尽管盲孔和埋孔在制作时难度大，但却大大提高了SMB的可靠性。,7/29/2023,11,3.耐热性 某些工艺过程中SMB需经两次再流焊，因而经过一次高温后，仍然要求保持板间的平整度，方能保证二次贴片的可靠性;而SMB焊盘越来越小，焊盘的粘结强度相对较小，若SMB使用的基材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般要求SMB能具有2500C50s的耐热性。4.电气性能 由于无线通信技术向高频化方向发展，对SMB的高频特性要求更加提高，特别是移动通信系统的扩增，所用的频率也由短波带(300M1GHz)逐渐进入微波带(13GHz)。频率的增高会导
8、致基材的介电常数()增大。通常电路信号的传输速度V(ms)与有关：其中，K为常数，C为光速，为PCB的介电常数。,7/29/2023,12,当PCB的增大时，电路信号的传输速度V降低。例如，聚四氯乙烯基板的为2.63，环氧基板的为4.54.9，前者比后者低35%47%，若采用前者制作SMB，则其信号速度比后者要快40%。此外，若从信号损失角度来分析，电介质材料在交变电场的作用下会因发热而消耗能量，通常用介质损耗角正切(tan)表示,一般情况下tan与成正比关系。若tan增大，介质吸收波长和热，损失大，在高频下这种关系就更加明显，它直接影响高频传输信号的效率。总之，和tan是评估SMB基材电气性
9、能的重要参数，当电路的工作频率大于1GHz时通常要求基材的3.5，tan0.02。此外，评估基材电气性能指标的还有抗电强度、绝缘电阻，抗电弧性能等。,7/29/2023,13,5.平整度 SMB要求很高的平整度，以使SMD引脚与SMB焊盘密切配合。SMB焊盘表面涂覆层不仅使用SnPb合金热风整平工艺，而且大量采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。6.特性阻抗 当脉动电通过导体时，除了受到电阻外，还受到感抗(XL)和容抗(XC)的阻力，电路或元件对通过其中的交流电流所产生的阻碍作用称为阻抗，简称Z0。用于高频线路的SMB应有高精度的特性阻抗。影响Zo值有多方面的因素，如绝缘层的介电常数、绝缘层的厚
10、度H、导线宽度W、导电层的厚度T(包括镀金层的厚度)，其、H、T与PCB基材本身特性有关。,7/29/2023,14,表面组装印制板的设计,SMT产品的质量保证，除生产管理、生产设备、生产工艺之外，SMB的设计也是一个十分重要的问题。在设计表面组装印制电路板之前，应按下图充分考虑。,7/29/2023,15,表面组装印制板设计的基本原则,1.元器件布局布局是按照电原理图的要求和元器件的外形尺寸，将元器件均匀整齐地布置在PCB上，并能满足整机的机械和电气性能要求。布局合理与否不仅影响PCB组装件和整机的性能和可靠性，而且也影响PCB及其组装件加工和维修的难易度，所以布局时尽量做到以下几点：元器件
11、分布均匀、排在同一电路单元的元器件应相对集中排列，以便于调试和维修；有相互连线的元器件应相对靠近排列，以利于提高布线密度和保证走线距离最短；对热敏感的元器件，布置时应远离发热量大的元器件；相互可能有电磁干扰的元器件，应采取屏蔽或隔离措施。,7/29/2023,16,2.布线规则 布线是按照电原理图和导线表以及需要的导线宽度与间距布设印制导线，布线一般应遵守如下规则：在满足使用要求的前提下，选择布线方式的顺序为单层双层多层，即布线可简时不繁。两个连接盘之间的导线布设尽量短，敏感的信号、小信号先走，以减少小信号的延迟与干扰。模拟电路的输入线旁应布设接地线屏蔽；同一层导线的布设应分布均匀；各导线上的
12、导电面积要相对均衡，以防板子翘曲。信号线改变方向应走斜线或圆滑过渡,而且曲率半径大一些好，避免电场集中、信号反射和产生额外的阻抗。,7/29/2023,17,数字电路与模拟电路在布线上应分隔开，以免互相干扰，如在同一层则应将两种电路的地线系统和电源系统的导线分开布设，不同频率的信号线中间应布设接地线隔开，避免发生串扰。为了测试的方便，设计上应设定必要的断点和测试点。电路元件接地、接电源时走线要尽量短、尽量近，以减少内阻。上下层走线应互相垂直，以减少耦合，切忌上下层走线对齐或平行。高速电路的多根IO线以及差分放大器、平衡放大器等电路的IO线长度应相等,以避免产生不必要的延迟或相移。焊盘与较大面积
