什么是PCB设计和开发中的焊盘？

2021-04-01

什么是PCB设计和开发中的焊盘？

電(diàn)路板组件的质量取决于几个因素，例如電(diàn)路板和组件之间的接口。这使焊盘成為(wèi)PCB设计和开发的重要组成部分(fēn)，因為(wèi)它用(yòng)作组件和電(diàn)路板之间電(diàn)接触的指定表面积。

什么是PCB设计中的焊盘？

焊盘是電(diàn)路板上的金属線(xiàn)的裸露區(qū)域，元件引線(xiàn)已焊接到该區(qū)域上。结合使用(yòng)多(duō)个焊盘可(kě)在PCB上生成组件占位面积或焊盘图案。可(kě)用(yòng)的两种类型的焊盘是通孔焊盘和表面安装焊盘。

表面贴装垫的垫设计

通孔焊盘的焊盘设计

表面贴装垫

用(yòng)于安装 表面安装组件的焊盘称為(wèi)表面安装焊盘。这些垫具有(yǒu)以下功能(néng)： 

焊盘显示铜線(xiàn)區(qū)域。可(kě)以是矩形，圆形，正方形或長(cháng)方形。 

阻焊层

焊锡膏 

打击垫编号（组件存在的打击垫数量）

BGA垫的特殊功能(néng)

SMD垫vs NSMD垫

正确的焊盘设计对于确保BGA组件的可(kě)制造性至关重要。BGA焊盘基本上有(yǒu)两种类型-阻焊层定义的焊盘（SMD）和非阻焊层定义的焊盘（NSMD）。

阻焊层定义（SMD）BGA焊盘 

SMD焊盘由应用(yòng)于BGA焊盘的阻焊膜孔定义。这些焊盘具有(yǒu)阻焊层孔，以使掩模开口小(xiǎo)于它们覆盖的焊盘的直径。这样做是為(wèi)了缩小(xiǎo)零件将要焊接到的铜焊盘的尺寸。

该图显示了如何指定阻焊剂覆盖下面的一部分(fēn)铜焊盘。这可(kě)以带来两个好处-首先，重叠的掩模有(yǒu)助于防止焊盘由于机械应力或热应力而脱离電(diàn)路板。第二个优点是，当零件在整个焊接过程中移动时，掩模上的开口将為(wèi)BGA上的每个焊球对准一个通道。

传统上，SMD BGA焊盘的铜层直径等于BGA上的焊盘直径。為(wèi)了生成SMD覆盖层，传统上将其减少20％。

SMD和NSMD垫

非焊料掩模定义的BGA焊盘（NSMD）

NSMD焊盘与SMD焊盘的不同之处在于，将阻焊层定义為(wèi)不接触铜焊盘。代替地，形成掩模使得在焊盘边缘和阻焊剂之间产生间隙。 

NSMD垫的横截面

此处，铜焊盘尺寸由铜焊盘直径而不是掩模层定义。

NSMD焊盘可(kě)以小(xiǎo)于焊球的直径，而焊盘尺寸的这种减小(xiǎo)是焊球直径的20％。这种方法在相邻的焊盘之间留出更多(duō)空间，使走線(xiàn)更容易，并用(yòng)于高密度和小(xiǎo)间距BGA芯片。NSMD垫的一个缺点是由于热应力和机械应力导致它们极易分(fēn)层。但是，如果遵循标准的制造和处理(lǐ)方法，则可(kě)以防止NSMD护垫分(fēn)层。

通孔垫

用(yòng)于安装通孔组件的焊盘称為(wèi)通孔焊盘，有(yǒu)两种类型：

電(diàn)镀通孔（PTH）

PTH是指带有(yǒu)通孔的焊盘。孔壁将镀铜，有(yǒu)时还会镀焊料或其他(tā)保护性镀层。孔電(diàn)镀是通过電(diàn)解过程完成的。该镀层提供了板的不同层之间的電(diàn)连接。

