表面貼器件PCB占位的設計經(jīng)驗和指南

您正在設計一個(gè)包含IC或其它元件的PCB，而您的PCB布局軟件缺乏占位設計功能嗎？請不要擔心，雖然不能獲得用于生產(chǎn)的優(yōu)化設計，但您仍然能夠快速而方便地創(chuàng )建一個(gè)適用于原型的PCB布局封裝元件占位。

只要從數據頁(yè)獲得元件封裝的機械圖紙，下面的指南就幫助您快速地設計出諸如銅層占位、焊料掩?？?、焊料粘結劑模版孔這樣一些所需要的PCB孔，盡管不適用于生產(chǎn)，但這些指南將幫助您的原型設計順利進(jìn)入測試實(shí)驗。

有些工程師感嘆，過(guò)去那種能夠在實(shí)驗室中快速地對電路構想進(jìn)行測試和驗證的“面包板”原型時(shí)代，已經(jīng)一去不復返。生育高峰時(shí)期出生的工程師們尚在深深地懷念過(guò)去晚上在餐巾紙上畫(huà)好電路草圖、明天就在實(shí)驗室用電線(xiàn)搭成電路、在工作臺上就可以通過(guò)驗證實(shí)際工作情況和觀(guān)察波形來(lái)試驗設計思想的時(shí)光。不過(guò)，這并不意味著(zhù)他們習慣于一些亂七八糟的接線(xiàn)。即使在面包板問(wèn)世以前，設計人員也是非常仔細地考慮元件的布置和信號線(xiàn)的走向問(wèn)題以避免串擾、飄移電感和電容對電路造成負面影響。

無(wú)論如何，今天精巧的SOIC和QFN封裝技術(shù)從根本上對手工焊接造成了困難，信號帶寬也提高到無(wú)法與點(diǎn)對點(diǎn)“鼠穴”狀接線(xiàn)兼容。另外特別是像ASIC這樣的許多半導體元件只有表面貼裝形式。這樣，在設計一個(gè)SOIC時(shí)一般都不會(huì )選擇雙列封裝的原型。即使有便于手工焊接的封裝元件，在信號傳播和相位關(guān)系方面，原型與生產(chǎn)設計的高密度布局也可能存在差別。

快速將PCB轉換為原型

在過(guò)去制作PCB時(shí)，要將膠帶和粘結占位木模按放大了2倍或4倍的版圖人工粘貼在一片聚脂薄膜上(以便于照相縮版處理和制作出1：1的接觸式感光膠片)。很早以前，精心開(kāi)發(fā)的PCB CAD布局軟件已經(jīng)取代了過(guò)去這種單調乏味的、通過(guò)手工“掩膜”來(lái)制作PCB藝術(shù)品的工作。

現在，工程師可以依靠軟件自動(dòng)進(jìn)行布線(xiàn)設計的調試過(guò)程，最新的CAD軟件提供了直觀(guān)的圖形用戶(hù)界面，而且還支持從相關(guān)的原理圖(原理俘獲)程序中導入元件和接線(xiàn)信息(即網(wǎng)表信息)。

如果這些原理捕獲/PCB布局軟件包與基于互聯(lián)網(wǎng)的快速轉換PCB原型庫結合起來(lái)，就可以獲得過(guò)去的那種便捷的面包板功能，仍然可以設計出接近于最終設計的原型。目前有許多比一次工作午餐還要便宜的軟件包可供選擇，學(xué)習掌握這些軟件也只需要幾小時(shí)的時(shí)間。許多軟件附帶有包含數千個(gè)公用元件的庫，因此不需要實(shí)地選擇元件并將它們布置在實(shí)驗板上。

按如下5個(gè)步驟使用CAD軟件可以快速而簡(jiǎn)便地制作出一個(gè)原型：

1．首先使用原理捕獲軟件繪出電路，從庫中選擇元件，將引線(xiàn)和總線(xiàn)連接起來(lái)。
2．將捕獲的電路原理導入到PCB布局軟件，移動(dòng)元件封裝直到獲得紊亂最小的元件座，然后進(jìn)行布線(xiàn)，軟件即可以生成一個(gè)CAM文件。
3．在線(xiàn)訂購板件和焊接模板，上載CAM文件。
4．一旦接受所訂購的板件，就可以制做印刷版。
5．裝配原型。

