什么是PCB設計和開(kāi)發(fā)中的焊盤(pán)？

2021-04-01

什么是PCB設計和開(kāi)發(fā)中的焊盤(pán)？

電路板組件的質(zhì)量取決于幾個(gè)因素，例如電路板和組件之間的接口。這使焊盤(pán)成為PCB設計和開(kāi)發(fā)的重要組成部分，因為它用作組件和電路板之間電接觸的指定表面積。

什么是PCB設計中的焊盤(pán)？

焊盤(pán)是電路板上的金屬線(xiàn)的裸露區域，元件引線(xiàn)已焊接到該區域上。結合使用多個(gè)焊盤(pán)可在PCB上生成組件占位面積或焊盤(pán)圖案?？捎玫膬煞N類(lèi)型的焊盤(pán)是通孔焊盤(pán)和表面安裝焊盤(pán)。

表面貼裝墊的墊設計

通孔焊盤(pán)的焊盤(pán)設計

表面貼裝墊

用于安裝 表面安裝組件的焊盤(pán)稱(chēng)為表面安裝焊盤(pán)。這些墊具有以下功能： 

焊盤(pán)顯示銅線(xiàn)區域?？梢允蔷匦?，圓形，正方形或長(cháng)方形。 

阻焊層

焊錫膏 

打擊墊編號（組件存在的打擊墊數量）

BGA墊的特殊功能

SMD墊vs NSMD墊

正確的焊盤(pán)設計對于確保BGA組件的可制造性至關(guān)重要。BGA焊盤(pán)基本上有兩種類(lèi)型-阻焊層定義的焊盤(pán)（SMD）和非阻焊層定義的焊盤(pán)（NSMD）。

阻焊層定義（SMD）BGA焊盤(pán) 

SMD焊盤(pán)由應用于BGA焊盤(pán)的阻焊膜孔定義。這些焊盤(pán)具有阻焊層孔，以使掩模開(kāi)口小于它們覆蓋的焊盤(pán)的直徑。這樣做是為了縮小零件將要焊接到的銅焊盤(pán)的尺寸。

該圖顯示了如何指定阻焊劑覆蓋下面的一部分銅焊盤(pán)。這可以帶來(lái)兩個(gè)好處-首先，重疊的掩模有助于防止焊盤(pán)由于機械應力或熱應力而脫離電路板。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，當零件在整個(gè)焊接過(guò)程中移動(dòng)時(shí)，掩模上的開(kāi)口將為BGA上的每個(gè)焊球對準一個(gè)通道。

傳統上，SMD BGA焊盤(pán)的銅層直徑等于BGA上的焊盤(pán)直徑。為了生成SMD覆蓋層，傳統上將其減少20％。

SMD和NSMD墊

非焊料掩模定義的BGA焊盤(pán)（NSMD）

NSMD焊盤(pán)與SMD焊盤(pán)的不同之處在于，將阻焊層定義為不接觸銅焊盤(pán)。代替地，形成掩模使得在焊盤(pán)邊緣和阻焊劑之間產(chǎn)生間隙。 

NSMD墊的橫截面

此處，銅焊盤(pán)尺寸由銅焊盤(pán)直徑而不是掩模層定義。

NSMD焊盤(pán)可以小于焊球的直徑，而焊盤(pán)尺寸的這種減小是焊球直徑的20％。這種方法在相鄰的焊盤(pán)之間留出更多空間，使走線(xiàn)更容易，并用于高密度和小間距BGA芯片。NSMD墊的一個(gè)缺點(diǎn)是由于熱應力和機械應力導致它們極易分層。但是，如果遵循標準的制造和處理方法，則可以防止NSMD護墊分層。

通孔墊

用于安裝通孔組件的焊盤(pán)稱(chēng)為通孔焊盤(pán)，有兩種類(lèi)型：

電鍍通孔（PTH）

PTH是指帶有通孔的焊盤(pán)?？妆趯㈠冦~，有時(shí)還會(huì )鍍焊料或其他保護性鍍層?？纂婂兪峭ㄟ^(guò)電解過(guò)程完成的。該鍍層提供了板的不同層之間的電連接。

