SMT技術(shù)3SMB設(shè)計培訓資料課件

SMT--表面組裝技術(shù)

機械工業(yè)出版社同名教材

何麗梅主編5/10/20231第一頁，共四十一頁。第3章表面組裝印制版的設(shè)計與制造5/10/20232第二頁，共四十一頁。SMB（～board）（1）表面貼裝對PCB的要求比THT高一個數(shù)量級以上

·外觀要求高

·熱膨脹系數(shù)小，導(dǎo)熱系數(shù)高

·耐熱性要求

·銅箔的粘合強度高

·抗彎曲強度：

·電性能要求：介電常數(shù)，絕緣性能

·耐清洗5/10/20233第三頁，共四十一頁。對SMB性能要求高5/10/20234第四頁，共四十一頁。SMB的特點

1.高密度 由于有些SMD器件引腳數(shù)高達100～500條之多，引腳中心距已由1.27mm過渡到0.5mm，甚至0.3mm，因此SMB要求細線、窄間距，線寬從0.2～0.3mm縮小到0.15mm、0.1mm甚至0.05mm，2.54mm網(wǎng)格之間已由過雙線已發(fā)展到過3根導(dǎo)線,最新技術(shù)已達到過6根導(dǎo)線，細線、窄間距極大地提高了PCB的安裝密度。

2.小孔徑

單面PCB中的過孔主要用來插裝元器件，而在SMB中大多數(shù)金屬化孔不再用來插裝元器件，而是用來實現(xiàn)層與層導(dǎo)線之間的互連。目前SMB上的孔徑為Φ0.46～Φ0.3mm，并向Φ0.2～Φ0.1mm方向發(fā)展，與此同時，出現(xiàn)了以盲孔和埋孔技術(shù)為特征的內(nèi)層中繼孔。

5/10/20235第五頁，共四十一頁。

3.熱膨脹系數(shù)(CTE)低 由于SMD器件引腳多且短，器件本體與PCB之間的CTE不一致。由于熱應(yīng)力而造成器件損壞的事情經(jīng)常會發(fā)生，因此要求SMD基材的CTE應(yīng)盡可能低，以適應(yīng)與器件的匹配性，如今，CSP、FC等芯片級的器件已用來直接貼裝在SMB上，這就對SMB的CTE提出了更高的要求。

4.耐高溫性能好

SMT焊接過程中，經(jīng)常需要雙面貼裝元器件，因此要求SMB能耐兩次再流焊溫度，并要求SMB變形小、不起泡，焊盤仍有優(yōu)良的可焊性，SMB表面仍有較高的光潔度。

5.平整度高

SMB要求很高的平整度，以便SMD引腳與SMB焊盤密切配合，SMB焊盤表面涂覆層不再使用Sn／Pb合金熱風整平工藝，而是采用鍍金工藝或者預(yù)熱助焊劑涂覆工藝。5/10/20236第六頁，共四十一頁。PCB基材質(zhì)量參數(shù)

1.玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)

玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(Tg)是指PCB材質(zhì)在一定溫度條件下，基材結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的臨界溫度。在這個溫度之下基材是硬而脆的，即類似玻璃的形態(tài)，通常稱之為玻璃態(tài);若在這個溫度之上，材料會變軟，呈橡膠樣形態(tài)，稱之為橡膠態(tài)或皮革態(tài)，這時它的機械強度將明顯變低。 這種決定材料性能的臨界溫度稱為玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(glasstranstiontemperture，簡稱Tg)。玻璃化轉(zhuǎn)變溫度是聚合物特有的性能,除了陶瓷基板外，幾乎所有的層壓板都含有聚合物，因此，它是選擇基板的—個關(guān)鍵參數(shù)。5/10/20237第七頁，共四十一頁。

2.熱膨脹系數(shù)(CTE)

