焊盘设计（共3篇）
焊盘设计 篇1
0 引言
电子产品的更新换代,产品功能逐渐完善,性能不断提高,电子产品朝高速化、小型化及多功能化发展。球栅阵列(ball grid array,BGA)封装作为一种主要的封装形式,必须使焊点体积及焊点节距越来越小,才能在相同大小的芯片内封装更多的互联焊点以实现更多的功能。0.4mm节距的封装器件为当前主要使用的最小节距的封装形式。0.35mm节距及0.3mm节距的封装形式是当前的主要攻克难题。当焊点节距小到一定程度时,工艺上会出现很多困难。
影响小节距焊接工艺的因素有很多。然而,焊接工艺最主要的目标就是焊接成品率。研究表明,焊点形态对焊接可靠性有直接影响[1,2]。考虑焊点体积的不可避免的制造误差及器件不同材料不同的热膨胀系数导致的芯片热翘曲变形,焊点形态需要在芯片任意位置适应不同的芯片翘曲变形量才能达到较高的焊接成品率[3]。因此,随着封装节距的变小,如何设计焊点体积与焊盘尺寸的工艺参数以使焊点能够适应芯片的翘曲变形尤为重要。目前,人们大多是依据经验方法来设计工艺参数,理论研究并不多见[4,5]。
本文将初值问题转化为边值问题,考虑体积约束,通过Runge-Kutta方法求解YoungLaplace方程,得到焊点形态及焊点的刚度曲线。再通过对0.4mm节距封装形式的仿真分析,得到了焊点体积及焊盘尺寸与焊点刚度的对应关系。最后,按照0.4mm节距封装的翘曲形式仿真分析了适合0.35mm及0.3mm节距封装形式的焊点体积及焊盘尺寸工艺参数。
1 BGA焊点形态及其受力预测
1.1 焊点形态预测
众所周知,Young-Laplace方程可以描述静态液滴在没有容器时的形态。这个方程能够表达液滴表面自由能极小化及表面积极小化的状态[6,7]。图1给出了一个BGA焊点在焊接过程中液态下的模型及其必要参数。其中,阴影部分为焊盘的位置。图1中,h为焊点高度;ru、rd分别为上下焊盘半径;θu、θd分别为上下焊盘与焊点接触角;W为焊点的承载力;p为焊点内压力;T为焊点表面张力;ρ、ρ′为曲面上任意一点的两个主曲率半径。
如图1所示,在柱坐标系下Young-Laplace方程为
其中,液态焊点内部压力为
圆周向主曲率为
式中,γ为焊点的密度;z为液桥高度;pm为底部压强;g为重力加速度;θ为液桥的张力角;r为液桥半径(即焊点半径)。
考虑竖直方向的力平衡关系,有
其中,V0为焊点初始体积。由于Young-Laplace方程并不是一个封闭的方程,我们并不能得到需要的结果,因此,引入曲率k:
液态焊点的体积为
根据图1,结合式(5)和式(6),可以得到能够求解焊点形态的状态方程组:
给定表面张力T、焊点密度γ、焊点承载力W和焊点初始体积V0,使用MATLAB软件通过Runge-Kutta方法求解状态方程(式(7))可得到焊点形态。
对无铅焊料Sn96Ag3.5Cu0.5进行分析,各项参数如表1所示。
在焊接的自组装过程中,由于芯片的翘曲变形,位于芯片不同位置的焊点,其高度将会不同。由此,有些焊点会承受拉力,其他焊点则承受压力,而所有焊点的受力总和将与芯片重力达到平衡状态。所以,当给定不同的承载力W时,焊点将会有不同的形态及高度。图2所示为不同承载力下的焊点形态仿真结果。可以看出,焊点承载力不同时,焊点的高度和焊点的最大径向尺寸完全不同,而这正是影响焊点是否会被拉断或者桥连的主要因素。
1.2 焊点不同高度下受力分析