非鍍通孔

NPTH是指在孔中沒(méi)有電鍍的焊盤(pán)。該墊主要用于單面板，或者這些孔用于將PCB安裝在外殼中，螺釘通過(guò)這些孔安裝。通常，未電鍍的孔在孔的周?chē)鷮](méi)有任何銅的區域（類(lèi)似于板的邊緣間隙）。這樣做是為了防止銅層和要放置的零件之間短路。

通孔焊盤(pán)的不同部分通常稱(chēng)為焊盤(pán)堆疊，由以下部分組成：

頂墊

底墊

內墊

鉆頭

環(huán)形圈

針號 

可以在墊子上放置通孔嗎？–是的，作為通孔

在HDI設計中，在空間受限的情況下，有必要在焊盤(pán)上放置過(guò)孔。 傳統的過(guò)孔具有從焊盤(pán)到走線(xiàn)的信號承載走線(xiàn)。焊盤(pán)內通孔可通過(guò)減少走線(xiàn)布線(xiàn)占用的空間來(lái)最小化PCB的尺寸。焊盤(pán)內通孔用于間距小于等于0.5 mm的BGA組件。

墊中通孔

傳統通孔與焊盤(pán)通孔

什么是焊盤(pán)？

焊盤(pán)用于將管芯上的電路連接到封裝芯片上的引腳的目的。金線(xiàn)的一側將連接到焊盤(pán)，而另一側將連接到封裝。接合墊由彼此堆疊并通過(guò)通孔連接的所有金屬層制成。這允許從芯片核心到焊盤(pán)的連接。

芯片還需要在整個(gè)芯片上具有絕緣體或鈍化層，以保護內核免受環(huán)境污染。要求焊盤(pán)易于接近以連接到芯片封裝，因此不能被絕緣層包裹。玻璃層用于告知制造商需要在何處進(jìn)行粘合的開(kāi)口。 

什么是通過(guò)插入PCB？

通孔堵塞是一種用于用樹(shù)脂完全填充通孔或用阻焊劑封閉的技術(shù)。此過(guò)程與通孔帳篷化的不同之處在于，樹(shù)脂或阻焊膜不會(huì )填充通孔，而只是提供覆蓋。

通過(guò)之前通過(guò)插入

阻焊后通孔

實(shí)施通孔堵塞是一種預防措施，可在焊接過(guò)程中確保通孔不受不良的焊料流的影響。如果在焊接過(guò)程中未插入或固定過(guò)孔，則焊料可能會(huì )從焊盤(pán)流入孔中并形成多余的焊點(diǎn)。

可以使用導電或非導電材料來(lái)實(shí)現通孔堵塞。導通孔的導電填充有助于將電流從板的一側傳導到另一側。使用導電填充物的缺點(diǎn)是周?chē)鷮訅喊搴蛯щ娞畛湮镏g的熱膨脹系數（CTE）不同。當PCB運行時(shí)，導電材料的加熱速度將比周?chē)膶訅喊蹇?，膨脹并導致破裂。這在所考慮的通孔壁和接觸墊之間。

填充有非導電材料的通孔將能夠像普通通孔一樣工作，但是將無(wú)法承載高電流，例如導電填充通孔。

手動(dòng)墊設計中的錯誤

如今，自動(dòng)化已被用于消除墊的手動(dòng)設計。墊的手動(dòng)設計涉及使用設計軟件工具繪制所需的墊形狀?？梢允褂脭祿砗凸结槍νㄓ煤副P(pán)形狀和尺寸進(jìn)行映射。

手動(dòng)過(guò)程容易出錯，因為制造商的規格并不總是遵循與自動(dòng)化過(guò)程相同的公式。這會(huì )導致錯誤的焊盤(pán)形狀和尺寸，從而導致不良結果，例如：