熱膨脹系數(shù)(CoefficientofThermalExpansionCTE)是指每單位溫度變化所引發(fā)的材料尺寸的線性變化量。任何材料受熱后都會膨脹，高分子材料的CTE通常高于無機材料，當膨脹應(yīng)力超過材料承受限度時，會對材料產(chǎn)生損壞。用于SMB的多層板是由幾片單層“半固化樹脂片”熱壓制成的，冷卻后再在需要的位置上鉆孔并進行電鍍處理，最后生成電鍍通孔－－金屬化孔，金屬化孔制成后，也就實現(xiàn)了SMB層與層之間的互連。一般金屬化孔的孔壁僅在25μm厚左右，且銅層致密性不會很高。對于多層板結(jié)構(gòu)的SMB來說，其長、寬方向的CTE與厚度方向的CTE存在差異性。因此當多層板焊接受熱時，層壓材料、玻璃纖維和銅層之間在厚度方向的熱膨脹系數(shù)不一致，其熱應(yīng)力就會作用在金屬化孔的孔壁上，從而引發(fā)金屬化孔中的銅層開裂，發(fā)生故障，如圖3-5所示。5/10/20238第八頁，共四十一頁。圖3-5熱應(yīng)力對金屬化孔壁的作用

a)多層板室溫下無應(yīng)力，金屬化孔完好

b)高溫下熱應(yīng)力作用在金屬化孔上5/10/20239第九頁，共四十一頁?？朔蛳饘倩字械你~層開裂的措施：

①凹蝕工藝，以增強金屬化孔壁與多層板的結(jié)合力；②適當控制多層板的層數(shù)，目前主張使用8～10層，使金屬孔的徑深比控制在1：3左右，這是最保險的徑深比，目前最常見的徑深比是1：6左右；③使用CTE相對小的材料或者用CTE性能相反的材料疊加使用，使SMB整體的CTE減小；④在SMB制造工藝上，采用盲孔和埋孔技術(shù)，如圖3-6所示，以達到減小徑深比的目的。盲孔是指表層和內(nèi)部某些分層互連，無須貫穿整個基板，減小了孔的深度；埋孔則僅是內(nèi)部分層之間的互連，可使孔的深度進一步減小。盡管盲孔和埋孔在制作時難度大，但卻大大提高了SMB的可靠性。5/10/202310第十頁，共四十一頁。

3.耐熱性某些工藝過程中SMB需經(jīng)兩次再流焊，因而經(jīng)過一次高溫后，仍然要求保持板間的平整度，方能保證二次貼片的可靠性;而SMB焊盤越來越小，焊盤的粘結(jié)強度相對較小，若SMB使用的基材耐熱性高，則焊盤的抗剝強度也較高，一般要求SMB能具有2500C／50s的耐熱性。

4.電氣性能由于無線通信技術(shù)向高頻化方向發(fā)展，對SMB的高頻特性要求更加提高，特別是移動通信系統(tǒng)的擴增，所用的頻率也由短波帶(300M～1GHz)逐漸進入微波帶(1～3GHz)。頻率的增高會導(dǎo)致基材的介電常數(shù)(ε)增大。通常電路信號的傳輸速度V(m／s)與ε有關(guān)：其中，K為常數(shù)，C為光速，ε為PCB的介電常數(shù)。5/10/202311第十一頁，共四十一頁。

當PCB的ε增大時，電路信號的傳輸速度V降低。例如，聚四氯乙烯基板的ε為2.6～3，環(huán)氧基板的ε為4.5～4.9，前者比后者低35%～47%，若采用前者制作SMB，則其信號速度比后者要快40%。此外，若從信號損失角度來分析，電介質(zhì)材料在交變電場的作用下會因發(fā)熱而消耗能量，通常用介質(zhì)損耗角正切(tanδ)表示,一般情況下tanδ與ε成正比關(guān)系。若tanδ增大，介質(zhì)吸收波長和熱，損失大，在高頻下這種關(guān)系就更加明顯，它直接影響高頻傳輸信號的效率?？傊藕蛅anδ是評估SMB基材電氣性能的重要參數(shù)，當電路的工作頻率大于1GHz時通常要求基材的ε＜3.5，tanδ＜0.02。此外，評估基材電氣性能指標的還有抗電強度、絕緣電阻，抗電弧性能等。5/10/202312第十二頁，共四十一頁。

