基于IPC的SMT表貼器件PCB 封裝設(shè)計(jì)

摘要

為解決在PCB 設(shè)計(jì)過程中可制造性和產(chǎn)品性能之間折中考慮的問題，依據(jù)IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)，對表貼器件PCB 封裝進(jìn)行設(shè)計(jì)。結(jié)合IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)、可制造性和可靠性等要求，通過對標(biāo)準(zhǔn)封裝的SMD 焊盤尺寸及引腳參數(shù)計(jì)算，設(shè)置SMD 焊盤阻焊參數(shù)，設(shè)計(jì)出表面貼裝器件PCB 封裝。實(shí)踐結(jié)果表明，該方法可提高產(chǎn)品的可焊性和可靠性。

引言

目前在PCB 設(shè)計(jì)過程中，由于產(chǎn)品小型化、高密度和可靠性等要求，導(dǎo)致很多時(shí)候需要在可制造性和產(chǎn)品性能之間折中考慮。在PCB 設(shè)計(jì)過程中，封裝的設(shè)計(jì)是一個(gè)重要而又容易被忽視的過程，其設(shè)計(jì)質(zhì)量直接影響后期器件裝配以及產(chǎn)品質(zhì)量。目前封裝設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)很多，有國際標(biāo)準(zhǔn)、國軍標(biāo)和企標(biāo)等， 必須采用統(tǒng)一的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)設(shè)計(jì)。IPC-7351B 是IPC(國際電子工業(yè)協(xié)會)制定的表面貼裝設(shè)計(jì)和焊盤圖形標(biāo)準(zhǔn)通用要求，是國際通用的設(shè)計(jì)規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)充分考慮了產(chǎn)品密度、環(huán)境和返修等因素。筆者結(jié)合IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)、可制造性和可靠性等要求，對表面貼裝器件PCB 封裝設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹和總結(jié)，同時(shí)結(jié)合CADENCE 設(shè)計(jì)軟件對封裝設(shè)計(jì)中其他參數(shù)進(jìn)行了說明。

1 概述

1.1 PCB 封裝設(shè)計(jì)的重要性

在PCB 設(shè)計(jì)的過程中，有時(shí)會出現(xiàn)如下問題：

1) 元器件與PCB 板焊盤規(guī)格不匹配，例如0603 規(guī)格的元器件貼裝在0805 規(guī)格的焊盤上，或0805 規(guī)格的元器件貼裝在0603 規(guī)格的焊盤上；
2) 同一規(guī)格的元器件有多種不同的封裝設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一；
3) PCB 封裝所匹配的焊盤尺寸不符合規(guī)范的要求。

以上問題都是由于建庫標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一和不規(guī)范給后期SMT 作業(yè)帶來極大困擾甚至焊接不良，最終影響了產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率；因此，PCB封裝的設(shè)計(jì)對SMT 產(chǎn)品的可制造性和壽命有很大的影響。

1.2 IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)簡介

IPC 是國際電子工業(yè)聯(lián)接協(xié)會。IPC-7351B 是表面貼裝設(shè)計(jì)和焊盤圖形標(biāo)準(zhǔn)通用要求， 替代IPC-SM-782A 標(biāo)準(zhǔn)。IPC-7351B 從元器件密度、高沖擊環(huán)境和對返修要求等變量對PCB 封裝焊盤的設(shè)計(jì)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(chǎn)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(yīng)用，典型的例子如便攜/手持式或暴露在高沖擊或震動環(huán)境中的產(chǎn)品。焊接結(jié)構(gòu)是最堅(jiān)固的，并且在需要的情況下很容易進(jìn)行返修。人工焊接和機(jī)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(chǎn)品，提供堅(jiān)固的焊接結(jié)構(gòu)。人工焊接和機(jī)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(jié)構(gòu)要求的微型器件，可實(shí)現(xiàn)最高的元件組裝密度。適用于機(jī)器焊接，人工焊接較難。

2 表貼電子元器件封裝設(shè)計(jì)