通孔突圍

通孔焊盤(pán)需要一個(gè)實(shí)心的環(huán)形圈以提高可焊性。環(huán)形圈是墊的外周和孔壁之間的金屬。環(huán)形圈的尺寸規格必須足夠大，以補償鉆頭從孔的中心漂移。如果焊盤(pán)太小，可能會(huì )導致開(kāi)裂，從而導致斷線(xiàn)，電路不完整或焊接不當。

焊點(diǎn)不足

焊盤(pán)過(guò)小的SMT組件在焊接過(guò)程中可能無(wú)法獲得合適的焊錫角。缺少良好的圓角會(huì )導致焊點(diǎn)變弱并破裂。

浮動(dòng)零件

在此，安裝在焊盤(pán)上的SMT組件過(guò)大可能會(huì )在回流焊過(guò)程中浮出位置。這可能會(huì )導致電路之間短路。

墓碑零件

當焊盤(pán)尺寸不相同時(shí)，帶有兩條較小引線(xiàn)的SMT組件（例如電阻器和電容器）可能會(huì )出現問(wèn)題。一個(gè)墊的加熱速度比另一個(gè)墊快的缺陷稱(chēng)為“墓碑撞擊”，因為該組件將從另一個(gè)墊上拉起，看起來(lái)像一個(gè)墓碑。要了解有關(guān)墓碑的更多信息，請閱讀表面貼裝技術(shù)（SMT）中的8個(gè)常見(jiàn)錯誤。

與其他金屬的短褲

小于要求的焊盤(pán)可能會(huì )在靠近焊接到其上的組件的表面留下痕跡，從而導致短路的可能性。大于要求的焊盤(pán)可能會(huì )妨礙焊盤(pán)之間的布線(xiàn)，從而使布線(xiàn)成為一項挑戰。

墊堆疊元素

PCB中最常見(jiàn)的孔類(lèi)型是鉆孔和電鍍孔。墊疊包括鉆孔的所有功能，這些功能可以是電鍍孔，非電鍍孔，埋入孔或盲孔。

下圖是PCB上鉆孔和鍍孔的圖形。

墊疊元素

上面顯示的結構的俯視圖：

通孔元素

下圖所示的孔的可見(jiàn)元素：

兩個(gè)外層的捕獲墊

內層的捕獲墊

鉆孔直徑

孔電鍍

穿過(guò)木板鉆孔的陰影投射的陰影

平面間隙孔 

上圖顯示了鉆孔的關(guān)鍵方面，其定義如下：

Via：這是任何鍍覆的通孔，可用于將信號從板表面連接到內部層或更改層。

長(cháng)寬比：這是鉆孔的長(cháng)度與其直徑之比。

捕獲墊：此墊用于將走線(xiàn)連接到鍍覆的通孔或過(guò)孔。該墊子使鉆孔中的鍍層陷入困境。

間隙墊：這是在平面上蝕刻的孔，鉆孔穿過(guò)該孔。它也被稱(chēng)為反焊盤(pán)，因為在早期的繪圖儀中，平面圖稿是作為負片創(chuàng )建的。

孔陰影：這是一個(gè)圓柱體，其直徑是鉆孔的直徑加上鉆削游隙的余量。該陰影投射在所有層中，它是用于計算與平面或走線(xiàn)的絕緣間距的表面。

平面層：這是形成PCB中一層的銅層。

環(huán)形圈：這是捕獲板的最小直徑之上的捕獲板的額外直徑，該尺寸恰好包含了鉆孔所投射的陰影。該額外的銅用于在進(jìn)入焊盤(pán)的走線(xiàn)和孔鍍層之間建立連接。另外，此連接絕不能是走線(xiàn)的末端橫截面，以免在焊接過(guò)程中導致接頭失效。

裂口：在這種情況下，鉆孔是如此偏心，以致于鉆孔并不全部包含在捕獲墊中。通過(guò)創(chuàng )建比要求的厚度更薄的絕緣層，或通過(guò)在走線(xiàn)和電鍍通孔之間建立對接（端接），可以最大程度地降低PCB的可靠性。