由于有了PCB后就可以進(jìn)行裝配，所以前端原理捕獲和電路布局就比制作過(guò)程需要更多的時(shí)間。實(shí)際上，采用焊接模版將焊料印在PCB上，裝配就成了一件將元件放置在相應的占位，然后將裝配好元件的電路板放進(jìn)回流爐這樣一件簡(jiǎn)單的工作(注意：一個(gè)專(zhuān)用的“烘烤爐”更適合于回流工作)。

原型設計中的問(wèn)題？

在設計中您可能會(huì )發(fā)現庫中沒(méi)有您所需要的元件，但這個(gè)問(wèn)題確實(shí)是一個(gè)非常普遍的問(wèn)題(在只包含一般元件的PCB布局軟件的元件庫中就可能沒(méi)有ASIC或新型器件或特殊器件)。在這種情況下，電路設計師或原型師必須為軟件包的元件庫自己創(chuàng )建相應的器件。

這項工作不僅包括PCB銅層占位、也包括焊接模版、焊接掩膜、絲網(wǎng)圖例、元件位置和方向的設計。不過(guò)，一個(gè)典型的雙面板會(huì )包括幾個(gè)與每個(gè)元件有關(guān)的特殊層，不過(guò)不需要擔心，如果采用逐步逼近的方法，創(chuàng )建庫中沒(méi)有的器件也不是一件令人退縮的困難事情。

雙層板的一般要求

一般設計工作先從確定PCB元件占位的層數開(kāi)始。在電路板的上面(“元件側”)必不可少的布線(xiàn)層是銅層、焊接掩膜層、焊接模版層和絲網(wǎng)圖例層，另外還有元件質(zhì)心/原點(diǎn)層和文檔層可選。

當然，銅層是提供器件焊接連接面的主要板層，焊接掩膜層可以防止液態(tài)的光學(xué)成像(LPI)焊接掩膜漆料覆蓋焊接區域，模版層(油膏層)為用來(lái)將焊料“印刷”在銅層的不銹鋼模版提供光孔圖案，絲網(wǎng)圖例層包含元件輪廓和方向的工藝圖、器件ID和元件號。

原點(diǎn)(元件質(zhì)心層)提供貼裝設備所需要的信息，而文檔層一般用來(lái)給出器件的概略說(shuō)明，這兩層都不會(huì )出現在實(shí)際電路板上。

器件的數據冊中可能會(huì )包含或不包含針對具體封裝的推薦占位圖紙(如果包含這樣的圖紙，則在銅層簡(jiǎn)單地再現同樣大小和樣式的焊盤(pán)即可)，但在其它出版物中也可以找到這些信息。例如，Freescale應用筆記AN2409中就提供了整個(gè)微距SOIC封裝系列器件的焊盤(pán)尺寸。

在使用PCB布局軟件逐步創(chuàng )建一個(gè)表面貼裝焊盤(pán)的過(guò)程中，我們假設沒(méi)有提供占位圖紙。在這個(gè)練習中，我們以四方扁平無(wú)引線(xiàn)(PQFN)封裝電源器件做為例子。

在Freescale公司的應用筆記AN2467中是這樣定義這個(gè)先進(jìn)的封裝電源器件的：“PQFN是一種表面貼裝塑性封裝器件，引線(xiàn)盤(pán)位于該封裝元件的底面。所有PQFN封裝器件都設計有單個(gè)裸露芯片安裝盤(pán)(標記)或多個(gè)裸露芯片安裝盤(pán)，這取決于器件要求和目標應用。工業(yè)標準化委員會(huì )JEDEC已經(jīng)注冊了一個(gè)標志符MO251用以描述單個(gè)裸露盤(pán)PQFN封裝?！痹诒纠兴褂玫钠骷祿允荕C33922/MC3492 4.0A雙電源H橋。

銅層

要布置占位，首先打開(kāi)PCB布局軟件的庫編輯器，在現有庫中創(chuàng )建一個(gè)新的元件或為新元件創(chuàng )建一個(gè)新庫，然后選擇菜單創(chuàng )建一個(gè)新的封裝元件，這點(diǎn)上大多數PCB布局軟件包都可以提供2D分層制圖屏幕。

