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SMT表面安裝PCB設計工藝簡析(下)

time : 2019-08-13 09:07       作者:凡億pcb

SMT表面安裝技術在許多電子產品的生產制造中被大量采用,本文就SMT表面安裝PCB設計時需考慮的一些制造工藝性問題進行了闡述,給SMT設計人員提供一個參考。
關鍵詞:印制電路板 基準標志 導通孔 波峰焊 再流焊 可測性設計
 
五、元器件布局的要求
  元器件布局要滿足SMT生產工藝的要求。由于設計所引起的產品質量問題在生產中是很難克服的;因此,PCB設計工程師要了解基本的SMT工藝特點,根據不同的工藝要求進行元器件布局設計,正確的設計可以焊接缺陷到最低。在進行元器件布局時要考慮以下幾點:
PCB上元器件分布應盡可能地均勻;大質量器件再流焊時熱容量較大,因此,布局上過于集中容易造成局部溫度低而導致假焊; 
大型器件的四周要留一定的維修空隙(留出SMD返修設備加熱頭能夠進行操作的尺寸); 
功率器件應均勻地放置在PCB邊緣或機箱內的通風位置上; 
單面混裝時,應把貼裝和插裝元器件布放在A面;采用雙面再流焊混裝時,應把大的貼裝和插裝元器件布放在A面,PCB A、B兩面的大器件要盡量錯開放置;采用A面再流焊,B面波焊混裝時,應把大的貼裝和插裝元器件布放在A面(再流焊),適合于波峰焊的矩形、圓柱形片式元件、SOT和較小的SOP(引腳數小于28,引腳間距1mm以上)布放在B面(波峰焊接面)。波峰焊接面上不能安放四邊有引腳的器件,如,QEP、PLCC等; 
波峰焊接面上元器件封裝必須能承受260度以上溫度并是全密封型的; 
貴重的元器件不要布放在PCB的角、邊緣,或靠近接插件、安裝孔、槽、拼板的切割、豁口和拐角等處,以上這些位置是印制電路板的高應力區,容易造成焊點和元器件的開裂或裂紋。 
波峰焊接元件的方向 
所有的有極性的表面貼裝元件在可能的時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電路板裝配上,在該面的元件首選的方向如圖2所示。使用這個首選方向是要使裝配在退出焊錫波峰時得到的焊點質量最佳。在排列元件方向時應盡量做到:
(1) 所有無源元件要相互平行 ;
(2) 所有SOIC要垂直于無源元件的長軸 ;
(3) SOIC和無源元件的較長軸要互相垂直;
(4) 無源元件的長軸要垂直于板沿著波峰焊接機傳送帶的運動方向 。
(5) 當采用波峰焊接SOIC等多腳元件時,應于錫流方向最后兩個(每邊各1)焊腳處設置竊錫焊盤,防止連焊。 
貼裝元件方向的考慮 
類型相似的元件應該以相同的方向排列在板上,使得元件的貼裝、檢查和焊接更容易。還有,相似的元件類型應該盡可能接地在一起,如圖3所示。 
波峰焊接應用中的元件方向
                                 圖2 波峰焊接應用中的元件方向
相似元件的排列
                                                   圖3 相似元件的排列
  在內存板上,所有的內存芯片都貼放在一個清晰界定的矩陣內,所有元件的第一腳在同一個方向。這是在邏輯設計上實施的一個很好的設計方法,在邏輯設計中有許多在每個封裝上有不同邏輯功能的相似元件類型。在另一方面,模擬設計經常要求大量的各種元件類型,使得將類似的元件集中在一起頗為困難。不管是否設計為內存的、一般邏輯的、或者模擬的,都推薦所有元件方向為第一腳方向相同。
 
