表面貼器件PCB占位的設計經驗和指南

您正在設計一個包含IC或其它元件的PCB，而您的PCB布局軟件缺乏占位設計功能嗎？請不要擔心，雖然不能獲得用于生產的優化設計，但您仍然能夠快速而方便地創建一個適用于原型的PCB布局封裝元件占位。

只要從數據頁獲得元件封裝的機械圖紙，下面的指南就幫助您快速地設計出諸如銅層占位、焊料掩模孔、焊料粘結劑模版孔這樣一些所需要的PCB孔，盡管不適用于生產，但這些指南將幫助您的原型設計順利進入測試實驗。

有些工程師感嘆，過去那種能夠在實驗室中快速地對電路構想進行測試和驗證的“面包板”原型時代，已經一去不復返。生育高峰時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、明天就在實驗室用電線搭成電路、在工作臺上就可以通過驗證實際工作情況和觀察波形來試驗設計思想的時光。不過，這并不意味著他們習慣于一些亂七八糟的接線。即使在面包板問世以前，設計人員也是非常仔細地考慮元件的布置和信號線的走向問題以避免串擾、飄移電感和電容對電路造成負面影響。

無論如何，今天精巧的SOIC和QFN封裝技術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對點“鼠穴”狀接線兼容。另外特別是像ASIC這樣的許多半導體元件只有表面貼裝形式。這樣，在設計一個SOIC時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系方面，原型與生產設計的高密度布局也可能存在差別。

快速將PCB轉換為原型

在過去制作PCB時，要將膠帶和粘結占位木模按放大了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，精心開發的PCB CAD布局軟件已經取代了過去這種單調乏味的、通過手工“掩膜”來制作PCB藝術品的工作。

現在，工程師可以依靠軟件自動進行布線設計的調試過程，最新的CAD軟件提供了直觀的圖形用戶界面，而且還支持從相關的原理圖(原理俘獲)程序中導入元件和接線信息(即網表信息)。

如果這些原理捕獲/PCB布局軟件包與基于互聯網的快速轉換PCB原型庫結合起來，就可以獲得過去的那種便捷的面包板功能，仍然可以設計出接近于最終設計的原型。目前有許多比一次工作午餐還要便宜的軟件包可供選擇，學習掌握這些軟件也只需要幾小時的時間。許多軟件附帶有包含數千個公用元件的庫，因此不需要實地選擇元件并將它們布置在實驗板上。

按如下5個步驟使用CAD軟件可以快速而簡便地制作出一個原型：

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，然后進行布線，軟件即可以生成一個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間。實際上，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的占位，然后將裝配好元件的電路板放進回流爐這樣一件簡單的工作(注意：一個專用的“烘烤爐”更適合于回流工作)。

原型設計中的問題？

在設計中您可能會發現庫中沒有您所需要的元件，但這個問題確實是一個非常普遍的問題(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，電路設計師或原型師必須為軟件包的元件庫自己創建相應的器件。

這項工作不僅包括PCB銅層占位、也包括焊接模版、焊接掩膜、絲網圖例、元件位置和方向的設計。不過，一個典型的雙面板會包括幾個與每個元件有關的特殊層，不過不需要擔心，如果采用逐步逼近的方法，創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

一般設計工作先從確定PCB元件占位的層數開始。在電路板的上面(“元件側”)必不可少的布線層是銅層、焊接掩膜層、焊接模版層和絲網圖例層，另外還有元件質心/原點層和文檔層可選。

當然，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的光學成像(LPI)焊接掩膜漆料覆蓋焊接區域，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(元件質心層)提供貼裝設備所需要的信息，而文檔層一般用來給出器件的概略說明，這兩層都不會出現在實際電路板上。

器件的數據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，Freescale應用筆記AN2409中就提供了整個微距SOIC封裝系列器件的焊盤尺寸。

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

在Freescale公司的應用筆記AN2467中是這樣定義這個先進的封裝電源器件的：“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封裝器件都設計有單個裸露芯片安裝盤(標記)或多個裸露芯片安裝盤，這取決于器件要求和目標應用。工業標準化委員會JEDEC已經注冊了一個標志符MO251用以描述單個裸露盤PQFN封裝。”在本例中所使用的器件數據冊是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，在現有庫中創建一個新的元件或為新元件創建一個新庫，然后選擇菜單創建一個新的封裝元件，這點上大多數PCB布局軟件包都可以提供2D分層制圖屏幕。

現在將您的注意力轉到數據冊第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)，用后面就要刪除的臨時線以繪圖原點為中心繪制此輪廓，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，這是因為需要根據這些端子的尺寸來確定相應銅層焊盤的尺寸。在本例中，有四種不同尺寸的端子：其中16個端子長1.525 mm(標稱)、寬0.565 mm(標稱)；8個端子長0.775 mm(標稱)、寬0.565 mm(標稱)；4個端子長1.005 mm(標稱)、寬0.565 mm(標稱)；一個端子(裸露的散熱盤)長達9.4 mm(標稱)、寬6 mm(標稱)，每個角都帶有一個半徑近1mm的固定點。

最后，注意元件外圍引腳中心與引腳中心之間的間距，在引腳中間部分標稱間距為0.8 mm。現在已經獲得了繪制元件占位所需要的基本尺寸數據。我們給出的第一條指南是：

指南1：對于間距非常小的精細間距端子，創建一個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最小的焊接掩膜，在端子的頭部提供一個明顯的焊接片，對于產品設計，這個焊盤寬度可以再寬一些。但是，對于原型設計，必須保證將端子之間搭接的危險減小到最低限度，這樣才能避免將時間浪費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布局軟件來創建這種尺寸規格的焊盤(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，將在后面介紹有關方法)。