現在將您的注意力轉到數據冊第19頁(yè)#146902組29端子PAFN塑性封裝的封裝尺寸圖(圖1)。注意尺寸單位，將制圖屏幕上的柵格設置到同樣的單位(在本例中為毫米)。另外也注意封裝輪廓的尺寸(10×10mm)，用后面就要刪除的臨時(shí)線(xiàn)以繪圖原點(diǎn)為中心繪制此輪廓，做為參考。

下一步是獲得與PCB緊密接觸的端子(引線(xiàn))部分的尺寸，這是因為需要根據這些端子的尺寸來(lái)確定相應銅層焊盤(pán)的尺寸。在本例中，有四種不同尺寸的端子：其中16個(gè)端子長(cháng)1.525 mm(標稱(chēng))、寬0.565 mm(標稱(chēng))；8個(gè)端子長(cháng)0.775 mm(標稱(chēng))、寬0.565 mm(標稱(chēng))；4個(gè)端子長(cháng)1.005 mm(標稱(chēng))、寬0.565 mm(標稱(chēng))；一個(gè)端子(裸露的散熱盤(pán))長(cháng)達9.4 mm(標稱(chēng))、寬6 mm(標稱(chēng))，每個(gè)角都帶有一個(gè)半徑近1mm的固定點(diǎn)。

最后，注意元件外圍引腳中心與引腳中心之間的間距，在引腳中間部分標稱(chēng)間距為0.8 mm?，F在已經(jīng)獲得了繪制元件占位所需要的基本尺寸數據。我們給出的第一條指南是：

指南1：對于間距非常小的精細間距端子，創(chuàng )建一個(gè)其寬度略微小于引線(xiàn)/端子寬度的焊盤(pán)，向外拉長(cháng)一些，使其長(cháng)度大于引線(xiàn)/端子長(cháng)度。

這樣可在端子之間保持一個(gè)最小的焊接掩膜，在端子的頭部提供一個(gè)明顯的焊接片，對于產(chǎn)品設計，這個(gè)焊盤(pán)寬度可以再寬一些。但是，對于原型設計，必須保證將端子之間搭接的危險減小到最低限度，這樣才能避免將時(shí)間浪費因焊料過(guò)多引起短路故障的排除上(此情形類(lèi)似于手工制版涂敷焊料的過(guò)程) 。

對于16個(gè)1.525×0.565mm的端子，可按1.675×0.515 mm的PCB焊盤(pán)尺寸對待，這樣就可以用PCB布局軟件來(lái)創(chuàng )建這種尺寸規格的焊盤(pán)(例如，選擇“change”，再選擇“Smd”，然后輸入1.675 x 0.515即可)。特殊尺寸的焊盤(pán)也可以這樣處理(尺寸較大的散熱盤(pán)除外，將在后面介紹有關(guān)方法)。

指南2：以俯視PCB銅層的視角創(chuàng )建占位。

這意味著(zhù)在圖上引腳1的位置和方向應該與通過(guò)X射線(xiàn)向下透視銅層時(shí)所看到的位置和方向一樣。許多PCB布局軟件在創(chuàng )建焊盤(pán)會(huì )依次編號，確認第1個(gè)焊盤(pán)設置在引腳1的位置，然后以俯視角度依次布置其它焊盤(pán)。

為布置這些焊盤(pán)，需要臨時(shí)改變網(wǎng)格間距，使其等于標稱(chēng)引腳中心之間間距的一半(在本例中為0.4 mm)，按照元件封裝端子的方向布置焊盤(pán)。注意焊盤(pán)的位置使其長(cháng)度超出封裝周界大約0.15 mm，然后繼續按引腳順序布置焊盤(pán)，在布置到臨近邊時(shí)，牢記必要時(shí)改變焊盤(pán)尺寸，重新調整引腳引腳基線(xiàn)間距(圖2)。

指南3：將裸露的散熱焊盤(pán)(如果必要)作為一個(gè)單獨的、特殊的端子焊盤(pán)放在端子序列的最后進(jìn)行布置。散熱焊盤(pán)的尺寸應略小于元件的裸露散熱標記的相應尺寸(比如長(cháng)寬各小0.1 mm)。