5.平整度

SMB要求很高的平整度，以使SMD引腳與SMB焊盤密切配合。SMB焊盤表面涂覆層不僅使用Sn／Pb合金熱風整平工藝，而且大量采用鍍金工藝或者預(yù)熱助焊劑涂覆工藝。

6.特性阻抗當脈動電通過導(dǎo)體時，除了受到電阻外，還受到感抗(XL)和容抗(XC)的阻力，電路或元件對通過其中的交流電流所產(chǎn)生的阻礙作用稱為阻抗，簡稱Z0。用于高頻線路的SMB應(yīng)有高精度的特性阻抗。 影響Zo值有多方面的因素，如絕緣層的介電常數(shù)ε、絕緣層的厚度H、導(dǎo)線寬度W、導(dǎo)電層的厚度T(包括鍍金層的厚度)，其ε、H、T與PCB基材本身特性有關(guān)。5/10/202313第十三頁，共四十一頁。

表面組裝印制板的設(shè)計

SMT產(chǎn)品的質(zhì)量保證，除生產(chǎn)管理、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)工藝之外，SMB的設(shè)計也是一個十分重要的問題。在設(shè)計表面組裝印制電路板之前，應(yīng)按下圖充分考慮。5/10/202314第十四頁，共四十一頁。表面組裝印制板設(shè)計的基本原則

1.元器件布局 布局是按照電原理圖的要求和元器件的外形尺寸，將元器件均勻整齊地布置在PCB上，并能滿足整機的機械和電氣性能要求。布局合理與否不僅影響PCB組裝件和整機的性能和可靠性，而且也影響PCB及其組裝件加工和維修的難易度，所以布局時盡量做到以下幾點： ①元器件分布均勻、排在同一電路單元的元器件應(yīng)相對集中排列，以便于調(diào)試和維修； ②有相互連線的元器件應(yīng)相對靠近排列，以利于提高布線密度和保證走線距離最短； ③對熱敏感的元器件，布置時應(yīng)遠離發(fā)熱量大的元器件； ④相互可能有電磁干擾的元器件，應(yīng)采取屏蔽或隔離措施。5/10/202315第十五頁，共四十一頁。

2.布線規(guī)則

布線是按照電原理圖和導(dǎo)線表以及需要的導(dǎo)線寬度與間距布設(shè)印制導(dǎo)線，布線一般應(yīng)遵守如下規(guī)則：①在滿足使用要求的前提下，選擇布線方式的順序為單層→雙層→多層，即布線可簡時不繁。②兩個連接盤之間的導(dǎo)線布設(shè)盡量短，敏感的信號、小信號先走，以減少小信號的延遲與干擾。模擬電路的輸入線旁應(yīng)布設(shè)接地線屏蔽；同一層導(dǎo)線的布設(shè)應(yīng)分布均勻；各導(dǎo)線上的導(dǎo)電面積要相對均衡，以防板子翹曲。③信號線改變方向應(yīng)走斜線或圓滑過渡,而且曲率半徑大一些好，避免電場集中、信號反射和產(chǎn)生額外的阻抗。5/10/202316第十六頁，共四十一頁。

④數(shù)字電路與模擬電路在布線上應(yīng)分隔開，以免互相干擾，如在同一層則應(yīng)將兩種電路的地線系統(tǒng)和電源系統(tǒng)的導(dǎo)線分開布設(shè)，不同頻率的信號線中間應(yīng)布設(shè)接地線隔開，避免發(fā)生串擾。為了測試的方便，設(shè)計上應(yīng)設(shè)定必要的斷點和測試點。 ⑤電路元件接地、接電源時走線要盡量短、盡量近，以減少內(nèi)阻。 ⑥上下層走線應(yīng)互相垂直，以減少耦合，切忌上下層走線對齊或平行。 ⑦高速電路的多根I／O線以及差分放大器、平衡放大器等電路的I／O線長度應(yīng)相等,以避免產(chǎn)生不必要的延遲或相移。 ⑧焊盤與較大面積導(dǎo)電區(qū)相連接時，應(yīng)采用長度不小于0.5mm的細導(dǎo)線進行熱隔離，細導(dǎo)線寬度不小于0.13mm。

