什么是PCB設計和開發中的焊盤？

2021-04-01

什么是PCB設計和開發中的焊盤？

電路板組件的質量取決于幾個因素，例如電路板和組件之間的接口。這使焊盤成為PCB設計和開發的重要組成部分，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？

焊盤是電路板上的金屬線的裸露區域，元件引線已焊接到該區域上。結合使用多個焊盤可在PCB上生成組件占位面積或焊盤圖案。可用的兩種類型的焊盤是通孔焊盤和表面安裝焊盤。

表面貼裝墊的墊設計

通孔焊盤的焊盤設計

表面貼裝墊

用于安裝 表面安裝組件的焊盤稱為表面安裝焊盤。這些墊具有以下功能： 

焊盤顯示銅線區域。可以是矩形，圓形，正方形或長方形。 

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

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

阻焊層定義（SMD）BGA焊盤 

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

該圖顯示了如何指定阻焊劑覆蓋下面的一部分銅焊盤。這可以帶來兩個好處-首先，重疊的掩模有助于防止焊盤由于機械應力或熱應力而脫離電路板。第二個優點是，當零件在整個焊接過程中移動時，掩模上的開口將為BGA上的每個焊球對準一個通道。

傳統上，SMD BGA焊盤的銅層直徑等于BGA上的焊盤直徑。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（NSMD）

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

NSMD墊的橫截面

此處，銅焊盤尺寸由銅焊盤直徑而不是掩模層定義。

NSMD焊盤可以小于焊球的直徑，而焊盤尺寸的這種減小是焊球直徑的20％。這種方法在相鄰的焊盤之間留出更多空間，使走線更容易，并用于高密度和小間距BGA芯片。NSMD墊的一個缺點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稱為通孔焊盤，有兩種類型：

電鍍通孔（PTH）

PTH是指帶有通孔的焊盤。孔壁將鍍銅，有時還會鍍焊料或其他保護性鍍層?？纂婂兪峭ㄟ^電解過程完成的。該鍍層提供了板的不同層之間的電連接。

非鍍通孔

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

通孔焊盤的不同部分通常稱為焊盤堆疊，由以下部分組成：

頂墊

底墊

內墊

鉆頭

環形圈

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，有必要在焊盤上放置過孔。 傳統的過孔具有從焊盤到走線的信號承載走線。焊盤內通孔可通過減少走線布線占用的空間來最小化PCB的尺寸。焊盤內通孔用于間距小于等于0.5 mm的BGA組件。

墊中通孔

傳統通孔與焊盤通孔

什么是焊盤？

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

芯片還需要在整個芯片上具有絕緣體或鈍化層，以保護內核免受環境污染。要求焊盤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行粘合的開口。 

什么是通過插入PCB？

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

通過之前通過插入

阻焊后通孔

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

可以使用導電或非導電材料來實現通孔堵塞。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是周圍層壓板和導電填充物之間的熱膨脹系數（CTE）不同。當PCB運行時，導電材料的加熱速度將比周圍的層壓板快，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，但是將無法承載高電流，例如導電填充通孔。

手動墊設計中的錯誤

如今，自動化已被用于消除墊的手動設計。墊的手動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形狀和尺寸進行映射。

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

通孔突圍

通孔焊盤需要一個實心的環形圈以提高可焊性。環形圈是墊的外周和孔壁之間的金屬。環形圈的尺寸規格必須足夠大，以補償鉆頭從孔的中心漂移。如果焊盤太小，可能會導致開裂，從而導致斷線，電路不完整或焊接不當。

焊點不足

焊盤過小的SMT組件在焊接過程中可能無法獲得合適的焊錫角。缺少良好的圓角會導致焊點變弱并破裂。

浮動零件

在此，安裝在焊盤上的SMT組件過大可能會在回流焊過程中浮出位置。這可能會導致電路之間短路。

墓碑零件

當焊盤尺寸不相同時，帶有兩條較小引線的SMT組件（例如電阻器和電容器）可能會出現問題。一個墊的加熱速度比另一個墊快的缺陷稱為“墓碑撞擊”，因為該組件將從另一個墊上拉起，看起來像一個墓碑。要了解有關墓碑的更多信息，請閱讀表面貼裝技術（SMT）中的8個常見錯誤。

與其他金屬的短褲

小于要求的焊盤可能會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。大于要求的焊盤可能會妨礙焊盤之間的布線，從而使布線成為一項挑戰。