非镀通孔

NPTH是指在孔中没有(yǒu)電(diàn)镀的焊盘。该垫主要用(yòng)于单面板，或者这些孔用(yòng)于将PCB安装在外壳中，螺钉通过这些孔安装。通常，未電(diàn)镀的孔在孔的周围将没有(yǒu)任何铜的區(qū)域（类似于板的边缘间隙）。这样做是為(wèi)了防止铜层和要放置的零件之间短路。

通孔焊盘的不同部分(fēn)通常称為(wèi)焊盘堆叠，由以下部分(fēn)组成：

顶垫

底垫

内垫

钻头

环形圈

针号 

可(kě)以在垫子上放置通孔吗？–是的，作為(wèi)通孔

在HDI设计中，在空间受限的情况下，有(yǒu)必要在焊盘上放置过孔。 传统的过孔具有(yǒu)从焊盘到走線(xiàn)的信号承载走線(xiàn)。焊盘内通孔可(kě)通过减少走線(xiàn)布線(xiàn)占用(yòng)的空间来最小(xiǎo)化PCB的尺寸。焊盘内通孔用(yòng)于间距小(xiǎo)于等于0.5 mm的BGA组件。

垫中通孔

传统通孔与焊盘通孔

什么是焊盘？

焊盘用(yòng)于将管芯上的電(diàn)路连接到封装芯片上的引脚的目的。金線(xiàn)的一侧将连接到焊盘，而另一侧将连接到封装。接合垫由彼此堆叠并通过通孔连接的所有(yǒu)金属层制成。这允许从芯片核心到焊盘的连接。

芯片还需要在整个芯片上具有(yǒu)绝缘體(tǐ)或钝化层，以保护内核免受环境污染。要求焊盘易于接近以连接到芯片封装，因此不能(néng)被绝缘层包裹。玻璃层用(yòng)于告知制造商(shāng)需要在何处进行粘合的开口。 

什么是通过插入PCB？

通孔堵塞是一种用(yòng)于用(yòng)树脂完全填充通孔或用(yòng)阻焊剂封闭的技术。此过程与通孔帐篷化的不同之处在于，树脂或阻焊膜不会填充通孔，而只是提供覆盖。

通过之前通过插入

阻焊后通孔

实施通孔堵塞是一种预防措施，可(kě)在焊接过程中确保通孔不受不良的焊料流的影响。如果在焊接过程中未插入或固定过孔，则焊料可(kě)能(néng)会从焊盘流入孔中并形成多(duō)余的焊点。

可(kě)以使用(yòng)导電(diàn)或非导電(diàn)材料来实现通孔堵塞。导通孔的导電(diàn)填充有(yǒu)助于将電(diàn)流从板的一侧传导到另一侧。使用(yòng)导電(diàn)填充物(wù)的缺点是周围层压板和导電(diàn)填充物(wù)之间的热膨胀系数（CTE）不同。当PCB运行时，导電(diàn)材料的加热速度将比周围的层压板快，膨胀并导致破裂。这在所考虑的通孔壁和接触垫之间。

填充有(yǒu)非导電(diàn)材料的通孔将能(néng)够像普通通孔一样工作，但是将无法承载高電(diàn)流，例如导電(diàn)填充通孔。

手动垫设计中的错误

如今，自动化已被用(yòng)于消除垫的手动设计。垫的手动设计涉及使用(yòng)设计软件工具绘制所需的垫形状。可(kě)以使用(yòng)数据表和公式针对通用(yòng)焊盘形状和尺寸进行映射。

手动过程容易出错，因為(wèi)制造商(shāng)的规格并不总是遵循与自动化过程相同的公式。这会导致错误的焊盘形状和尺寸，从而导致不良结果，例如：

通孔突围

通孔焊盘需要一个实心的环形圈以提高可(kě)焊性。环形圈是垫的外周和孔壁之间的金属。环形圈的尺寸规格必须足够大，以补偿钻头从孔的中心漂移。如果焊盘太小(xiǎo)，可(kě)能(néng)会导致开裂，从而导致断線(xiàn)，電(diàn)路不完整或焊接不当。