5/10/202317第十七頁，共四十一頁。

⑨最靠近板的邊緣的導(dǎo)線，距離印制板邊緣的距離應(yīng)大于5mm，需要時接地線可以靠近板的邊緣。如果印制板加工過程中要插入導(dǎo)軌，則導(dǎo)線距板的邊緣至少要大于導(dǎo)軌槽深的距離。

⑩雙面板上的公共電源線和接地線，盡量布設(shè)在靠近板的邊緣，并且分布在板的兩面，其圖形配置要使電源線和地線之間為低的阻抗。多層板可在內(nèi)層設(shè)置電源層和地線層，通過金屬化孔與各層的電源線和接地線連接，內(nèi)層大面積的導(dǎo)線和電源線、地線應(yīng)設(shè)計成網(wǎng)狀，可提高多層板層間結(jié)合力。5/10/202318第十八頁，共四十一頁。

3.導(dǎo)線寬度 印制導(dǎo)線的寬度由導(dǎo)線的負載電流、允許的溫升和銅箔的附著力決定。一般印制板的導(dǎo)線寬度不小于0.2mm，厚度為18μm以上，對于SMT印制板和高密度板的導(dǎo)線寬度可小于0.2mm，導(dǎo)線越細其加工難度越大，所以在布線空間允許的條件下，應(yīng)適當選擇寬一些的導(dǎo)線，通常的設(shè)計原則如下： ①信號線應(yīng)粗細一致，這樣有利于阻抗匹配，一般推薦線寬為0.2～0.3mm(8～12mil)，而對于電源地線則走線面積越大越好，可以減少干擾。對高頻信號最好用地線屏蔽，可以提高傳輸效果。②在高速電路與微波電路中，規(guī)定了傳輸線的特性阻抗，此時導(dǎo)線的寬度和厚度應(yīng)滿足特性阻抗要求。③在大功率電路設(shè)計中，還應(yīng)考慮到電源密度，此時應(yīng)考慮到線寬與厚度以及線間的絕緣性能。若是內(nèi)層導(dǎo)體，允許的電流密度約為外層導(dǎo)體的一半。5/10/202319第十九頁，共四十一頁。

4.印制導(dǎo)線間距

印制板表層導(dǎo)線間的絕緣電阻是由導(dǎo)線間距、相鄰導(dǎo)線平行段的長度、絕緣介質(zhì)(包括基材和空氣)所決定的，在布線空間允許的條件下，應(yīng)適當加大導(dǎo)線間距。

5.元器件的選擇

元器件的選擇應(yīng)充分考慮到PCB實際面積的需要，盡可能選用常規(guī)元器件。不可盲目地追求小尺寸的元器件，以免增加成本，IC器件應(yīng)注意引腳形狀與腳間距，對小于0.5mm腳間距的QFP應(yīng)慎重考慮，不如直接選用BGA封裝的器件，此外對元器件的包裝形式、端電極尺寸、可焊性、器件的可靠性、溫度的承受能力(如能否適應(yīng)無鉛焊接的需要)都應(yīng)考慮到。5/10/202320第二十頁，共四十一頁。

6.PCB基材的選用 選擇基材應(yīng)根據(jù)PCB的使用條件和機械、電氣性能要求來選擇；根據(jù)印制板結(jié)構(gòu)確定基材的覆銅箔面數(shù)(單面、雙面或多層板)；根據(jù)印制板的尺寸、單位面積承載元器件質(zhì)量，確定基材板的厚度。不同類型材料的成本相差很大，在選擇PCB基材時應(yīng)考慮到下列因素：