式(1)不仅是描述液体形态的方程,同时又是描述液膜力平衡的方程。一个特定体积的液态焊点在不同的承载力下有多种可能的形态,然而,它的最大高度是有限的,当给定焊盘等边界条件时,特定体积的焊点所能达到的最大高度是确定的。超过最大高度的焊点形态是不符合物理事实的,不能够通过方程求解[8]。但是,如果考虑焊点可以被挤压出焊盘的润湿区域到阻焊层上,那么焊点的最低高度是不好确定的。因此,本文规定,当焊点的最大径向直径大于焊点节距时定义为失效。根据1.1节中的焊点形态的预测,得到焊点高度与承载力的关系曲线,如图3所示。
图3中,每一个黑点对应一个特定的焊点形态。横坐标对应的曲线范围提供了判断自组装过程中焊点的失效准则。如果芯片的间距大于焊点最大高度,则焊点会被拉断形成断路。如果芯片间距小于焊点最低高度,则焊点可能与周围的焊点桥连而断路。通过纵坐标,可以得到特定高度焊点的承载力,大于零则承受压力,小于零则承受拉力。要想提高焊接成品率,就需要提高焊点的高度范围,以适应芯片翘曲变形。
2 焊点高度范围仿真分析
2.1 体积及焊盘尺寸对焊点高度范围的影响
本文对中兴通讯股份有限公司提供的某型号的封装器件的BGA焊点进行仿真分析。其封装节距为0.4mm。通过改变焊点的体积及焊盘的尺寸来寻找最佳的工艺参数配比。图4和表2所示为焊盘直径为0.25mm不变,改变焊点体积得到的焊点最大高度和焊点最小高度范围。图4中的曲线序号对应于表2中的数据。
由图4和表2可以看出,当焊点节距与焊盘直径确定时,随着焊点体积的增大,焊点高度与承载力的关系曲线会整体向右移。也就是说,当焊点体积增大时,焊点能够更好地适应翘曲量相对较大的封装形式。然而,焊点适应小翘曲量的能力变差,也就是说焊点更容易与附近的焊点桥连而形成短路。
图5和表3所示为焊点体积为0.82×10-2mm3时,改变焊盘直径得到的焊点最大高度和焊点最小高度范围。图5中的序号对应于表3中的数据。
由图5和表3可以看出,当焊点节距和焊点体积确定不变时,随着焊盘直径的增大,焊点高度与承载力的关系曲线范围会减小。焊盘直径的增大使得焊点最小高度增大,而焊点最大高度减小。但是,可以看出,焊盘直径的变化对焊点最大高度的影响更明显。
考虑到焊点体积存在不可避免的制造误差以及焊点位置分布的随机性,为了能够更好地适应相应封装形式的翘曲变形量,减小焊点断路或短路的可能性以提高焊接成品率,就需要在设计时考虑焊盘直径、焊点节距与焊点体积三者之间的匹配关系。
2.2 0.35mm及0.3mm节距封装的工艺参数仿真
对于中兴通讯股份有限公司提供的该封装器件0.4mm节距的封装形式,最终得出了焊点体积为0.82×10-2mm3、焊盘直径为0.25mm的最佳匹配关系,能够适应芯片的翘曲变形,提高焊接成品率。面对目前寻求的更小节距的封装形式,就需要改变焊点体积及焊盘直径的尺寸。按照相同封装形式的翘曲变形量,表4给出了0.40mm、0.35mm和0.30mm节距情况下的最佳焊点体积及焊盘直径参数。图6给出了三种不同节距s下焊点高度与承载力的关系曲线,三条曲线的横坐标范围基本相同,从而能够适应相同的封装形式下的翘曲变形。
3 结论
(1)焊点体积的变化会导致焊点的最大高度和最小高度同时变化;焊盘直径的改变对焊点最大高度有明显影响。
(2)需要同时调整焊点体积及焊盘直径才能使焊点适应相应封装的翘曲变形,提高焊接成平率。
(3)本文所述方法可以为新产品提供一种理论设计方法,降低试验成本。
参考文献
