表面貼器件PCB占位的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)和指南

您正在設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)功能嗎？請不要擔(dān)心，雖然不能獲得用于生產(chǎn)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(shù)據(jù)頁獲得元件封裝的機(jī)械圖紙，下面的指南就幫助您快速地設(shè)計(jì)出諸如銅層占位、焊料掩?？住⒑噶险辰Y(jié)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(shè)計(jì)順利進(jìn)入測試實(shí)驗(yàn)。

有些工程師感嘆，過去那種能夠在實(shí)驗(yàn)室中快速地對電路構(gòu)想進(jìn)行測試和驗(yàn)證的“面包板”原型時(shí)代，已經(jīng)一去不復(fù)返。生育高峰時(shí)期出生的工程師們尚在深深地懷念過去晚上在餐巾紙上畫好電路草圖、明天就在實(shí)驗(yàn)室用電線搭成電路、在工作臺上就可以通過驗(yàn)證實(shí)際工作情況和觀察波形來試驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的時(shí)光。不過，這并不意味著他們習(xí)慣于一些亂七八糟的接線。即使在面包板問世以前，設(shè)計(jì)人員也是非常仔細(xì)地考慮元件的布置和信號線的走向問題以避免串?dāng)_、飄移電感和電容對電路造成負(fù)面影響。

無論如何，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法與點(diǎn)對點(diǎn)“鼠穴”狀接線兼容。另外特別是像ASIC這樣的許多半導(dǎo)體元件只有表面貼裝形式。這樣，在設(shè)計(jì)一個(gè)SOIC時(shí)一般都不會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(shè)計(jì)的高密度布局也可能存在差別。

快速將PCB轉(zhuǎn)換為原型

在過去制作PCB時(shí)，要將膠帶和粘結(jié)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，精心開發(fā)的PCB CAD布局軟件已經(jīng)取代了過去這種單調(diào)乏味的、通過手工“掩膜”來制作PCB藝術(shù)品的工作。

現(xiàn)在，工程師可以依靠軟件自動進(jìn)行布線設(shè)計(jì)的調(diào)試過程，最新的CAD軟件提供了直觀的圖形用戶界面，而且還支持從相關(guān)的原理圖(原理俘獲)程序中導(dǎo)入元件和接線信息(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(zhuǎn)換PCB原型庫結(jié)合起來，就可以獲得過去的那種便捷的面包板功能，仍然可以設(shè)計(jì)出接近于最終設(shè)計(jì)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(xí)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(shù)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(yàn)板上。

按如下5個(gè)步驟使用CAD軟件可以快速而簡便地制作出一個(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，將引線和總線連接起來。
2．將捕獲的電路原理導(dǎo)入到PCB布局軟件，移動元件封裝直到獲得紊亂最小的元件座，然后進(jìn)行布線，軟件即可以生成一個(gè)CAM文件。
3．在線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(yīng)的占位，然后將裝配好元件的電路板放進(jìn)回流爐這樣一件簡單的工作(注意：一個(gè)專用的“烘烤爐”更適合于回流工作)。

原型設(shè)計(jì)中的問題？

在設(shè)計(jì)中您可能會發(fā)現(xiàn)庫中沒有您所需要的元件，但這個(gè)問題確實(shí)是一個(gè)非常普遍的問題(在只包含一般元件的PCB布局軟件的元件庫中就可能沒有ASIC或新型器件或特殊器件)。在這種情況下，電路設(shè)計(jì)師或原型師必須為軟件包的元件庫自己創(chuàng)建相應(yīng)的器件。

這項(xiàng)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(shè)計(jì)。不過，一個(gè)典型的雙面板會包括幾個(gè)與每個(gè)元件有關(guān)的特殊層，不過不需要擔(dān)心，如果采用逐步逼近的方法，創(chuàng)建庫中沒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(shè)計(jì)工作先從確定PCB元件占位的層數(shù)開始。在電路板的上面(“元件側(cè)”)必不可少的布線層是銅層、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(dāng)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(qū)域，模版層(油膏層)為用來將焊料“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(shè)備所需要的信息，而文檔層一般用來給出器件的概略說明，這兩層都不會出現(xiàn)在實(shí)際電路板上。

器件的數(shù)據(jù)冊中可能會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，則在銅層簡單地再現(xiàn)同樣大小和樣式的焊盤即可)，但在其它出版物中也可以找到這些信息。例如，F(xiàn)reescale應(yīng)用筆記AN2409中就提供了整個(gè)微距SOIC封裝系列器件的焊盤尺寸。