非功能性焊盤(pán)：這些是內層上的焊盤(pán)，不需要將走線(xiàn)連接到電鍍通孔?，F代PCB制造操作中不需要非功能性焊盤(pán)。 

焊盤(pán)設計的制造和可靠性注意事項

要確保PCB焊盤(pán)堆疊設計滿(mǎn)足可制造性和可靠性要求，需要考慮以下幾個(gè)因素：

最大容差在相對的導體之間建立了最小的絕緣，在這種情況下，這是指孔鍍層以及走線(xiàn)和平面層中的銅。他們需要符合工程產(chǎn)品的標準。對于電信設備，要求的最小絕緣間隔為4密耳，對于其他產(chǎn)品，最小絕緣間隔為5密耳。

在走線(xiàn)與鍍通孔或過(guò)孔之間需要牢固的連接。

長(cháng)寬比必須使孔壁能夠承受電鍍過(guò)程中的應力而不會(huì )失效。

即使遵循上述準則，鉆孔也不一定會(huì )按規定穿過(guò)板子。由于以下因素，可能會(huì )發(fā)生這種情況：

鉆頭可能偏離首選鉆削軸（偏心率）的地方會(huì )發(fā)生鉆頭漂移

薄膜層的對準誤差

層壓時(shí)層壓板收縮。這可能會(huì )導致鉆孔位置錯誤。

層壓過(guò)程中層的定位不正確

鉆探漂移是指鉆孔偏離實(shí)際應有的位置。每個(gè)制造商在完成其過(guò)程后都將達到公差，稱(chēng)為鉆孔公差。該鉆孔公差用于定義每個(gè)鉆孔的孔陰影。高精度制造商可以將公差降低到±5密耳，也稱(chēng)為TIR（總半徑）。在美國，中級制造商可以將此公差降低至±6密耳，而其他制造商可以將其公差降低至±7密耳。對于PCB設計者來(lái)說(shuō)，重要的是要知道在哪里制造板，以便為鉆頭漂移誤差提供準確的余量。當進(jìn)行大批量生產(chǎn)時(shí)，鉆頭的游動(dòng)公差應更高。

PCB焊盤(pán)尺寸的行業(yè)標準和計算器

IPC標準中密度等級A，B和C之間的差異
級別A，級別B和級別C描述了IPC標準中相對易于制造的度量。

密度級別A用于一般設計的可生產(chǎn)性和首選級別。用于低組件密度板。在這種情況下，封裝的幾何形狀為“最大”。實(shí)施此技術(shù)可實(shí)現最可靠的生產(chǎn)能力。

密度等級B用于中等設計生產(chǎn)率，是標準等級，適用于回流焊，波峰焊，拖曳或浸焊。在這種情況下，覆蓋區幾何形狀為“中值”。該技術(shù)提供了牢固的焊料附著(zhù)條件。

密度級別C用于提高設計的可重復性，密度級別C在降低的級別，用于高組件密度。在這種情況下，占地面積幾何形狀是“最小”的。此技術(shù)用于制造手持式和便攜式設備。

根據IPC-7251，IPC-2222和IPC-2221標準計算PTH孔和焊盤(pán)直徑尺寸

計算PTH孔和焊盤(pán)直徑尺寸的步驟如下：

找到最大引線(xiàn)直徑

您需要找到組件的包裝圖或數據表中可用的最大引線(xiàn)直徑。下圖顯示了不同形狀類(lèi)型的最大引線(xiàn)直徑：

圓形PTH引線(xiàn)需要圓孔形狀

矩形PTH引線(xiàn)需要矩形孔形狀。 

方形PTH引線(xiàn)需要方形孔形狀。

不同零件形狀的最大引線(xiàn)直徑

計算最小孔尺寸

通孔引線(xiàn)的最小孔尺寸

最小孔尺寸是根據以下公式計算的：

對于IPC-2222的A級

最小孔尺寸=最大引線(xiàn)直徑+ 0.25mm（10mil）

對于IPC-2222的B級

最小孔尺寸=最大引線(xiàn)直徑+ 0.20mm（8mil）

對于IPC-2222的C級

最小孔尺寸=最大引線(xiàn)直徑+ 0.15mm（6mil）

 