指南2：以俯視PCB銅層的視角創建占位。

這意味著在圖上引腳1的位置和方向應該與通過X射線向下透視銅層時所看到的位置和方向一樣。許多PCB布局軟件在創建焊盤會依次編號，確認第1個焊盤設置在引腳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，需要臨時改變網格間距，使其等于標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，然后繼續按引腳順序布置焊盤，在布置到臨近邊時，牢記必要時改變焊盤尺寸，重新調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)作為一個單獨的、特殊的端子焊盤放在端子序列的最后進行布置。散熱焊盤的尺寸應略小于元件的裸露散熱標記的相應尺寸(比如長寬各小0.1 mm)。

經過專門設計SOIC和QFN功率元件有一個允許直接從IC底部向PCB散熱的裸露散熱標記，為保證有效散熱，PCB上必須有一個帶有散熱孔的裸露焊盤區域以冷卻更大面積的銅層(PCB低部及(或)多層PCB的內層)，裸露的焊盤必須創建成一個不規則的多邊形。

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

繼續工作前，不要忘記刪除銅層的臨時參考線。設計銅層的裸露焊盤并不困難，但要設計焊料掩膜層(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

完成了銅層的設計后，下一步自然是創建焊料掩膜層(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域，這樣焊接掩膜由焊接掩膜區域內的光孔組成，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，根據焊接掩膜來考慮焊盤的設計(SMD)，這就是說掩膜決定可焊接的銅層區域，這是因為掩膜層覆蓋銅層。由于掩膜創造了一個雙倍依附于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，所以有利于原型設計，另外還可以有效保護免于焊接搭接和其它原型短路的危害。

不過，在產品設計中那些小尺寸端子的SMD焊盤是不受歡迎的。這是因為銅層焊盤的頂部焊接掩膜邊緣會在焊接點產生應力點，在經受長期的周期性溫度變化時會產生裂縫。鑒于這個原因，在產品設計中，掩膜光孔應大于焊盤尺寸，以使銅層焊盤周邊有一個大約0.065 mm的外圍區域，這種情況叫做非焊接掩膜決定焊盤(NSMD)。

指南4：原型設計中對于間距非常精細的引線采用SMD焊盤，而在生產設計中采用NSMD焊盤。在這個PCB原型設計的示例中應該使用SMD技術。最容易的方法就是將焊接掩膜光孔設置得與銅層焊盤尺寸一樣大，如果所使用的PCB布局軟件自動產生掩膜，則設置其最大尺寸，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置到最高也能很容易地在銅層創建略微小于焊盤的四方形區域。然后通過觀察和跟蹤銅層焊盤的內輪廓繪制掩膜層光孔。

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

焊接模版：下一步是創建確定焊接模版層的工藝圖。這個模版在絲網印刷過程中用來將焊料粘結劑準確地涂敷到PCB的焊盤上。模版緊密地貼在PCB表面，過孔的圖案應該完全與銅點的圖案對齊。然后用一個剛形的橡膠滾軸碾壓，迫使焊料粘結劑透過模版涂到PCB上，即使采用手工方式，每分鐘也可以用焊接粘結劑“印好”數張電路板，以備下一步裝配元件。

涂敷到電路板上焊接粘結劑量取決于兩個因素—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的同時切割出適用于原型的不銹鋼模版，也可以通過互聯網公司獲得。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使用。這里假設在模版層設計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“窗格”。

如果將PCB布局軟件從“cream(焊膏)”重新設置到“on”則可以自動完成上述任務，為每個端子焊盤的模版層創建一個1：1的光孔，在使用6mil厚模版的情況下，非常適合于精細間距和標準間距引線。

不過，對于裸露焊盤多邊形，需要手工來創建版圖。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，在正方形區域內創建一組窗格孔(確認您將這些正方形設置在模版層上)。圖5所示為覆蓋在銅層版圖上已完成設計的模版孔眼。

注意從多邊形邊界、特別是從邊角(向內)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。

絲網層

絲網層可以攜帶希望出現在PCB上的人機界面信息，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確定元件的方向和位置，并能夠對測試和調試提供協助。

按照慣例，絲網層由元件名稱層、位置層和數值層組成，元件名稱層提供元件ID，例如U1、R1、C5和Q。數值層包含與元件有關的參數，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.)的絲網線寬。改變字體類型到“vector”，并根據需要調整比例和尺寸以創建可讀的字母和數字。

不要在每個引腳旁邊設置數字，應該在SOIC的引腳1上設置標簽。對于QFN封裝元件，在每個引腳的角上標注數字是有益的。在頂層的位置層繪圖時保持上層的掩膜層(阻焊層)視圖處于可見狀態，主要不要使絲網數字/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，調整字體比例和尺寸以獲得便于閱讀的文本，在元件周圍設置一個輪廓也是有好處的。圖6給出了示例器件的最基本的絲網信息，同時也給出了掩膜層做為參考。

循這些步驟，就可以創建任何PCB布局元件占位，雖然沒有針對生產進行優化，但對于原型應用而言卻是魯棒的，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，保持快速的概念實驗循環，支持工程師的創新活動。