SMT表面安装PCB设计工艺简析(下)

time : 2019-08-13 09:07       作者:凡亿pcb

SMT表面安装技术在许多电子产品的生产制造中被大量采用,本文就SMT表面安装PCB设计时需考虑的一些制造工艺性问题进行了阐述,给SMT设计人员提供一个参考。
关键词:印制电路板 基准标志 导通孔 波峰焊 再流焊 可测性设计
 
五、元器件布局的要求
  元器件布局要满足SMT生产工艺的要求。由于设计所引起的产品质量问题在生产中是很难克服的;因此,PCB设计工程师要了解基本的SMT工艺特点,根据不同的工艺要求进行元器件布局设计,正确的设计可以焊接缺陷到最低。在进行元器件布局时要考虑以下几点:
PCB上元器件分布应尽可能地均匀;大质量器件再流焊时热容量较大,因此,布局上过于集中容易造成局部温度低而导致假焊; 
大型器件的四周要留一定的维修空隙(留出SMD返修设备加热头能够进行操作的尺寸); 
功率器件应均匀地放置在PCB边缘或机箱内的通风位置上; 
单面混装时,应把贴装和插装元器件布放在A面;采用双面再流焊混装时,应把大的贴装和插装元器件布放在A面,PCB A、B两面的大器件要尽量错开放置;采用A面再流焊,B面波焊混装时,应把大的贴装和插装元器件布放在A面(再流焊),适合于波峰焊的矩形、圆柱形片式元件、SOT和较小的SOP(引脚数小于28,引脚间距1mm以上)布放在B面(波峰焊接面)。波峰焊接面上不能安放四边有引脚的器件,如,QEP、PLCC等; 
波峰焊接面上元器件封装必须能承受260度以上温度并是全密封型的; 
贵重的元器件不要布放在PCB的角、边缘,或靠近接插件、安装孔、槽、拼板的切割、豁口和拐角等处,以上这些位置是印制电路板的高应力区,容易造成焊点和元器件的开裂或裂纹。 
波峰焊接元件的方向 
所有的有极性的表面贴装元件在可能的时候都要以相同的方向放置。在任何第二面要用波峰焊接的印制电路板装配上,在该面的元件首选的方向如图2所示。使用这个首选方向是要使装配在退出焊锡波峰时得到的焊点质量最佳。在排列元件方向时应尽量做到:
(1) 所有无源元件要相互平行 ;
(2) 所有SOIC要垂直于无源元件的长轴 ;
(3) SOIC和无源元件的较长轴要互相垂直;
(4) 无源元件的长轴要垂直于板沿着波峰焊接机传送带的运动方向 。
(5) 当采用波峰焊接SOIC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。 
贴装元件方向的考虑 
类型相似的元件应该以相同的方向排列在板上,使得元件的贴装、检查和焊接更容易。还有,相似的元件类型应该尽可能接地在一起,如图3所示。 
波峰焊接应用中的元件方向
                                 图2 波峰焊接应用中的元件方向
相似元件的排列
                                                   图3 相似元件的排列
  在内存板上,所有的内存芯片都贴放在一个清晰界定的矩阵内,所有元件的第一脚在同一个方向。这是在逻辑设计上实施的一个很好的设计方法,在逻辑设计中有许多在每个封装上有不同逻辑功能的相似元件类型。在另一方面,模拟设计经常要求大量的各种元件类型,使得将类似的元件集中在一起颇为困难。不管是否设计为内存的、一般逻辑的、或者模拟的,都推荐所有元件方向为第一脚方向相同。
 