經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設計SOIC和QFN功率元件有一個(gè)允許直接從IC底部向PCB散熱的裸露散熱標記，為保證有效散熱，PCB上必須有一個(gè)帶有散熱孔的裸露焊盤(pán)區域以冷卻更大面積的銅層(PCB低部及(或)多層PCB的內層)，裸露的焊盤(pán)必須創(chuàng )建成一個(gè)不規則的多邊形。

注意選擇合適的線(xiàn)條寬度以繪制細節部分，但線(xiàn)條也不要過(guò)細，以免耗費大量的CAM工具處理時(shí)間。(記住將多邊形用同樣寬度的線(xiàn)條進(jìn)行填充)。用戶(hù)可以使用某些元件庫對細小復雜的裸露焊盤(pán)進(jìn)行簡(jiǎn)化，但必須注意在焊盤(pán)周?chē)３种辽?.2 mm的最小空隙(圖3)。

繼續工作前，不要忘記刪除銅層的臨時(shí)參考線(xiàn)。設計銅層的裸露焊盤(pán)并不困難，但要設計焊料掩膜層(阻焊層)和焊料模版層的裸露焊盤(pán)還是需要一些技巧的。

焊接掩膜層

完成了銅層的設計后，下一步自然是創(chuàng )建焊料掩膜層(阻焊層)的工藝圖。焊料掩膜包括電路板上那些不需要粘附著(zhù)焊料的區域，這樣焊接掩膜由焊接掩膜區域內的光孔組成，在有光孔的地方銅層裸露出來(lái)以便于焊接。

在第一種情況下，根據焊接掩膜來(lái)考慮焊盤(pán)的設計(SMD)，這就是說(shuō)掩膜決定可焊接的銅層區域，這是因為掩膜層覆蓋銅層。由于掩膜創(chuàng )造了一個(gè)雙倍依附于PCB基板的蹤跡，這樣即使在多次脫焊和重焊的情況下也不可能剝離，所以有利于原型設計，另外還可以有效保護免于焊接搭接和其它原型短路的危害。

不過(guò)，在產(chǎn)品設計中那些小尺寸端子的SMD焊盤(pán)是不受歡迎的。這是因為銅層焊盤(pán)的頂部焊接掩膜邊緣會(huì )在焊接點(diǎn)產(chǎn)生應力點(diǎn)，在經(jīng)受長(cháng)期的周期性溫度變化時(shí)會(huì )產(chǎn)生裂縫。鑒于這個(gè)原因，在產(chǎn)品設計中，掩膜光孔應大于焊盤(pán)尺寸，以使銅層焊盤(pán)周邊有一個(gè)大約0.065 mm的外圍區域，這種情況叫做非焊接掩膜決定焊盤(pán)(NSMD)。

指南4：原型設計中對于間距非常精細的引線(xiàn)采用SMD焊盤(pán)，而在生產(chǎn)設計中采用NSMD焊盤(pán)。在這個(gè)PCB原型設計的示例中應該使用SMD技術(shù)。最容易的方法就是將焊接掩膜光孔設置得與銅層焊盤(pán)尺寸一樣大，如果所使用的PCB布局軟件自動(dòng)產(chǎn)生掩膜，則設置其最大尺寸，使其等于焊盤(pán)自身的尺寸(即不增大尺寸)，另外通過(guò)放大并將分辨率設置到最高也能很容易地在銅層創(chuàng )建略微小于焊盤(pán)的四方形區域。然后通過(guò)觀(guān)察和跟蹤銅層焊盤(pán)的內輪廓繪制掩膜層光孔。

一旦創(chuàng )建了不同的焊盤(pán)四方形，就可以簡(jiǎn)單地將它們復制粘貼到焊盤(pán)內。尺寸大的裸露焊盤(pán)可以作為整體復制/剪切粘貼到掩膜層。圖4給出了PCB布局軟件中帶有銅層和掩膜層的占位邊角的放大視圖。注意其中的正方形焊盤(pán)有一個(gè)略小于焊盤(pán)(以灰色表示)掩膜孔眼(以黃色表示)，因此這個(gè)焊盤(pán)就是焊接掩膜決定焊盤(pán)。

焊接模版：下一步是創(chuàng )建確定焊接模版層的工藝圖。這個(gè)模版在絲網(wǎng)印刷過(guò)程中用來(lái)將焊料粘結劑準確地涂敷到PCB的焊盤(pán)上。模版緊密地貼在PCB表面，過(guò)孔的圖案應該完全與銅點(diǎn)的圖案對齊。然后用一個(gè)剛形的橡膠滾軸碾壓，迫使焊料粘結劑透過(guò)模版涂到PCB上，即使采用手工方式，每分鐘也可以用焊接粘結劑“印好”數張電路板，以備下一步裝配元件。