焊点不足

焊盘过小(xiǎo)的SMT组件在焊接过程中可(kě)能(néng)无法获得合适的焊锡角。缺少良好的圆角会导致焊点变弱并破裂。

浮动零件

在此，安装在焊盘上的SMT组件过大可(kě)能(néng)会在回流焊过程中浮出位置。这可(kě)能(néng)会导致電(diàn)路之间短路。

墓碑零件

当焊盘尺寸不相同时，带有(yǒu)两条较小(xiǎo)引線(xiàn)的SMT组件（例如電(diàn)阻器和電(diàn)容器）可(kě)能(néng)会出现问题。一个垫的加热速度比另一个垫快的缺陷称為(wèi)“墓碑撞击”，因為(wèi)该组件将从另一个垫上拉起，看起来像一个墓碑。要了解有(yǒu)关墓碑的更多(duō)信息，请阅读表面贴装技术（SMT）中的8个常见错误。

与其他(tā)金属的短裤

小(xiǎo)于要求的焊盘可(kě)能(néng)会在靠近焊接到其上的组件的表面留下痕迹，从而导致短路的可(kě)能(néng)性。大于要求的焊盘可(kě)能(néng)会妨碍焊盘之间的布線(xiàn)，从而使布線(xiàn)成為(wèi)一项挑战。

垫堆叠元素

PCB中最常见的孔类型是钻孔和電(diàn)镀孔。垫叠包括钻孔的所有(yǒu)功能(néng)，这些功能(néng)可(kě)以是電(diàn)镀孔，非電(diàn)镀孔，埋入孔或盲孔。

下图是PCB上钻孔和镀孔的图形。

垫叠元素

上面显示的结构的俯视图：

通孔元素

下图所示的孔的可(kě)见元素：

两个外层的捕获垫

内层的捕获垫

钻孔直径

孔電(diàn)镀

穿过木(mù)板钻孔的阴影投射的阴影

平面间隙孔 

上图显示了钻孔的关键方面，其定义如下：

Via：这是任何镀覆的通孔，可(kě)用(yòng)于将信号从板表面连接到内部层或更改层。

長(cháng)宽比：这是钻孔的長(cháng)度与其直径之比。

捕获垫：此垫用(yòng)于将走線(xiàn)连接到镀覆的通孔或过孔。该垫子使钻孔中的镀层陷入困境。

间隙垫：这是在平面上蚀刻的孔，钻孔穿过该孔。它也被称為(wèi)反焊盘，因為(wèi)在早期的绘图仪中，平面图稿是作為(wèi)负片创建的。

孔阴影：这是一个圆柱體(tǐ)，其直径是钻孔的直径加上钻削游隙的余量。该阴影投射在所有(yǒu)层中，它是用(yòng)于计算与平面或走線(xiàn)的绝缘间距的表面。

平面层：这是形成PCB中一层的铜层。

环形圈：这是捕获板的最小(xiǎo)直径之上的捕获板的额外直径，该尺寸恰好包含了钻孔所投射的阴影。该额外的铜用(yòng)于在进入焊盘的走線(xiàn)和孔镀层之间建立连接。另外，此连接绝不能(néng)是走線(xiàn)的末端横截面，以免在焊接过程中导致接头失效。

裂口：在这种情况下，钻孔是如此偏心，以致于钻孔并不全部包含在捕获垫中。通过创建比要求的厚度更薄的绝缘层，或通过在走線(xiàn)和電(diàn)镀通孔之间建立对接（端接），可(kě)以最大程度地降低PCB的可(kě)靠性。