墊堆疊元素

PCB中最常見的孔類型是鉆孔和電鍍孔。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元素：

兩個外層的捕獲墊

內層的捕獲墊

鉆孔直徑

孔電鍍

穿過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。

長寬比：這是鉆孔的長度與其直徑之比。

捕獲墊：此墊用于將走線連接到鍍覆的通孔或過孔。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，鉆孔穿過該孔。它也被稱為反焊盤，因為在早期的繪圖儀中，平面圖稿是作為負片創建的。

孔陰影：這是一個圓柱體，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的絕緣間距的表面。

平面層：這是形成PCB中一層的銅層。

環形圈：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入焊盤的走線和孔鍍層之間建立連接。另外，此連接絕不能是走線的末端橫截面，以免在焊接過程中導致接頭失效。

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。通過創建比要求的厚度更薄的絕緣層，或通過在走線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：這些是內層上的焊盤，不需要將走線連接到電鍍通孔?，F代PCB制造操作中不需要非功能性焊盤。 

焊盤設計的制造和可靠性注意事項

要確保PCB焊盤堆疊設計滿足可制造性和可靠性要求，需要考慮以下幾個因素：

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和平面層中的銅。他們需要符合工程產品的標準。對于電信設備，要求的最小絕緣間隔為4密耳，對于其他產品，最小絕緣間隔為5密耳。

在走線與鍍通孔或過孔之間需要牢固的連接。

長寬比必須使孔壁能夠承受電鍍過程中的應力而不會失效。

即使遵循上述準則，鉆孔也不一定會按規定穿過板子。由于以下因素，可能會發生這種情況：

鉆頭可能偏離首選鉆削軸（偏心率）的地方會發生鉆頭漂移

薄膜層的對準誤差

層壓時層壓板收縮。這可能會導致鉆孔位置錯誤。

層壓過程中層的定位不正確

鉆探漂移是指鉆孔偏離實際應有的位置。每個制造商在完成其過程后都將達到公差，稱為鉆孔公差。該鉆孔公差用于定義每個鉆孔的孔陰影。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設計者來說，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。當進行大批量生產時，鉆頭的游動公差應更高。

PCB焊盤尺寸的行業標準和計算器

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”。實施此技術可實現最可靠的生產能力。

密度等級B用于中等設計生產率，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”。該技術提供了牢固的焊料附著條件。

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孔和焊盤直徑尺寸

計算PTH孔和焊盤直徑尺寸的步驟如下：

找到最大引線直徑

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

圓形PTH引線需要圓孔形狀

矩形PTH引線需要矩形孔形狀。 

方形PTH引線需要方形孔形狀。

不同零件形狀的最大引線直徑

計算最小孔尺寸

通孔引線的最小孔尺寸

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=最大引線直徑+ 0.25mm（10mil）

對于IPC-2222的B級

最小孔尺寸=最大引線直徑+ 0.20mm（8mil）

對于IPC-2222的C級

最小孔尺寸=最大引線直徑+ 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+最小環形圈x 2 +最小制造余量。

對于IPC-2221的A級

焊盤直徑=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

焊盤直徑=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.40mm（1600萬）

 

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尺寸。根據IPC-2220設計標準，將這些組合與焊盤圖案約定結合使用。

填充堆棧符號的第一部分包括用小寫形式表示的焊盤形狀。有6個基本的土地形狀標識符。 

b –長方形

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

內層和外層焊盤的形狀相同

主要和次要土地面積相同

內層的焊盤形狀，過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焊盤面積為4.50mm

計算焊盤尺寸的資源

焊盤尺寸有多種規格，例如IPC-7351標準，其中詳細說明了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計算焊盤尺寸的其他資源包括：

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

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

第三方CAD庫供應商：用戶可以從第三方PCB庫組件供應商購買和下載焊盤和焊盤圖案。您甚至可以找到專門為組件創建的所需焊盤和焊盤圖案。

焊盤和焊盤圖案計算器：設計人員和其他用戶可以輕松地在線找到各種焊盤和焊盤圖案計算器。

設計提示：使用在線提供的或在線自動生成的行業標準零件可以節省大量時間，否則可能會浪費在創建庫中。這還提供了一個額外的保證，即可以根據行業或供應商的規范創建CAD組件，從而滿足制造商的DFM要求。

焊盤是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，才能設計出功能齊全且高效的電路板。