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焊盘设计 篇2
关键词：PCB,元件布局,焊盘,印制导线,设计规范
电子产品设计与制作中,设计的产品必须符合企业生产的可制造性要求,特别注意排板布局、焊盘及导线的设计,PCB LAY OUT的排板布局、焊盘及导线的设计必须依据具体情形来进行的,如所选择的器件大小与封装,产品外形和尺寸要求,功能特点和性能要求,生产作业条件等［1］。这属于基本的可制造性设计内容。可制造性设计的目的就是使所设计的PCB能够达到自动化作业率升高,制造缺陷率降低,材料利用率高,从而达到成本最低。
1 PCB可制造性设计规范
1. 1 PCB板尺寸的选择
PCB板尺寸的选择依据是企业现有设备的加工能力。一般来说,对于小工作台的贴片设备选择PCB最大的面积X × Y = 330 mm × 250 mm; 对于大工作台的贴片设备选择PCB最大的面积X × Y = 460 mm × 460 mm,最小面积X × Y = 50 mm × 50 mm。PCB板的四周圆弧角为R一般取5. 0 mm,PCB的厚度为0. 8 ~2.5 mm,常用单面板的厚度为1.6 mm[2]。
若PCB板太小,需设计拼板,并采用邮票版或双面对刻V型槽分离技术。但必须注意,为防止PCB电路板在生产过程中变形,工艺边上尽量避免开V形槽而设计合理的工艺边,如图1所示［3 －4］。
1. 2元器件的布局规则
元器件合理布局要求有较多,这里说明一些对基本可制造性影响较大的关键点[5]:(1)PCB板沿DIP方向的两侧起至少5 mm宽的区域不得配置任何器件,且其前缘最好设置3~5 mm的部品禁止区域。这是针对生产线体或生产设备提出的设计要求。(2)PCB板上需均匀排放,避免轻重不均。同类元器件尽可能按相同的方向排列,以方便安装、焊接和检验。(3)当贴片元器采用点胶工艺需要经过波峰焊接时,器件放置的方向必须参照图2所示的DIP方向进行设计。即,图2中的“好的设计”。否则,在波峰焊接时就会产生遮蔽效应造成焊接不良。
1. 3基准标志
为精密地贴装元器件,可根据需要设计用于整块PCB或引脚数多、间距小的单个器件,以光学定位的一组图形(MARK)。一般情况下MARK点外形有3种方式分别为MARK1、MARK2和MARK3:对MARK 1和MARK 2的外形要求:(1)标志点。1×1的方形或直径为1 mm的圆形焊盘,要求表面平整无内凹,反光性好。(2)亚光区。标志点外圈要有3 mm区域的亚光区,要求其反光性能差。(3)保护圈。MARK点亚光区外圈要有0.2~0.3 mm宽的铜箔保护圈。MARK 3的外形要求:(1)内圈。1 mm的圆形亚光区域,无铜箔,要求反光性能差。(2)外圈。≥2 mm的铜箔区域,要求表面平整光亮、反光性能好。
1. 4贴片焊盘及印制导线设计
由于焊接SMT印制板可以使用回流焊接和波峰焊接两种工艺方法,因此,印制板的设计也必须考虑这两种不同的要求。
1. 4. 1 SMT印制板上的焊盘设计
( 1) 矩形片状元器件焊盘设计。焊盘的设计主要依据元器件的长度、宽度、焊端宽度、高度等因素进行。 为方便设计,企业通常以经验值来代替复杂计算,如表1所示。