計算墊直徑

在計算最小孔尺寸后，您需要知道最小環(huán)形圈為0.05mm（50um）。根據IPC-2221，A級，B級和C級的最小制造余量分別為0.6mm，0.5mm和0.4mm。

 

墊直徑=最小孔尺寸+最小環(huán)形圈x 2 +最小制造余量。

對于IPC-2221的A級

焊盤(pán)直徑=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.60mm（24mil）

對于IPC-2221的B級

墊片直徑=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.50mm（20mil）

對于IPC-2221的C級

焊盤(pán)直徑=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.40mm（1600萬(wàn)）

 

IPC-7251和7351 padstack命名約定

墊紙疊由字母和數字的組合表示，代表不同板上的形狀或焊盤(pán)尺寸。根據IPC-2220設計標準，將這些組合與焊盤(pán)圖案約定結合使用。

填充堆棧符號的第一部分包括用小寫(xiě)形式表示的焊盤(pán)形狀。有6個(gè)基本的土地形狀標識符。 

b –長(cháng)方形

c –圓形

d – D形（一端為正方形，另一端為圓形）

r –矩形

s –平方

u –輪廓（指不規則形狀）

Padstack默認值：

阻焊膜的面積比例為1：1

粘貼蒙版的比例為土地面積的1：1比例

裝配層的土地按土地面積的1：1比例成比例

內層和外層焊盤(pán)的形狀相同

主要和次要土地面積相同

內層的焊盤(pán)形狀，過(guò)孔和安裝孔均為圓形

散熱內徑，外徑和輻條寬度尺寸遵循IPC等級A，B或C，散熱件具有4個(gè)輻條

平面間隙和防墊尺寸遵循IPC A，B或C級

例子：

“ c140h80” 

c表示直徑1.40mm的圓形平臺

h表示孔徑0.80mm

s450

“ s”表示SMT焊盤(pán)面積為4.50mm

計算焊盤(pán)尺寸的資源

焊盤(pán)尺寸有多種規格，例如IPC-7351標準，其中詳細說(shuō)明了PCB設計人員可以使用的所需規格。電路板設計人員可以用來(lái)計算焊盤(pán)尺寸的其他資源包括：

焊盤(pán)和焊盤(pán)圖案生成器：如今的電子設計自動(dòng)化（EDA）工具包括焊盤(pán)和焊盤(pán)圖案生成器，也稱(chēng)為庫向導。此類(lèi)軟件功能通常與IPC標準結合使用，并將自動(dòng)生成組件所需的焊盤(pán)形狀和尺寸。

PCB設計CAD供應商庫：EDA工具還提供了預制的焊盤(pán)庫和焊盤(pán)圖案，可以下載和使用。購買(mǎi)了設計工具使用許可的用戶(hù)可以使用這些工具。

第三方CAD庫供應商：用戶(hù)可以從第三方PCB庫組件供應商購買(mǎi)和下載焊盤(pán)和焊盤(pán)圖案。您甚至可以找到專(zhuān)門(mén)為組件創(chuàng )建的所需焊盤(pán)和焊盤(pán)圖案。

焊盤(pán)和焊盤(pán)圖案計算器：設計人員和其他用戶(hù)可以輕松地在線(xiàn)找到各種焊盤(pán)和焊盤(pán)圖案計算器。

設計提示：使用在線(xiàn)提供的或在線(xiàn)自動(dòng)生成的行業(yè)標準零件可以節省大量時(shí)間，否則可能會(huì )浪費在創(chuàng )建庫中。這還提供了一個(gè)額外的保證，即可以根據行業(yè)或供應商的規范創(chuàng )建CAD組件，從而滿(mǎn)足制造商的DFM要求。

焊盤(pán)是PCB設計和制造的重要組成部分。電路板設計人員需要掌握這一點(diǎn)，才能設計出功能齊全且高效的電路板。