13、导电区相连接时，应采用长度不小于0.5mm的细导线进行热隔离，细导线宽度不小于0.13mm。,7/29/2023,18,最靠近板的边缘的导线，距离印制板边缘的距离应大于5mm，需要时接地线可以靠 近板的边缘。如果印制板加工过程中要插入导轨，则导线距板的边缘至少要大于导轨槽深的距离。双面板上的公共电源线和接地线，尽量布设在靠近板的边缘，并且分布在板的两面，其图形配置要使电源线和地线之间为低的阻抗。多层板可在内层设置电源层和地线层，通过金属化孔与各层的电源线和接地线连接，内层大面积的导线和电源线、地线应设计成网状，可提高多层板层间结合力。,7/29/2023,19,3.导线宽度印制导线的宽度由导线
14、的负载电流、允许的温升和铜箔的附着力决定。一般印制板的导线宽度不小于0.2mm，厚度为18m以上，对于SMT印制板和高密度板的导线宽度可小于0.2mm，导线越细其加工难度越大，所以在布线空间允许的条件下，应适当选择宽一些的导线，通常的设计原则如下：信号线应粗细一致，这样有利于阻抗匹配，一般推荐线宽为0.20.3mm(812mil)，而对于电源地线则走线面积越大越好，可以减少干扰。对高频信号最好用地线屏蔽，可以提高传输效果。在高速电路与微波电路中，规定了传输线的特性阻抗，此时导线的宽度和厚度应满足特性阻抗要求。在大功率电路设计中，还应考虑到电源密度，此时应考虑到线宽与厚度以及线间的绝缘性能。若是
15、内层导体，允许的电流密度约为外层导体的一半。,7/29/2023,20,4.印制导线间距印制板表层导线间的绝缘电阻是由导线间距、相邻导线平行段的长度、绝缘介质(包括基材和空气)所决定的，在布线空间允许的条件下，应适当加大导线间距。5.元器件的选择元器件的选择应充分考虑到PCB实际面积的需要，尽可能选用常规元器件。不可盲目地追求小尺寸的元器件，以免增加成本，IC器件应注意引脚形状与脚间距，对小于0.5mm脚间距的QFP应慎重考虑，不如直接选用BGA封装的器件，此外对元器件的包装形式、端电极尺寸、可焊性、器件的可靠性、温度的承受能力(如能否适应无铅焊接的需要)都应考虑到。,7/29/2023,21
16、,6.PCB基材的选用选择基材应根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求来选择；根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数(单面、双面或多层板)；根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件质量，确定基材板的厚度。不同类型材料的成本相差很大，在选择PCB基材时应考虑到下列因素：电气性能的要求;Tg、CTE、平整度等因素以及孔金属化的能力;价格因素。,7/29/2023,22,7.印制板的抗电磁干扰设计对于外部的电磁干扰，可通过整机的屏蔽措施和改进电路的抗干扰设计来解决。对PCB组装件本身的电磁干扰，在进行PCB布局、布线设计时，应考虑抑制设计，常用以下方法：可能相互产生影响或干扰的元器件，在布局时应尽量远离或
17、采取屏蔽措施。不同频率的信号线，不要相互靠近平行布线；对高频信号线，应在其一侧或两侧布设接地线进行屏蔽。对于高频、高速电路，应尽量设计成双面和多层印制板。双面板的一面布设信号线，另一面可以设计成接地面；多层板中可把易受干扰的信号线布置在地线层或电源层之间;对于微波电路用的带状线，传输信号线必须布设在两接地层之间，并对其间的介质层厚度按需要进行计算。,7/29/2023,23,晶体管的基极印制线和高频信号线应尽量设计得短，减少信号传输时的电磁干扰或辐射。不同频率的元器件不共用同一条接地线，不同频率的地线和电源线应分开布设。数字电路与模拟电路不共用同一条地线，在与印制板对外地线连接处可以有一个公共
18、接点。工作时电位差比较大的元器件或印制线，应加大相互之间的距离。,7/29/2023,24,8.PCB的散热设计随着印制板上元器件组装密度的提高，若不能及时有效地散热，将会影响电路的工作参数，甚至热量过大会使元器件失效，所以对印制板的散热问题，设计时必须认真考虑，一般采取以下措施：加大印制板上与大功率元件接地面的铜箔面积：发热量大的元器件不贴板安装，或外加散热器；对多层板的内层地线应设计成网状并靠近板的边缘;选择阻燃或耐热型的板材。9.PCB板做成圆弧角 直角的PCB板在传送时容易产生卡板，因此在设计PCB板时，要对板框做圆弧角处理，根据PCB板尺寸的大小确定圆弧角的半径。拼板和加有辅助边的P
