SMT技术3-SMB设计

8/2/20191SMT--表面组装技术机械工业出版社同名教材何丽梅主编8/2/20192•第3章•表面组装印制版的设计与制造8/2/20193SMB（～board）（1）表面贴装对PCB的要求比THT高一个数量级以上·外观要求高·热膨胀系数小，导热系数高·耐热性要求·铜箔的粘合强度高·抗弯曲强度：·电性能要求：介电常数，绝缘性能·耐清洗8/2/20194对SMB性能要求高8/2/20195SMB的特点•1.高密度•由于有些SMD器件引脚数高达100～500条之多，引脚中心距•已由1.27mm过渡到0.5mm，甚至0.3mm，因此SMB要求细线、窄间距，线宽从0.2～0.3mm缩小到0.15mm、0.1mm甚至0.05mm，2.54mm网格之间已由过双线已发展到过3根导线,最新技术已达到过6根导线，细线、窄间距极大地提高了PCB的安装密度。•2.小孔径•单面PCB中的过孔主要用来插装元器件，而在SMB中大多数金•属化孔不再用来插装元器件，而是用来实现层与层导线之间的互连。•目前SMB上的孔径为Φ0.46～Φ0.3mm，并向Φ0.2～Φ0.1mm方•向发展，与此同时，出现了以盲孔和埋孔技术为特征的内层中继孔。8/2/20196•3.热膨胀系数(CTE)低•由于SMD器件引脚多且短，器件本体与PCB之间的CTE不一•致。由于热应力而造成器件损坏的事情经常会发生，因此要求SMD基材的CTE应尽可能低，以适应与器件的匹配性，如今，CSP、FC等芯片级的器件已用来直接贴装在SMB上，这就对SMB的CTE提出了更高的要求。•4.耐高温性能好•SMT焊接过程中，经常需要双面贴装元器件，因此要求SMB能•耐两次再流焊温度，并要求SMB变形小、不起泡，焊盘仍有优良的可焊性，SMB表面仍有较高的光洁度。•5.平整度高•SMB要求很高的平整度，以便SMD引脚与SMB焊盘密切配合，•SMB焊盘表面涂覆层不再使用Sn／Pb合金热风整平工艺，而是采用•镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。8/2/20197PCB基材质量参数•1.玻璃化转变温度(Tg)•玻璃化转变温度(Tg)是指PCB材质在一定温度条件下，基材结构发生变化的临界温度。在这个温度之下基材是硬而脆的，即类似玻璃的形态，通常称之为玻璃态;若在这个温度之上，材料会变软，呈橡胶样形态，称之为橡胶态或皮革态，这时它的机械强度将明显变低。•这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度(glasstranstiontemperture，简称Tg)。玻璃化转变温度是聚合物特有的性能,除了陶瓷基板外，几乎所有的层压板都含有聚合物，因此，它是选择基板的—个关键参数。8/2/201982.热膨胀系数(CTE)•热膨胀系数(CoefficientofThermalExpansionCTE)是指每单位温度变化所引发的材料尺寸的线性变化量。•任何材料受热后都会膨胀，高分子材料的CTE通常高于无机材料，当膨胀应力超过材料承受限度时，会对材料产生损坏。用于SMB的多层板是由几片单层“半固化树脂片”热压制成的，冷却后再在需要的位置上钻孔并进行电镀处理，最后生成电镀通孔－－金属化孔，金属化孔制成后，也就实现了SMB层与层之间的互连。一般金属化孔的孔壁仅在25μm厚左右，且铜层致密性不会很高。•对于多层板结构的SMB来说，其长、宽方向的CTE与厚度方向的CTE存在差异性。因此当多层板焊接受热时，层压材料、玻璃纤维和铜层之间在厚度方向的热膨胀系数不一致，其热应力就会作用在金属化孔的孔壁上，从而引发金属化孔中的铜层开裂，发生故障，如图3-5所示。8/2/20199图3-5热应力对金属化孔壁的作用a)多层板室温下无应力，金属化孔完好b)高温下热应力作用在金属化孔上8/2/201910克服或消除金属化孔中的铜层开裂的措施：•①凹蚀工艺，以增强金属化孔壁与多层板的结合力；•②适当控制多层板的层数，目前主张使用8～10层，使金属孔的•径深比控制在1：3左右，这是最保险的径深比，目前最常见的径深比是1：6左右；•③使用CTE相对小的材料或者用CTE性能相反的材料叠加使用，•使SMB整体的CTE减小；•④在SMB制造工艺上，采用盲孔和埋孔技术，如图3-6所示，以•达到减小径深比的目的。