六、基准点标记(Fiducial Marks)制作的要求 
  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(全局基准点),用于引脚数较多,引脚间距小的单个器件的光学定位图形(局部基准点),如图4所示。若是拼板设计,则需要在每块面板上设计基准,让机器把每块面板当作单板看待,如图5所示。
局部/全局基准点 拼板/全局基准点
图4 局部/全局基准点                                                                      图5 拼板/全局基准点
  在设计基准点标记时要考虑以下因素:
基准标志常用图形有:■●▲╋等,推荐采用的基准点标记是实心圆,直径1mm。 
基准点标记最小的直径为0.5mm[0.020″]。最大直径是3mm[0.120″]。基准点标记不应该在同一块印制电路板上尺寸变化超过25微米[0.001″]。 
基准点可以是裸铜、由清澈的防氧化涂层保护的裸铜、镀镍或镀锡、或焊锡涂层(热风均匀的)。电镀或焊锡涂层的首选厚度为5 - 10微米[0.0002 - 0.0004″]。焊锡涂层不应该超过25微米[0.001″]。 
基准点标记的表面平整度应该在15微米[0.006″]之内。 
在基准点标记周围,应该有一块没有其它电路特征或标记的空旷区(Clearance)。空旷区的尺寸最好等于标记的直径,如图6所示。 
基准点要距离印制电路板边缘至少5.0mm[0.200″](SMEMA的标准传输空隙,并满足最小的基准点空旷度要求。 
当基准点标记与印制电路板的基质材料之间出现高对比度时可达到最佳的性能。 
推荐的空旷区测试点设计示例
图6 推荐的空旷区                     图7 测试点设计示例
 
七、可测性设计的考虑
  SMT的可测性设计主要是针对目前ICT装备情况。将后期产品制造的测试问题在电路和SMT表面安装印制电路板SMB设计时就考虑进去。提高可测性设计要考虑工艺设计和电气设计两个方面的要求。
工艺设计的要求
定位的精度、基板制造程序、基板的大小、探针的类型都是影响探测可靠性的因素。
(1)精确的定位孔。在基板上设定精确的定位孔,定位孔误差应在±0.05mm以内,至少设置两个定位孔,且距离愈远愈好。采用非金属化的定位孔,以减少焊锡镀层的增厚而不能达到公差要求。如基板是整片制造后再分开测试,则定位孔就必须设在主板及各单独的基板上。 
(2)测试点的直径不小于0.4mm,相邻测试点的间距最好在2.54mm以上,不要小于1.27mm。
(3)在测试面不能放置高度超过64mm的元器件,过高的元器件将引起在线测试夹具探针对测试点的接触不良。 
(4)最好将测试点放置在元器件周围1.0mm以外,避免探针和元器件撞击损伤。定位孔环状周围3.2mm以内,不可有元器件或测试点。
(5)测试点不可设置在PCB边缘5mm的范围内,这5mm的空间用以保证夹具夹持。通常在输送带式的生产设备与SMT设备中也要求有同样的工艺。
(6)所有探测点最好镀锡或选用质地较软、易贯穿、不易氧化的金属传导物,以保证可靠接触,延长探针的使用寿命。
(7)测试点不可被阻焊剂或文字油墨覆盖,否则将会缩小测试点的接触面积,降低测试的可靠性。 
电气设计的要求
(1)要求尽量将元件面的SMC/SMD的测试点通过过孔引到焊接面,过孔直径应大于1mm。这样可使在线测试采用单面针床来进行测试,从而降低了在线测试成本。
(2)每个电气节点都必须有一个测试点,每个IC必须有POWER及GROUND的测试点,且尽可能接近此元器件,最好在距离IC 2.54mm范围内。
(3)在电路的走线上设置测试点时,可将其宽度放大到40mil宽。
(4)将测试点均衡地分布在印制电路板上。如果探针集中在某一区域时,较高的压力会使待测板或针床变形,进一步造成部分探针不能接触到测试点。
(5)电路板上的供电线路应分区域设置测试断点,以便于电源去耦电容或电路板上的其它元器件出现对电源短路时,查找故障点更为快捷准确。设计断点时,应考虑恢复测试断点后的功率承载能力。 
  图7所示为测试点设计的一个示例。通过延伸线在元器件引线附近设置测试焊盘或利用过孔焊盘测试节点,测试节点严禁选在元器件的焊点上,这种测试可能使虚焊节点在探针压力作用下挤压到理想位置,从而使虚焊故障被掩盖,发生所谓的“故障遮蔽效应”。由于探针因定位误差引起的偏晃,可能使探针直接作用于元器件的端点或引脚上而造成元器件损坏。
 
八、结束语
  PCB工艺设计在产品开发设计过程中虽不是最关键部分,但它对产品生产质量、生产效率等起着至关重要的作用。若设计不当,SMT根本无法实施或生产效率很低。因此,希望设计者务必注意本文所提出的几个要求,使得设计的印制电路板达到性能最佳、质量最优。