①電氣性能的要求;

②Tg、CTE、平整度等因素以及孔金屬化的能力;

③價格因素。5/10/202321第二十一頁，共四十一頁。

7.印制板的抗電磁干擾設(shè)計 對于外部的電磁干擾，可通過整機的屏蔽措施和改進電路的抗干擾設(shè)計來解決。對PCB組裝件本身的電磁干擾，在進行PCB布局、布線設(shè)計時，應(yīng)考慮抑制設(shè)計，常用以下方法： ①可能相互產(chǎn)生影響或干擾的元器件，在布局時應(yīng)盡量遠離或采取屏蔽措施。 ②不同頻率的信號線，不要相互靠近平行布線；對高頻信號線，應(yīng)在其一側(cè)或兩側(cè)布設(shè)接地線進行屏蔽。 ③對于高頻、高速電路，應(yīng)盡量設(shè)計成雙面和多層印制板。雙面板的一面布設(shè)信號線，另一面可以設(shè)計成接地面；多層板中可把易受干擾的信號線布置在地線層或電源層之間;對于微波電路用的帶狀線，傳輸信號線必須布設(shè)在兩接地層之間，并對其間的介質(zhì)層厚度按需要進行計算。5/10/202322第二十二頁，共四十一頁。

④晶體管的基極印制線和高頻信號線應(yīng)盡量設(shè)計得短，減少信號傳輸時的電磁干擾或輻射。⑤不同頻率的元器件不共用同一條接地線，不同頻率的地線和電源線應(yīng)分開布設(shè)。⑥數(shù)字電路與模擬電路不共用同一條地線，在與印制板對外地線連接處可以有一個公共接點。⑦工作時電位差比較大的元器件或印制線，應(yīng)加大相互之間的距離。5/10/202323第二十三頁，共四十一頁。

8.PCB的散熱設(shè)計 隨著印制板上元器件組裝密度的提高，若不能及時有效地散熱，將會影響電路的工作參數(shù)，甚至熱量過大會使元器件失效，所以對印制板的散熱問題，設(shè)計時必須認真考慮，一般采取以下措施： ①加大印制板上與大功率元件接地面的銅箔面積： ②發(fā)熱量大的元器件不貼板安裝，或外加散熱器； ③對多層板的內(nèi)層地線應(yīng)設(shè)計成網(wǎng)狀并靠近板的邊緣; ④選擇阻燃或耐熱型的板材。

9.PCB板做成圓弧角

直角的PCB板在傳送時容易產(chǎn)生卡板，因此在設(shè)計PCB板時，要對板框做圓弧角處理，根據(jù)PCB板尺寸的大小確定圓弧角的半徑。拼板和加有輔助邊的PCB板在輔助邊上做圓弧角。5/10/202324第二十四頁，共四十一頁。

SMC／SMD焊盤設(shè)計

1.SMC片式元件的焊盤設(shè)計 片式元件焊接后理想的焊接形態(tài)如圖3-13所示。 從圖中可以看出它有兩個焊點，分別在電極的外側(cè)和內(nèi)側(cè)，外側(cè)焊點又稱主焊點，主焊點呈彎月面狀，維持焊接強度；內(nèi)焊點起到補強和焊接時自對中作用,不可輕視。由圖3-13可知理想的焊盤長度為B=bl+T+b2，式中b1取值范圍為0.05～0.3mm,b2取值范圍為0.25～1.3mm。5/10/202325第二十五頁，共四十一頁。圖3-13理想的焊接形態(tài)5/10/202326第二十六頁，共四十一頁。圖3-14焊盤的內(nèi)外側(cè)距離

對于焊盤寬度A的設(shè)計有下列三種情況：用于高可靠性場合時，焊盤寬度A=1.1×元件寬度,

用于工業(yè)級產(chǎn)品時，焊盤寬度A=1.0×元件寬度；用于消費類產(chǎn)品時，焊盤寬度A=(0.9～1.0)×元件寬。焊盤間距G應(yīng)適當小于元件兩端焊頭之間的距離，焊盤外側(cè)距離D=L+2b2,如圖3-14所示。