盲孔是指表层和内部某些分层互连，无须贯•穿整个基板，减小了孔的深度；埋孔则仅是内部分层之间的互连，可•使孔的深度进一步减小。尽管盲孔和埋孔在制作时难度大，但却大大提高了SMB的可靠性。8/2/201911•3.耐热性•某些工艺过程中SMB需经两次再流焊，因而经过一次高温后，仍然要求保持板间的平整度，方能保证二次贴片的可靠性;而SMB焊盘越来越小，焊盘的粘结强度相对较小，若SMB使用的基材耐热性高，则焊盘的抗剥强度也较高，一般要求SMB能具有2500C／50s的耐热性。•4.电气性能•由于无线通信技术向高频化方向发展，对SMB的高频特性要求更加提高，特别是移动通信系统的扩增，所用的频率也由短波带(300M～1GHz)逐渐进入微波带(1～3GHz)。频率的增高会导致基材的介电常数(ε)增大。通常电路信号的传输速度V(m／s)与ε有关：•其中，K为常数，C为光速，ε为PCB的介电常数。CKV8/2/201912•当PCB的ε增大时，电路信号的传输速度V降低。例如，聚四氯乙烯基板的ε为2.6～3，环氧基板的ε为4.5～4.9，前者比后者低35%～47%，若采用前者制作SMB，则其信号速度比后者要快40%。•此外，若从信号损失角度来分析，电介质材料在交变电场的作用下会因发热而消耗能量，通常用介质损耗角正切(tanδ)表示,一般情况下tanδ与ε成正比关系。•若tanδ增大，介质吸收波长和热，损失大，在高频下这种关系就更加明显，它直接影响高频传输信号的效率。•总之，ε和tanδ是评估SMB基材电气性能的重要参数，当电路的工作频率大于1GHz时通常要求基材的ε＜3.5，tanδ＜0.02。此外，评估基材电气性能指标的还有抗电强度、绝缘电阻，抗电弧性能等。8/2/201913•5.平整度•SMB要求很高的平整度，以使SMD引脚与SMB焊盘密切配合。SMB焊盘表面涂覆层不仅使用Sn／Pb合金热风整平工艺，而且大量采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。•6.特性阻抗•当脉动电通过导体时，除了受到电阻外，还受到感抗(XL)和容抗(XC)的阻力，电路或元件对通过其中的交流电流所产生的阻碍作用称为阻抗，简称Z0。用于高频线路的SMB应有高精度的特性阻抗。影响Zo值有多方面的因素，如绝缘层的介电常数ε、绝缘层的厚度H、导线宽度W、导电层的厚度T(包括镀金层的厚度)，其ε、H、T与PCB基材本身特性有关。8/2/201914表面组装印制板的设计•SMT产品的质量保证，除生产管理、生产设备、生产工艺之外，SMB的设计也是一个十分重要的问题。在设计表面组装印制电路板之前，应按下图充分考虑。8/2/201915表面组装印制板设计的基本原则•1.元器件布局•布局是按照电原理图的要求和元器件的外形尺寸，将元器件均匀整齐地布置在PCB上，并能满足整机的机械和电气性能要求。布局合理与否不仅影响PCB组装件和整机的性能和可靠性，而且也影响PCB及其组装件加工和维修的难易度，所以布局时尽量做到以下几点：•①元器件分布均匀、排在同一电路单元的元器件应相对集中排•列，以便于调试和维修；•②有相互连线的元器件应相对靠近排列，以利于提高布线密度和•保证走线距离最短；•③对热敏感的元器件，布置时应远离发热量大的元器件；•④相互可能有电磁干扰的元器件，应采取屏蔽或隔离措施。8/2/201916•2.布线规则•布线是按照电原理图和导线表以及需要的导线宽度与间距布设印制导线，布线一般应遵守如下规则：•①在满足使用要求的前提下，选择布线方式的顺序为单层→双层•→多层，即布线可简时不繁。•②两个连接盘之间的导线布设尽量短，敏感的信号、小信号先•走，以减少小信号的延迟与干扰。模拟电路的输入线旁应布设接地线•屏蔽；同一层导线的布设应分布均匀；各导线上的导电面积要相对均•衡，以防板子翘曲。