2.1 SMD 焊盤設(shè)計(jì)

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)封裝的SMD 焊盤尺寸計(jì)算

標(biāo)準(zhǔn)封裝是指符合JEDEC、EIA等國際標(biāo)準(zhǔn)的封裝，例如SOP、SOIC、TSSOP、TQFP 等。此封裝形式的焊盤計(jì)算公式如下：

圖2 公式中所涉及的參數(shù)

計(jì)算公式中，各參數(shù)計(jì)算值規(guī)定如下：

1) L、S 和W 分別為元器件的各尺寸，通過元器件數(shù)據(jù)手冊獲得；
2) CL、CS 和CW 是元器件的尺寸容限，通過元器件數(shù)據(jù)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(jù)用戶的設(shè)備能力進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)中對于各種封裝形式和各種密度等級的推薦值。其中，JT、JH 和JS 各參數(shù)在焊盤上的示意圖如圖3 所示。

圖3 焊點(diǎn)的3 種形式

2.1.2 各種封裝形式的引腳計(jì)算參數(shù)

在IPC-7351B 標(biāo)準(zhǔn)中，針對各種標(biāo)準(zhǔn)封裝形式和3 種密度等級都有封裝計(jì)算參數(shù)JT、JH 和JS 的薦，以及調(diào)節(jié)系數(shù)推薦等。根據(jù)產(chǎn)品的密度等級即可計(jì)算封裝參數(shù)。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(jì)算參數(shù)如表1 所示；J 形引腳的計(jì)算參數(shù)如表2 所示；BGA 器件引腳計(jì)算參數(shù)見表3 所示。

2.1.3 SMD 焊盤阻焊參數(shù)設(shè)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(chǔ)上外擴(kuò)一個(gè)尺寸，外擴(kuò)尺寸需要根據(jù)生產(chǎn)廠家的工藝能力確定。一般建議設(shè)置為：在焊盤尺寸的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(shí)，在制作封裝過程中會出現(xiàn)焊盤的阻焊重疊，也就導(dǎo)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(diào)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?qū)挾取Ｗ韬赋叽鐟?yīng)滿足以下計(jì)算公式：

G=D-2R-2S≥3 mil。

圖4 焊盤的阻焊層參數(shù)設(shè)置

2.2 PCB 封裝設(shè)計(jì)

2.2.1 坐標(biāo)原點(diǎn)

SMD 器件的PCB 封裝坐標(biāo)原點(diǎn)(0,0)點(diǎn)放置在SMD 器件的幾何中心，這有利于后期裝配機(jī)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(shí)體大小范圍，以及PCB 上器件的SMT 裝配時(shí)作為器件定位的參考。結(jié)合CADENCE 設(shè)計(jì)軟件和生產(chǎn)廠家常規(guī)加工能力，SMD 器件PCB 封裝絲印層設(shè)計(jì)有一些特殊考慮，當(dāng)然根據(jù)生產(chǎn)工藝，參數(shù)可以調(diào)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(biāo)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(shí)空心圓不能與其他絲印重疊。
4) 有正負(fù)極性的器件，應(yīng)明確標(biāo)識器件的正極性或負(fù)極性，便于器件的裝配識別。

2.2.3 器件實(shí)體范圍大小

PCB 封裝建立時(shí)， 封裝區(qū)域的大小在CADENCE 軟件中可以作為器件布局DRC 檢查項(xiàng)。封裝區(qū)域大小可以考慮由2 項(xiàng)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(qū)域。表4 為常用焊接工藝要求的器件間距推薦。如果在PCB 設(shè)計(jì)中，封裝區(qū)域有干涉軟件自動進(jìn)行報(bào)錯(cuò)提醒。

3 結(jié)束語

在PCB 封裝設(shè)計(jì)過程中，只要綜合考慮環(huán)境條件、產(chǎn)品性能、密度等級、產(chǎn)品可制造性良好等情況，遵循芯片設(shè)計(jì)手冊的規(guī)定，并參考IPC-7351B標(biāo)準(zhǔn)，就一定能設(shè)計(jì)出滿足產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)里的密度等級A 建立元器件封裝庫，進(jìn)一步提高了產(chǎn)品可靠性。實(shí)踐結(jié)果證明：該方法切實(shí)可行，提高了產(chǎn)品的可焊性和可靠性。