在使用PCB布局軟件逐步創(chuàng)建一個(gè)表面貼裝焊盤的過程中，我們假設(shè)沒有提供占位圖紙。在這個(gè)練習(xí)中，我們以四方扁平無引線(PQFN)封裝電源器件做為例子。

在Freescale公司的應(yīng)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，引線盤位于該封裝元件的底面。所有PQFN封裝器件都設(shè)計(jì)有單個(gè)裸露芯片安裝盤(標(biāo)記)或多個(gè)裸露芯片安裝盤，這取決于器件要求和目標(biāo)應(yīng)用。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會JEDEC已經(jīng)注冊了一個(gè)標(biāo)志符MO251用以描述單個(gè)裸露盤PQFN封裝?！痹诒纠兴褂玫钠骷?shù)據(jù)冊是MC33922/MC3492 4.0A雙電源H橋。

銅層

要布置占位，首先打開PCB布局軟件的庫編輯器，在現(xiàn)有庫中創(chuàng)建一個(gè)新的元件或?yàn)樾略?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(shù)PCB布局軟件包都可以提供2D分層制圖屏幕。

現(xiàn)在將您的注意力轉(zhuǎn)到數(shù)據(jù)冊第19頁#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(shè)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?jiǎng)h除的臨時(shí)線以繪圖原點(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)部分的尺寸，這是因?yàn)樾枰鶕?jù)這些端子的尺寸來確定相應(yīng)銅層焊盤的尺寸。在本例中，有四種不同尺寸的端子：其中16個(gè)端子長1.525 mm(標(biāo)稱)、寬0.565 mm(標(biāo)稱)；8個(gè)端子長0.775 mm(標(biāo)稱)、寬0.565 mm(標(biāo)稱)；4個(gè)端子長1.005 mm(標(biāo)稱)、寬0.565 mm(標(biāo)稱)；一個(gè)端子(裸露的散熱盤)長達(dá)9.4 mm(標(biāo)稱)、寬6 mm(標(biāo)稱)，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(biāo)稱間距為0.8 mm?，F(xiàn)在已經(jīng)獲得了繪制元件占位所需要的基本尺寸數(shù)據(jù)。我們給出的第一條指南是：

指南1：對于間距非常小的精細(xì)間距端子，創(chuàng)建一個(gè)其寬度略微小于引線/端子寬度的焊盤，向外拉長一些，使其長度大于引線/端子長度。

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(shè)計(jì)，這個(gè)焊盤寬度可以再寬一些。但是，對于原型設(shè)計(jì)，必須保證將端子之間搭接的危險(xiǎn)減小到最低限度，這樣才能避免將時(shí)間浪費(fèi)因焊料過多引起短路故障的排除上(此情形類似于手工制版涂敷焊料的過程) 。

對于16個(gè)1.525×0.565mm的端子，可按1.675×0.515 mm的PCB焊盤尺寸對待，這樣就可以用PCB布局軟件來創(chuàng)建這種尺寸規(guī)格的焊盤(例如，選擇“change”，再選擇“Smd”，然后輸入1.675 x 0.515即可)。特殊尺寸的焊盤也可以這樣處理(尺寸較大的散熱盤除外，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。

這意味著在圖上引腳1的位置和方向應(yīng)該與通過X射線向下透視銅層時(shí)所看到的位置和方向一樣。許多PCB布局軟件在創(chuàng)建焊盤會依次編號，確認(rèn)第1個(gè)焊盤設(shè)置在引腳1的位置，然后以俯視角度依次布置其它焊盤。

為布置這些焊盤，需要臨時(shí)改變網(wǎng)格間距，使其等于標(biāo)稱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。注意焊盤的位置使其長度超出封裝周界大約0.15 mm，然后繼續(xù)按引腳順序布置焊盤，在布置到臨近邊時(shí)，牢記必要時(shí)改變焊盤尺寸，重新調(diào)整引腳引腳基線間距(圖2)。

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

經(jīng)過專門設(shè)計(jì)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(biāo)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區(qū)域以冷卻更大面積的銅層(PCB低部及(或)多層PCB的內(nèi)層)，裸露的焊盤必須創(chuàng)建成一個(gè)不規(guī)則的多邊形。

注意選擇合適的線條寬度以繪制細(xì)節(jié)部分，但線條也不要過細(xì)，以免耗費(fèi)大量的CAM工具處理時(shí)間。(記住將多邊形用同樣寬度的線條進(jìn)行填充)。用戶可以使用某些元件庫對細(xì)小復(fù)雜的裸露焊盤進(jìn)行簡化，但必須注意在焊盤周圍保持至少0.2 mm的最小空隙(圖3)。

