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如何为 SMD 模块设计 PCB 中的齿形孔
如何为 SMD 模块设计 PCB 中的齿形孔
SMD 模块（如 ESP32-WROOM 或 Raspberry Pi Pico 微控制器板）使用一种称为城堡形的特殊安装方式。如果您查看这些模块，应该很清楚如何使用 PCB 上的齿形孔将 PCB 模块安装为 SMD 组件。这些小模块正变得越来越流行并且易于使用，但它们可能看起来有点专门用于标准 PCB 制造过程。
尽管带有用于排针的齿形孔和附加孔的模块似乎不适合您的 CAD 软件中的标准设计对象列表，但有一个简单的策略可以在模块上放置一组齿形孔。在考虑制造过程和装配中的一些困难时，您必须解决这个问题，但您可以使用 ECAD 工具中的基本对象轻松地在 PCB 上放置齿形孔。
ECAD 软件中的齿形孔
小模块上使用齿形孔作为针头安装的替代方法。考虑 Arduino 帽子或屏蔽板外形；您可以设计带有焊盘的主板，以安装一系列齿形孔，而不是使用排针来配对两块板。
这允许您通过 SMD 焊接将小型模块（例如 Wifi 扩展模块或电机驱动器模块）连接到主 PCB。不使用排针，在模块上使用齿形孔将在模块和载板之间提供牢固的焊接连接。要完成这项工作，您需要设计两个数组：
沿 SMD 模块边缘的齿形孔阵列
载板表面上的焊盘阵列以固定 SMD 模块
设计模块上的孔阵列
齿形孔有两种口味。首先，它们可以沿着边缘放置一个带有附加垫的半孔。另一种形式的齿形孔包括一个镀通孔，正好位于沿板边缘的半切孔内。带内镀通孔的典型齿形排列如下图所示：
沿 PCB 边缘的齿形孔的粗略布局。
在这里，您只需要在 PCB 布局工具中使用常规焊盘来定义一系列齿形孔。只需将焊盘与电路板边缘的通孔对齐，然后放置另一个直接延伸到电路板边缘的焊盘，以在焊盘上提供额外的铜。
板边缘后面的第二个孔阵列是可选的，您不会在每个使用齿形孔的 SMD 模块上找到这些孔。第二排孔可以设计为接受排针或小规格电线。当您使用模块进行原型设计或在将模块安装到载板上之前对其进行测试时，您可能会这样做。如果您使用排针，则必须将排针从模块背面焊接到孔中。如果使用太多焊料，您也将无法将模块安装在载板上。如果您正在考虑在生产的齿形模块中使用带有第二排电镀通孔的排针，请记住这一点。
下图显示了如何将这些放置在您的 PCB 布局工具中的示例。在这张图片中，我正在设计一个小模块，沿着电路板边缘有一系列的齿形孔。请注意，我已经放置了带有电镀通孔的标准焊盘，并且通孔悬挂在板的边缘。这种悬垂可以在制造中解决。
带有齿形孔的 PCB 作为 PCB 布局中的标准焊盘放置。
在主板上设计焊盘阵列
主板上的焊盘阵列应遵循其他 SMD 组件的标准焊盘图案设计指南。尽管在焊接方面，齿形孔将被视为通孔特征，但这些孔可以像典型的通孔元件一样焊接到焊盘上。焊接后，沿孔壁可见剩余的焊锡圆角。SparkFun 有一个很棒的教程，最终结果如下所示。
带有焊接到载体 PCB 上的齿形孔的模块。
如果您想确保可靠性，或者如果您正在设计一个需要 IPC 3 类合规性的高可靠性应用，那么在创建您的齿形孔阵列时需要考虑一些重要的点。在这里，您需要设计主板上的焊盘，使其足够大以容纳整个焊点。在焊盘周围使用一个小的阻焊层扩展（每边大约 4 密耳）来保持熔化的焊料并防止桥接也是一个好主意。
此外，如果您在阵列中使用第二排孔，重要的是在孔之间的区域放置一些阻焊层以形成阻焊层。在载板的焊盘上执行此操作，因为这是要涂抹焊膏的地方。这将防止熔化的焊料芯吸到后孔中。
在主板焊盘上放置一些阻焊层以防止焊锡芯吸。
制造带有齿形孔的 PCB
将齿形孔放置到 PCB 上后，如何制造裸板？此处的目标是在标准工艺中确保高质量和良率，但齿形孔似乎不适合标准 PCB 制造工艺。您的制造商可以通过修改 Gerbers 以指示钻孔次数和沿板边缘所需的电镀来帮助您确保您的设计能够通过制造。这通常需要以下 Gerbers（X2 格式）：
铜层（GTL 和 GBL）
定义在两个电路板表面（GTS 和 GBS）上的阻焊开口
钻孔文件 (TXT/DRL)
有人会说，城堡形孔的自然替代方案是仅使用焊盘将模块安装到主板上，就像任何其他 SMD 组件一样。这样做的主要问题是潜在的污染；载板上的焊盘阵列可以在回流焊接过程中收集一些助焊剂的废气。另一种可能性是焊盘阵列上过多的焊膏抬高了模块。这类似于在组件中心具有大接地焊盘的 SMD IC 可能发生的情况。
焊接齿形孔阵列时，焊锡圆角会在焊接过程中暴露出来。只要主板上的焊盘阵列如上所述设计得当，涂抹焊膏并通过回流焊接、手工焊接或选择性焊接放置组合板是一件简单的事情。在焊接过程中，您不会有从某些助焊剂中剥离或污染元件的可能性。