5/10/202327第二十七頁，共四十一頁。

在SMT中，柱狀無源元器件(MELF)的焊盤圖形設(shè)計與焊接工藝密切相關(guān)，MELF焊盤圖形如圖3-17所示。當采用貼片一波峰焊時，其焊盤圖形可參照片狀元件的焊盤設(shè)計原則來設(shè)計；當采用再流焊時，為了防止柱狀元器件的滾動，焊盤上必須開一個缺口，以利于元器件的定位。 計算公式：A=Lmax-2Tmax-0.254 B=dmax+Tmin+0.254 C=dmax-0.254 D=B-(2B+A-Lmax)/2 E=0.2mm5/10/202328第二十八頁，共四十一頁。

2.小外形封裝晶體管焊盤的設(shè)計

在SMT中，小外形封裝晶體管(SOT)的焊盤圖形設(shè)計較為簡單，一般來說，只要遵循下述規(guī)則即可。 ①焊盤間的中心距與器件引線間的中心距相等； ②焊盤的圖形與器件引線的焊接面相似，但在長度方向上應(yīng)擴展0.3mm，在寬度方向上應(yīng)減少0.2mm：若是用于波峰焊則長度方向及寬度方向均應(yīng)擴展0.3mm。 使用中應(yīng)注意SOT的品種，如SOT-23、SOT-89、SOTl43和DPAK等，SOT焊盤圖形如圖3-18所示。5/10/202329第二十九頁，共四十一頁。

圖3-18SOT焊盤圖形5/10/202330第三十頁，共四十一頁。

3.PLCC焊盤設(shè)計

PLCC封裝的器件至今仍大量使用，但焊盤設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)錯誤，并導(dǎo)致焊接后焊料不能完全包裹“L”引腳的下沿，PLCC焊盤圖形如圖3-19所示。PLCC焊盤圖形如圖3-19所示。LCCC封裝的焊盤圖形和PLCC焊盤圖形相似，設(shè)計時可參考圖3-19。5/10/202331第三十一頁，共四十一頁。

圖3-20PLCC引腳在焊盤上的位置

a)引腳居中型b)引腳不居中型5/10/202332第三十二頁，共四十一頁。

4.QFP焊盤設(shè)計

這種焊盤其焊盤長度和引腳長度的最佳比為L2:Ll=(2.5～3):1,或者L2=F+L1+A(F為端部長0.4mm；A為趾部長0.6mm;Ll為器件引腳長度;L2為焊盤長度)。QFP焊盤的設(shè)計尺寸如圖3-21所示。焊盤寬度通常?。?.49P≤b2≤0.54P(P為引腳公稱尺寸；b2為焊盤寬度)。對于引腳中心距0.5mm間距的QFP焊盤設(shè)計，以FQFP48器件為例，它的外形尺寸如圖3-22所示。考慮以上各種因素，則L1=0.5(mm)(器件規(guī)定)；

L2:L1=3:1；

L2=F+L1+A=0.4+0.5+0.6=1.5(mm)；b=0.5P=0.5×0.5=0.25(mm)。設(shè)計完成后的焊盤尺寸如圖3-23所示。5/10/202333第三十三頁，共四十一頁。圖3-21QFP焊盤的設(shè)計5/10/202334第三十四頁，共四十一頁。圖3-22FQFP48器件的外形尺寸5/10/202335第三十五頁，共四十一頁。圖3-23FQFP48器件焊盤尺寸5/10/202336第三十六頁，共四十一頁。

5.BGA焊盤設(shè)計

BGA焊點的形態(tài)如圖所示，圖中Dc、Do是器件基板的焊盤尺寸，Db是焊球的尺寸，Dp是PCB焊盤尺寸，H是焊球的高度