繼續(xù)工作前，不要忘記刪除銅層的臨時(shí)參考線。設(shè)計(jì)銅層的裸露焊盤并不困難，但要設(shè)計(jì)焊料掩膜層(阻焊層)和焊料模版層的裸露焊盤還是需要一些技巧的。

焊接掩膜層

完成了銅層的設(shè)計(jì)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焊料的區(qū)域，這樣焊接掩膜由焊接掩膜區(qū)域內(nèi)的光孔組成，在有光孔的地方銅層裸露出來以便于焊接。

在第一種情況下，根據(jù)焊接掩膜來考慮焊盤的設(shè)計(jì)(SMD)，這就是說掩膜決定可焊接的銅層區(qū)域，這是因?yàn)檠谀痈采w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(shè)計(jì)，另外還可以有效保護(hù)免于焊接搭接和其它原型短路的危害。

不過，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中那些小尺寸端子的SMD焊盤是不受歡迎的。這是因?yàn)殂~層焊盤的頂部焊接掩膜邊緣會在焊接點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)，在經(jīng)受長期的周期性溫度變化時(shí)會產(chǎn)生裂縫。鑒于這個(gè)原因，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，掩膜光孔應(yīng)大于焊盤尺寸，以使銅層焊盤周邊有一個(gè)大約0.065 mm的外圍區(qū)域，這種情況叫做非焊接掩膜決定焊盤(NSMD)。

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

一旦創(chuàng)建了不同的焊盤四方形，就可以簡單地將它們復(fù)制粘貼到焊盤內(nèi)。尺寸大的裸露焊盤可以作為整體復(fù)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有一個(gè)略小于焊盤(以灰色表示)掩膜孔眼(以黃色表示)，因此這個(gè)焊盤就是焊接掩膜決定焊盤。

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)印刷過程中用來將焊料粘結(jié)劑準(zhǔn)確地涂敷到PCB的焊盤上。模版緊密地貼在PCB表面，過孔的圖案應(yīng)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(jié)劑透過模版涂到PCB上，即使采用手工方式，每分鐘也可以用焊接粘結(jié)劑“印好”數(shù)張電路板，以備下一步裝配元件。

涂敷到電路板上焊接粘結(jié)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，可在手工制作過程中反復(fù)使用。這里假設(shè)在模版層設(shè)計(jì)中也采用同樣的厚度。

指南5：除那些裸露的散熱焊盤或其它大尺寸光孔外，所有引腳/端子焊盤都采用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以便在大尺寸焊盤與周圍引腳/端子焊盤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(shè)置到“on”則可以自動完成上述任務(wù)，為每個(gè)端子焊盤的模版層創(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(xì)間距和標(biāo)準(zhǔn)間距引線。

不過，對于裸露焊盤多邊形，需要手工來創(chuàng)建版圖。首先切換到銅層(這樣可以觀察到此多邊形)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(qū)域內(nèi)創(chuàng)建一組窗格孔(確認(rèn)您將這些正方形設(shè)置在模版層上)。圖5所示為覆蓋在銅層版圖上已完成設(shè)計(jì)的模版孔眼。

注意從多邊形邊界、特別是從邊角(向內(nèi))分離裸露焊盤模版孔眼的方式，這可以減少焊料過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(xiàn)在PCB上的人機(jī)界面信息，它對電路功能沒有任何作用，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?qū)y試和調(diào)試提供協(xié)助。

按照慣例，絲網(wǎng)層由元件名稱層、位置層和數(shù)值層組成，元件名稱層提供元件ID，例如U1、R1、C5和Q。數(shù)值層包含與元件有關(guān)的參數(shù)，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(rèn)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)線寬。改變字體類型到“vector”，并根據(jù)需要調(diào)整比例和尺寸以創(chuàng)建可讀的字母和數(shù)字。

不要在每個(gè)引腳旁邊設(shè)置數(shù)字，應(yīng)該在SOIC的引腳1上設(shè)置標(biāo)簽。對于QFN封裝元件，在每個(gè)引腳的角上標(biāo)注數(shù)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)視圖處于可見狀態(tài)，主要不要使絲網(wǎng)數(shù)字/字母/線條與焊料掩膜孔過于接近，否則墨水將會洇到已作好的PCB焊接掩膜下陷部位。

保持最小的線條寬度，調(diào)整字體比例和尺寸以獲得便于閱讀的文本，在元件周圍設(shè)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，雖然沒有針對生產(chǎn)進(jìn)行優(yōu)化，但對于原型應(yīng)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面包板，保持快速的概念實(shí)驗(yàn)循環(huán)，支持工程師的創(chuàng)新活動。