非功能(néng)性焊盘：这些是内层上的焊盘，不需要将走線(xiàn)连接到電(diàn)镀通孔。现代PCB制造操作中不需要非功能(néng)性焊盘。 

焊盘设计的制造和可(kě)靠性注意事项

要确保PCB焊盘堆叠设计满足可(kě)制造性和可(kě)靠性要求，需要考虑以下几个因素：

最大容差在相对的导體(tǐ)之间建立了最小(xiǎo)的绝缘，在这种情况下，这是指孔镀层以及走線(xiàn)和平面层中的铜。他(tā)们需要符合工程产品的标准。对于電(diàn)信设备，要求的最小(xiǎo)绝缘间隔為(wèi)4密耳，对于其他(tā)产品，最小(xiǎo)绝缘间隔為(wèi)5密耳。

在走線(xiàn)与镀通孔或过孔之间需要牢固的连接。

長(cháng)宽比必须使孔壁能(néng)够承受電(diàn)镀过程中的应力而不会失效。

即使遵循上述准则，钻孔也不一定会按规定穿过板子。由于以下因素，可(kě)能(néng)会发生这种情况：

钻头可(kě)能(néng)偏离首选钻削轴（偏心率）的地方会发生钻头漂移

薄膜层的对准误差

层压时层压板收缩。这可(kě)能(néng)会导致钻孔位置错误。

层压过程中层的定位不正确

钻探漂移是指钻孔偏离实际应有(yǒu)的位置。每个制造商(shāng)在完成其过程后都将达到公差，称為(wèi)钻孔公差。该钻孔公差用(yòng)于定义每个钻孔的孔阴影。高精度制造商(shāng)可(kě)以将公差降低到±5密耳，也称為(wèi)TIR（总半径）。在美國(guó)，中级制造商(shāng)可(kě)以将此公差降低至±6密耳，而其他(tā)制造商(shāng)可(kě)以将其公差降低至±7密耳。对于PCB设计者来说，重要的是要知道在哪里制造板，以便為(wèi)钻头漂移误差提供准确的余量。当进行大批量生产时，钻头的游动公差应更高。

PCB焊盘尺寸的行业标准和计算器

IPC标准中密度等级A，B和C之间的差异
级别A，级别B和级别C描述了IPC标准中相对易于制造的度量。

密度级别A用(yòng)于一般设计的可(kě)生产性和首选级别。用(yòng)于低组件密度板。在这种情况下，封装的几何形状為(wèi)“最大”。实施此技术可(kě)实现最可(kě)靠的生产能(néng)力。

密度等级B用(yòng)于中等设计生产率，是标准等级，适用(yòng)于回流焊，波峰焊，拖曳或浸焊。在这种情况下，覆盖區(qū)几何形状為(wèi)“中值”。该技术提供了牢固的焊料附着条件。

密度级别C用(yòng)于提高设计的可(kě)重复性，密度级别C在降低的级别，用(yòng)于高组件密度。在这种情况下，占地面积几何形状是“最小(xiǎo)”的。此技术用(yòng)于制造手持式和便携式设备。

根据IPC-7251，IPC-2222和IPC-2221标准计算PTH孔和焊盘直径尺寸

计算PTH孔和焊盘直径尺寸的步骤如下：

找到最大引線(xiàn)直径

您需要找到组件的包装图或数据表中可(kě)用(yòng)的最大引線(xiàn)直径。下图显示了不同形状类型的最大引線(xiàn)直径：

圆形PTH引線(xiàn)需要圆孔形状

矩形PTH引線(xiàn)需要矩形孔形状。 

方形PTH引線(xiàn)需要方形孔形状。

不同零件形状的最大引線(xiàn)直径

计算最小(xiǎo)孔尺寸

通孔引線(xiàn)的最小(xiǎo)孔尺寸

最小(xiǎo)孔尺寸是根据以下公式计算的：

对于IPC-2222的A级

最小(xiǎo)孔尺寸=最大引線(xiàn)直径+ 0.25mm（10mil）

对于IPC-2222的B级

最小(xiǎo)孔尺寸=最大引線(xiàn)直径+ 0.20mm（8mil）

对于IPC-2222的C级

最小(xiǎo)孔尺寸=最大引線(xiàn)直径+ 0.15mm（6mil）

 