19、CB板在辅助边上做圆弧角。,7/29/2023,25,SMCSMD焊盘设计,1.SMC片式元件的焊盘设计片式元件焊接后理想的焊接形态如图3-13所示。从图中可以看出它有两个焊点，分别在电极的外侧和内侧，外侧焊点又称主焊点，主焊点呈弯月面状，维持焊接强度；内焊点起到补强和焊接时自对中作用,不可轻视。由图3-13可知理想的焊盘长度为B=bl+T+b2，式中b1取值范围为0.050.3mm,b2取值范围为0.251.3mm。,7/29/2023,26,图3-13 理想的焊接形态,7/29/2023,27,图3-14 焊盘的内外侧距离,对于焊盘宽度A的设计有下列三种情况：用于高可靠性场合时，焊盘宽度A
20、=1.1元件宽度,用于工业级产品时，焊盘宽度A=1.0元件宽度；用于消费类产品时，焊盘宽度A=(0.91.0)元件宽。焊盘间距G应适当小于元件两端焊头之间的距离，焊盘外侧距离D=L+2 b2,如图3-14所示。,7/29/2023,28,在SMT中，柱状无源元器件(MELF)的焊盘图形设计与焊接工艺密切相关，MELF焊盘图形如图3-17所示。当采用贴片一波峰焊时，其焊盘图形可参照片状元件的焊盘设计原则来设计；当采用再流焊时，为了防止柱状元器件的滚动，焊盘上必须开一个缺口，以利于元器件的定位。计算公式：A=Lmax-2Tmax-0.254 B=dmax+Tmin+0.254 C=dmax-0.2
21、54 D=B-(2B+A-Lmax)/2 E=0.2mm,7/29/2023,29,2.小外形封装晶体管焊盘的设计,在SMT中，小外形封装晶体管(SOT)的焊盘图形设计较为简单，一般来说，只要遵循下述规则即可。焊盘间的中心距与器件引线间的中心距相等；焊盘的图形与器件引线的焊接面相似，但在长度方向上应扩展0.3mm，在宽度方向上应减少0.2mm：若是用于波峰焊则长度方向及宽度方向均应扩展0.3mm。使用中应注意SOT的品种，如SOT-23、SOT-89、SOTl43和DPAK等，SOT焊盘图形如图3-18所示。,7/29/2023,30,图3-18 SOT焊盘图形,7/29/2023,31,3.
22、PLCC焊盘设计 PLCC封装的器件至今仍大量使用，但焊盘设计中经常出现错误，并导致焊接后焊料不能完全包裹“L”引脚的下沿，PLCC焊盘图形如图3-19所示。PLCC焊盘图形如图3-19所示。LCCC封装的焊盘图形和PLCC焊盘图形相似，设计时可参考图3-19。,7/29/2023,32,图3-20 PLCC引脚在焊盘上的位置 a)引脚居中型 b)引脚不居中型,7/29/2023,33,4.QFP焊盘设计,这种焊盘其焊盘长度和引脚长度的最佳比为L2:Ll=(2.53):1,或者L2=F+L1+A(F为端部长0.4mm；A为趾部长0.6mm;Ll为器件引脚长度;L2为焊盘长度)。QFP焊盘的设计
23、尺寸如图3-21所示。焊盘宽度通常取：0.49Pb20.54P(P为引脚公称尺寸；b2为焊盘宽度)。对于引脚中心距0.5mm间距的QFP焊盘设计，以FQFP48器件为例，它的外形尺寸如图3-22所示。考虑以上各种因素，则L1=0.5(mm)(器件规定)；L2:L1=3:1；L2=F+L1+A=0.4+0.5+0.6=1.5(mm)；b=0.5P=0.50.5=0.25(mm)。设计完成后的焊盘尺寸如图3-23所示。,7/29/2023,34,图 3-21 QFP焊盘的设计,7/29/2023,35,图3-22 FQFP48器件的外形尺寸,7/29/2023,36,图3-23 FQFP48器件焊
24、盘尺寸,7/29/2023,37,5.BGA焊盘设计 BGA焊点的形态如图所示，图中Dc、Do是器件基板的焊盘尺寸，Db是焊球的尺寸，Dp是PCB焊盘尺寸，H是焊球的高度。,7/29/2023,38,通常BGA焊盘结构有三种形式，分别是亚铃式焊盘、过孔分布在BGA外部式焊盘、混合式焊盘。哑铃式焊盘。哑铃式焊盘结构如图3-26a所示。BGA焊盘通过过孔把线路引入到其他层，实现同外围电路的沟通，过孔通常应用阻焊层全面覆盖。过孔分布在BGA外部式焊盘。过孔分布在BGA外部形式的焊盘特别适用于IO数量较少的BGA焊盘设计，焊接时的一些不确定性因素有所减少，对保证焊接质量有利。但采用这样的设计形式对于多IO端子的BGA是有困难的，此外该结构焊盘占用PCB的面积相对过大。过孔分布在BGA外部式焊盘如图3-26b所示。混合式焊盘。对于IO较多的BGA，其焊盘设计可以将上述两种焊盘 结构设计混合在一起使用，即内部采用过孔结构，外围则采用过孔分布在 BGA外部形式的焊盘。,7/29/2023,39,图3-26 BGA的哑铃式焊盘a)哑铃式焊盘 b)过孔分布在BGA外部式焊盘,7/29/2023,40,谢 谢！,