六、基準點標記(Fiducial Marks)制作的要求 
  為了精密地貼裝元器件,可根據需要設計用于整塊PCB的光學定位的一組圖形(全局基準點),用于引腳數較多,引腳間距小的單個器件的光學定位圖形(局部基準點),如圖4所示。若是拼板設計,則需要在每塊面板上設計基準,讓機器把每塊面板當作單板看待,如圖5所示。
局部/全局基準點 拼板/全局基準點
圖4 局部/全局基準點                                                                      圖5 拼板/全局基準點
  在設計基準點標記時要考慮以下因素:
基準標志常用圖形有:■●▲╋等,推薦采用的基準點標記是實心圓,直徑1mm。 
基準點標記最小的直徑為0.5mm[0.020″]。最大直徑是3mm[0.120″]。基準點標記不應該在同一塊印制電路板上尺寸變化超過25微米[0.001″]。 
基準點可以是裸銅、由清澈的防氧化涂層保護的裸銅、鍍鎳或鍍錫、或焊錫涂層(熱風均勻的)。電鍍或焊錫涂層的首選厚度為5 - 10微米[0.0002 - 0.0004″]。焊錫涂層不應該超過25微米[0.001″]。 
基準點標記的表面平整度應該在15微米[0.006″]之內。 
在基準點標記周圍,應該有一塊沒有其它電路特征或標記的空曠區(Clearance)。空曠區的尺寸最好等于標記的直徑,如圖6所示。 
基準點要距離印制電路板邊緣至少5.0mm[0.200″](SMEMA的標準傳輸空隙,并滿足最小的基準點空曠度要求。 
當基準點標記與印制電路板的基質材料之間出現高對比度時可達到最佳的性能。 
推薦的空曠區測試點設計示例
圖6 推薦的空曠區                     圖7 測試點設計示例
 
七、可測性設計的考慮
  SMT的可測性設計主要是針對目前ICT裝備情況。將后期產品制造的測試問題在電路和SMT表面安裝印制電路板SMB設計時就考慮進去。提高可測性設計要考慮工藝設計和電氣設計兩個方面的要求。
工藝設計的要求
定位的精度、基板制造程序、基板的大小、探針的類型都是影響探測可靠性的因素。
(1)精確的定位孔。在基板上設定精確的定位孔,定位孔誤差應在±0.05mm以內,至少設置兩個定位孔,且距離愈遠愈好。采用非金屬化的定位孔,以減少焊錫鍍層的增厚而不能達到公差要求。如基板是整片制造后再分開測試,則定位孔就必須設在主板及各單獨的基板上。 
(2)測試點的直徑不小于0.4mm,相鄰測試點的間距最好在2.54mm以上,不要小于1.27mm。
(3)在測試面不能放置高度超過64mm的元器件,過高的元器件將引起在線測試夾具探針對測試點的接觸不良。 
(4)最好將測試點放置在元器件周圍1.0mm以外,避免探針和元器件撞擊損傷。定位孔環狀周圍3.2mm以內,不可有元器件或測試點。
(5)測試點不可設置在PCB邊緣5mm的范圍內,這5mm的空間用以保證夾具夾持。通常在輸送帶式的生產設備與SMT設備中也要求有同樣的工藝。
(6)所有探測點最好鍍錫或選用質地較軟、易貫穿、不易氧化的金屬傳導物,以保證可靠接觸,延長探針的使用壽命。
(7)測試點不可被阻焊劑或文字油墨覆蓋,否則將會縮小測試點的接觸面積,降低測試的可靠性。 
電氣設計的要求
(1)要求盡量將元件面的SMC/SMD的測試點通過過孔引到焊接面,過孔直徑應大于1mm。這樣可使在線測試采用單面針床來進行測試,從而降低了在線測試成本。
(2)每個電氣節點都必須有一個測試點,每個IC必須有POWER及GROUND的測試點,且盡可能接近此元器件,最好在距離IC 2.54mm范圍內。
(3)在電路的走線上設置測試點時,可將其寬度放大到40mil寬。
(4)將測試點均衡地分布在印制電路板上。如果探針集中在某一區域時,較高的壓力會使待測板或針床變形,進一步造成部分探針不能接觸到測試點。
(5)電路板上的供電線路應分區域設置測試斷點,以便于電源去耦電容或電路板上的其它元器件出現對電源短路時,查找故障點更為快捷準確。設計斷點時,應考慮恢復測試斷點后的功率承載能力。 
  圖7所示為測試點設計的一個示例。通過延伸線在元器件引線附近設置測試焊盤或利用過孔焊盤測試節點,測試節點嚴禁選在元器件的焊點上,這種測試可能使虛焊節點在探針壓力作用下擠壓到理想位置,從而使虛焊故障被掩蓋,發生所謂的“故障遮蔽效應”。由于探針因定位誤差引起的偏晃,可能使探針直接作用于元器件的端點或引腳上而造成元器件損壞。
 
八、結束語
  PCB工藝設計在產品開發設計過程中雖不是最關鍵部分,但它對產品生產質量、生產效率等起著至關重要的作用。若設計不當,SMT根本無法實施或生產效率很低。因此,希望設計者務必注意本文所提出的幾個要求,使得設計的印制電路板達到性能最佳、質量最優。