计算垫直径

在计算最小(xiǎo)孔尺寸后，您需要知道最小(xiǎo)环形圈為(wèi)0.05mm（50um）。根据IPC-2221，A级，B级和C级的最小(xiǎo)制造余量分(fēn)别為(wèi)0.6mm，0.5mm和0.4mm。

 

垫直径=最小(xiǎo)孔尺寸+最小(xiǎo)环形圈x 2 +最小(xiǎo)制造余量。

对于IPC-2221的A级

焊盘直径=最小(xiǎo)孔尺寸+ 0.1mm + 0.60mm（24mil）

对于IPC-2221的B级

垫片直径=最小(xiǎo)孔尺寸+ 0.1mm + 0.50mm（20mil）

对于IPC-2221的C级

焊盘直径=最小(xiǎo)孔尺寸+ 0.1mm + 0.40mm（1600万）

 

IPC-7251和7351 padstack命名约定

垫纸叠由字母和数字的组合表示，代表不同板上的形状或焊盘尺寸。根据IPC-2220设计标准，将这些组合与焊盘图案约定结合使用(yòng)。

填充堆栈符号的第一部分(fēn)包括用(yòng)小(xiǎo)写形式表示的焊盘形状。有(yǒu)6个基本的土地形状标识符。 

b –長(cháng)方形

c –圆形

d – D形（一端為(wèi)正方形，另一端為(wèi)圆形）

r –矩形

s –平方

u –轮廓（指不规则形状）

Padstack默认值：

阻焊膜的面积比例為(wèi)1：1

粘贴蒙版的比例為(wèi)土地面积的1：1比例

装配层的土地按土地面积的1：1比例成比例

内层和外层焊盘的形状相同

主要和次要土地面积相同

内层的焊盘形状，过孔和安装孔均為(wèi)圆形

散热内径，外径和辐条宽度尺寸遵循IPC等级A，B或C，散热件具有(yǒu)4个辐条

平面间隙和防垫尺寸遵循IPC A，B或C级

例子：

“ c140h80” 

c表示直径1.40mm的圆形平台

h表示孔径0.80mm

s450

“ s”表示SMT焊盘面积為(wèi)4.50mm

计算焊盘尺寸的资源

焊盘尺寸有(yǒu)多(duō)种规格，例如IPC-7351标准，其中详细说明了PCB设计人员可(kě)以使用(yòng)的所需规格。電(diàn)路板设计人员可(kě)以用(yòng)来计算焊盘尺寸的其他(tā)资源包括：

焊盘和焊盘图案生成器：如今的電(diàn)子设计自动化（EDA）工具包括焊盘和焊盘图案生成器，也称為(wèi)库向导。此类软件功能(néng)通常与IPC标准结合使用(yòng)，并将自动生成组件所需的焊盘形状和尺寸。

PCB设计CAD供应商(shāng)库：EDA工具还提供了预制的焊盘库和焊盘图案，可(kě)以下载和使用(yòng)。購(gòu)买了设计工具使用(yòng)许可(kě)的用(yòng)户可(kě)以使用(yòng)这些工具。

第三方CAD库供应商(shāng)：用(yòng)户可(kě)以从第三方PCB库组件供应商(shāng)購(gòu)买和下载焊盘和焊盘图案。您甚至可(kě)以找到专门為(wèi)组件创建的所需焊盘和焊盘图案。

焊盘和焊盘图案计算器：设计人员和其他(tā)用(yòng)户可(kě)以轻松地在線(xiàn)找到各种焊盘和焊盘图案计算器。

设计提示：使用(yòng)在線(xiàn)提供的或在線(xiàn)自动生成的行业标准零件可(kě)以节省大量时间，否则可(kě)能(néng)会浪费在创建库中。这还提供了一个额外的保证，即可(kě)以根据行业或供应商(shāng)的规范创建CAD组件，从而满足制造商(shāng)的DFM要求。

焊盘是PCB设计和制造的重要组成部分(fēn)。電(diàn)路板设计人员需要掌握这一点，才能(néng)设计出功能(néng)齐全且高效的電(diàn)路板。