•③信号线改变方向应走斜线或圆滑过渡,而且曲率半径大一些•好，避免电场集中、信号反射和产生额外的阻抗。8/2/201917•④数字电路与模拟电路在布线上应分隔开，以免互相干扰，如在同一层则应将两种电路的地线系统和电源系统的导线分开布设，不同频率的信号线中间应布设接地线隔开，避免发生串扰。为了测试的方便，设计上应设定必要的断点和测试点。•⑤电路元件接地、接电源时走线要尽量短、尽量近，以减少内阻。•⑥上下层走线应互相垂直，以减少耦合，切忌上下层走线对齐或平行。•⑦高速电路的多根I／O线以及差分放大器、平衡放大器等电路•的I／O线长度应相等,以避免产生不必要的延迟或相移。•⑧焊盘与较大面积导电区相连接时，应采用长度不小于0.5mm•的细导线进行热隔离，细导线宽度不小于0.13mm。•8/2/201918•⑨最靠近板的边缘的导线，距离印制板边缘的距离应大于•5mm，需要时接地线可以靠近板的边缘。如果印制板加工过程中要•插入导轨，则导线距板的边缘至少要大于导轨槽深的距离。••⑩双面板上的公共电源线和接地线，尽量布设在靠近板的边缘，•并且分布在板的两面，其图形配置要使电源线和地线之间为低的阻•抗。多层板可在内层设置电源层和地线层，通过金属化孔与各层的电•源线和接地线连接，内层大面积的导线和电源线、地线应设计成网•状，可提高多层板层间结合力。8/2/201919•3.导线宽度•印制导线的宽度由导线的负载电流、允许的温升和铜箔的附着力决定。•一般印制板的导线宽度不小于0.2mm，厚度为18μm以上，对于SMT•印制板和高密度板的导线宽度可小于0.2mm，导线越细其加工难度越大，所•以在布线空间允许的条件下，应适当选择宽一些的导线，通常的设计原则如下：•①信号线应粗细一致，这样有利于阻抗匹配，一般推荐线宽为0.2～•0.3mm(8～12mil)，而对于电源地线则走线面积越大越好，可以减少干•扰。对高频信号最好用地线屏蔽，可以提高传输效果。•②在高速电路与微波电路中，规定了传输线的特性阻抗，此时导线的宽•度和厚度应满足特性阻抗要求。•③在大功率电路设计中，还应考虑到电源密度，此时应考虑到线宽与厚度以及线间的绝缘性能。若是内层导体，允许的电流密度约为外层导体的一半。8/2/201920•4.印制导线间距•印制板表层导线间的绝缘电阻是由导线间距、相邻导线平行段的长度、绝缘介质(包括基材和空气)所决定的，在布线空间允许的条件下，应适当加大导线间距。•5.元器件的选择•元器件的选择应充分考虑到PCB实际面积的需要，尽可能选用常规元器件。不可盲目地追求小尺寸的元器件，以免增加成本，IC器件应注意引脚形状与脚间距，对小于0.5mm脚间距的QFP应慎重考虑，不如直接选用BGA封装的器件，此外对元器件的包装形式、端电极尺寸、可焊性、器件的可靠性、温度的承受能力(如能否适应无铅焊接的需要)都应考虑到。8/2/201921•6.PCB基材的选用•选择基材应根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求来选择；根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数(单面、双面或多层板)；根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件质量，确定基材板的厚度。不同类型材料的成本相差很大，在选择PCB基材时应考虑到下列因素：••①电气性能的要求;••②Tg、CTE、平整度等因素以及孔金属化的能力;••③价格因素。8/2/201922•7.印制板的抗电磁干扰设计•对于外部的电磁干扰，可通过整机的屏蔽措施和改进电路的抗干扰设计来解决。对PCB组装件本身的电磁干扰，在进行PCB布局、布线设计时，应考虑抑制设计，常用以下方法：•①可能相互产生影响或干扰的元器件，在布局时应尽量远离或采取屏蔽措施。•②不同频率的信号线，不要相互靠近平行布线；对高频信号线，应在其一侧或两侧布设接地线进行屏蔽。•③对于高频、高速电路，应尽量设计成双面和多层印制板。双面板的一面布设信号线，另一面可以设计成接地面；多层板中可把易受干扰的信号线布置在地线