如何為 SMD 模塊設計 PCB 中的齒形孔

2021-06-03

如何為 SMD 模塊設計 PCB 中的齒形孔

SMD 模塊（如 ESP32-WROOM 或 Raspberry Pi Pico 微控制器板）使用一種稱(chēng)為城堡形的特殊安裝方式。如果您查看這些模塊，應該很清楚如何使用 PCB 上的齒形孔將 PCB 模塊安裝為 SMD 組件。這些小模塊正變得越來(lái)越流行并且易于使用，但它們可能看起來(lái)有點(diǎn)專(zhuān)門(mén)用于標準 PCB 制造過(guò)程。

盡管帶有用于排針的齒形孔和附加孔的模塊似乎不適合您的 CAD 軟件中的標準設計對象列表，但有一個(gè)簡(jiǎn)單的策略可以在模塊上放置一組齒形孔。在考慮制造過(guò)程和裝配中的一些困難時(shí)，您必須解決這個(gè)問(wèn)題，但您可以使用 ECAD 工具中的基本對象輕松地在 PCB 上放置齒形孔。

ECAD 軟件中的齒形孔

小模塊上使用齒形孔作為針頭安裝的替代方法?？紤] Arduino 帽子或屏蔽板外形；您可以設計帶有焊盤(pán)的主板，以安裝一系列齒形孔，而不是使用排針來(lái)配對兩塊板。

這允許您通過(guò) SMD 焊接將小型模塊（例如 Wifi 擴展模塊或電機驅動(dòng)器模塊）連接到主 PCB。不使用排針，在模塊上使用齒形孔將在模塊和載板之間提供牢固的焊接連接。要完成這項工作，您需要設計兩個(gè)數組：

沿 SMD 模塊邊緣的齒形孔陣列

載板表面上的焊盤(pán)陣列以固定 SMD 模塊

設計模塊上的孔陣列

齒形孔有兩種口味。首先，它們可以沿著(zhù)邊緣放置一個(gè)帶有附加墊的半孔。另一種形式的齒形孔包括一個(gè)鍍通孔，正好位于沿板邊緣的半切孔內。帶內鍍通孔的典型齒形排列如下圖所示：

沿 PCB 邊緣的齒形孔的粗略布局。

在這里，您只需要在 PCB 布局工具中使用常規焊盤(pán)來(lái)定義一系列齒形孔。只需將焊盤(pán)與電路板邊緣的通孔對齊，然后放置另一個(gè)直接延伸到電路板邊緣的焊盤(pán)，以在焊盤(pán)上提供額外的銅。

板邊緣后面的第二個(gè)孔陣列是可選的，您不會(huì )在每個(gè)使用齒形孔的 SMD 模塊上找到這些孔。第二排孔可以設計為接受排針或小規格電線(xiàn)。當您使用模塊進(jìn)行原型設計或在將模塊安裝到載板上之前對其進(jìn)行測試時(shí)，您可能會(huì )這樣做。如果您使用排針，則必須將排針從模塊背面焊接到孔中。如果使用太多焊料，您也將無(wú)法將模塊安裝在載板上。如果您正在考慮在生產(chǎn)的齒形模塊中使用帶有第二排電鍍通孔的排針，請記住這一點(diǎn)。

下圖顯示了如何將這些放置在您的 PCB 布局工具中的示例。在這張圖片中，我正在設計一個(gè)小模塊，沿著(zhù)電路板邊緣有一系列的齒形孔。請注意，我已經(jīng)放置了帶有電鍍通孔的標準焊盤(pán)，并且通孔懸掛在板的邊緣。這種懸垂可以在制造中解決。

帶有齒形孔的 PCB 作為 PCB 布局中的標準焊盤(pán)放置。

在主板上設計焊盤(pán)陣列

主板上的焊盤(pán)陣列應遵循其他 SMD 組件的標準焊盤(pán)圖案設計指南。盡管在焊接方面，齒形孔將被視為通孔特征，但這些孔可以像典型的通孔元件一樣焊接到焊盤(pán)上。焊接后，沿孔壁可見(jiàn)剩余的焊錫圓角。SparkFun 有一個(gè)很棒的教程，最終結果如下所示。

帶有焊接到載體 PCB 上的齒形孔的模塊。

如果您想確?？煽啃?，或者如果您正在設計一個(gè)需要 IPC 3 類(lèi)合規性的高可靠性應用，那么在創(chuàng )建您的齒形孔陣列時(shí)需要考慮一些重要的點(diǎn)。在這里，您需要設計主板上的焊盤(pán)，使其足夠大以容納整個(gè)焊點(diǎn)。在焊盤(pán)周?chē)褂靡粋€(gè)小的阻焊層擴展（每邊大約 4 密耳）來(lái)保持熔化的焊料并防止橋接也是一個(gè)好主意。

此外，如果您在陣列中使用第二排孔，重要的是在孔之間的區域放置一些阻焊層以形成阻焊層。在載板的焊盤(pán)上執行此操作，因為這是要涂抹焊膏的地方。這將防止熔化的焊料芯吸到后孔中。

在主板焊盤(pán)上放置一些阻焊層以防止焊錫芯吸。

制造帶有齒形孔的 PCB

將齒形孔放置到 PCB 上后，如何制造裸板？此處的目標是在標準工藝中確保高質(zhì)量和良率，但齒形孔似乎不適合標準 PCB 制造工藝。您的制造商可以通過(guò)修改 Gerbers 以指示鉆孔次數和沿板邊緣所需的電鍍來(lái)幫助您確保您的設計能夠通過(guò)制造。這通常需要以下 Gerbers（X2 格式）：

銅層（GTL 和 GBL）

定義在兩個(gè)電路板表面（GTS 和 GBS）上的阻焊開(kāi)口

鉆孔文件 (TXT/DRL)

有人會(huì )說(shuō)，城堡形孔的自然替代方案是僅使用焊盤(pán)將模塊安裝到主板上，就像任何其他 SMD 組件一樣。這樣做的主要問(wèn)題是潛在的污染；載板上的焊盤(pán)陣列可以在回流焊接過(guò)程中收集一些助焊劑的廢氣。另一種可能性是焊盤(pán)陣列上過(guò)多的焊膏抬高了模塊。這類(lèi)似于在組件中心具有大接地焊盤(pán)的 SMD IC 可能發(fā)生的情況。

焊接齒形孔陣列時(shí)，焊錫圓角會(huì )在焊接過(guò)程中暴露出來(lái)。只要主板上的焊盤(pán)陣列如上所述設計得當，涂抹焊膏并通過(guò)回流焊接、手工焊接或選擇性焊接放置組合板是一件簡(jiǎn)單的事情。在焊接過(guò)程中，您不會(huì )有從某些助焊劑中剝離或污染元件的可能性。