涂敷到電路板上焊接粘結劑量取決于兩個(gè)因素—模版孔眼面積和模版的厚度。采用激光切割方法可以在切割PCB的同時(shí)切割出適用于原型的不銹鋼模版，也可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)公司獲得。模版的一般厚度是6 mils(0.006 英寸)，具有足夠的粗糙度，可在手工制作過(guò)程中反復使用。這里假設在模版層設計中也采用同樣的厚度。

指南5：除那些裸露的散熱焊盤(pán)或其它大尺寸光孔外，所有引腳/端子焊盤(pán)都采用1：1的焊接模版孔眼比。對于大尺寸的光孔(3×3 mm或更大)將其周邊收縮0.25 mm以便在大尺寸焊盤(pán)與周?chē)_/端子焊盤(pán)之間留下足夠的間隙，并將大尺寸光孔分解成多個(gè)“窗格”。

如果將PCB布局軟件從“cream(焊膏)”重新設置到“on”則可以自動(dòng)完成上述任務(wù)，為每個(gè)端子焊盤(pán)的模版層創(chuàng )建一個(gè)1：1的光孔，在使用6mil厚模版的情況下，非常適合于精細間距和標準間距引線(xiàn)。

不過(guò)，對于裸露焊盤(pán)多邊形，需要手工來(lái)創(chuàng )建版圖。首先切換到銅層(這樣可以觀(guān)察到此多邊形)和模版層(在這兩層將繪制光孔)，然后選擇PCB布局軟件的正方形功能，在正方形區域內創(chuàng )建一組窗格孔(確認您將這些正方形設置在模版層上)。圖5所示為覆蓋在銅層版圖上已完成設計的模版孔眼。

注意從多邊形邊界、特別是從邊角(向內)分離裸露焊盤(pán)模版孔眼的方式，這可以減少焊料過(guò)多和焊接短路的可能性。

絲網(wǎng)層

絲網(wǎng)層可以攜帶希望出現在PCB上的人機界面信息，它對電路功能沒(méi)有任何作用，但對于原型是很重要的，有助于在裝配電路板時(shí)確定元件的方向和位置，并能夠對測試和調試提供協(xié)助。

按照慣例，絲網(wǎng)層由元件名稱(chēng)層、位置層和數值層組成，元件名稱(chēng)層提供元件ID，例如U1、R1、C5和Q。數值層包含與元件有關(guān)的參數，例如1k 或0.01 F。而位置層包含元件的輪廓和方向信息，我們認為提供位于頂層的位置層是最起碼的要求。

指南6：采用最小7mil(0.007in.)的絲網(wǎng)線(xiàn)寬。改變字體類(lèi)型到“vector”，并根據需要調整比例和尺寸以創(chuàng )建可讀的字母和數字。

不要在每個(gè)引腳旁邊設置數字，應該在SOIC的引腳1上設置標簽。對于QFN封裝元件，在每個(gè)引腳的角上標注數字是有益的。在頂層的位置層繪圖時(shí)保持上層的掩膜層(阻焊層)視圖處于可見(jiàn)狀態(tài)，主要不要使絲網(wǎng)數字/字母/線(xiàn)條與焊料掩膜孔過(guò)于接近，否則墨水將會(huì )洇到已作好的PCB焊接掩膜下陷部位。

保持最小的線(xiàn)條寬度，調整字體比例和尺寸以獲得便于閱讀的文本，在元件周?chē)O置一個(gè)輪廓也是有好處的。圖6給出了示例器件的最基本的絲網(wǎng)信息，同時(shí)也給出了掩膜層做為參考。

循這些步驟，就可以創(chuàng )建任何PCB布局元件占位，雖然沒(méi)有針對生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，但對于原型應用而言卻是魯棒的，特別是可以取代適用于“餐巾紙草圖”的原理捕獲軟件，迅速用焊接模版代替手工配線(xiàn)面包板，保持快速的概念實(shí)驗循環(huán)，支持工程師的創(chuàng )新活動(dòng)。