( 2) SOP、QFP元件带鸥翼形引脚焊盘设计。一般情况下,对于SOP、QFP元件带鸥翼形引脚焊盘,其焊盘的宽度W1等于引脚的宽度W,焊盘的长度取L = 3 × L2。焊盘的宽度与器件的引脚间距有关,不同的间距有不同的值,如表2所示的尺寸进行设计。焊盘的设计长度L根据L0的实际长度而定,L1为外侧长度, L2为内侧长度,L = L1+ L0+ L2。
1. 4. 2采用波峰焊接时SMT印制板焊盘设计
对于矩形片状元器件焊盘,当采用点胶、波峰焊接工艺时,则焊盘的长度尺寸应在表1中相关数据的基础上增加0. 2 mm; 对于SOP元器件最外侧的两对焊盘加宽,起着无功焊盘作用,以吸附多余的焊锡避免桥接型焊接缺陷的产生。
1. 4. 3印制导线的设计
PCB板上连接焊盘的印制导线的宽度,主要是由铜箔与绝缘基板之间的粘附强度和流过导线的电流强度来决定。导线的宽度可选在0. 3 ~ 2. 5 mm之间。 实验证明,若印制导线的铜箔厚度为0. 05 mm、宽度为1 ~ 1. 5 mm,当它通过2 A电流时,温度升高< 3 ℃ 。 印制导线的载流量可按20 A/mm2计算,即当铜箔厚度为0. 05 mm时,1 mm宽的印制导线允许通过1 A的电流。因此,只要板上的面积及线条密度允许,应尽可能采用较宽的导线: 特别是电源线、地线及大电流的信号线,应适当加大宽度。然而,为保证焊接质量,大面积铜箔要求用隔热带与焊盘相连。图3为设计时导线与焊盘的处理技巧。同时也要求焊盘上不能有贯穿通孔或者贯穿通孔距离焊盘过近,否则焊接时容易造成焊料流失,使周边的器件“桥接”或流失的焊料污染板面; 通孔也不能设计在元件身体底下,以避免焊接时的助焊剂残渣等物质残留在通孔内无法清除影响产品寿命。
印制导线的间距: 导线之间的距离的确定,应当考虑导线之间的绝缘电阻和击穿电压在最坏的工作条件下的要求。印制导线越短,间距越大,则绝缘电阻按比例增加。实验证明,导线间距为1. 5 mm时,其绝缘电阻超过10 MΩ,允许的工作电压可达300 V以上; 间距为1. 0 mm时,允许电压为200 V。在满足最小电气间隙要求的前提下,要求最小间距≥0. 3 mm。
2通孔元件的PCB可制造性设计规范
2. 1通孔元器件布局规则
通孔元器件和SMT元器件的布局原则基本相同。 但对于通孔的调整元件要考虑有利于生产和使用时的方便性; 对不同功能板若工艺要求相同可以拼成集合板,以利于提高效率,如图4所示。
2. 2通孔元件的器件间距
通孔元件在制造过程中,当器件以编带形式或管状形式供给时,可以采用自动插件机进行; 当器件特殊或散料形式供料时,一般是采用人工手插件形式进行。 因而,不同的作业方式对器件的间距要求不同。竖插件间的最小距离: 竖插件的部品外形边框与周围的部品外形边框间的最小距离为1. 0 mm; 相邻竖插元件插入孔间的最小间距和竖插元件的插入孔与相邻的其他卧插件的插入孔之间应有3. 0 mm以上的间距。竖插元件的禁止区域设置: 由于竖插元件在自动插件作业时管脚会被打弯,因此,在打弯处不能设计裸露的铜箔。如图5所示,图中灰色区域为禁止布线区。若在此区域布线会造成管脚与导线短路,对于卧插元件在其管脚打弯处也有相同的要求。
2. 3通孔器件焊盘及印制导线设计
通孔器件的焊与器件的孔径有关,因此,首先需要确定插件孔的孔径尺寸。如表3所示,元器件引脚的直径d在不同加工工艺下孔的直径是不同的。PCB生产厂家在批量生产时,单面板采用模具冲孔方式,双面及多层板采用钻孔加金属化方式。对于采用冲孔方式的孔,其冲孔形成的自然导角有利于元件插入; 而对于采用钻孔方式的孔,由于没有倒角并且要金属化,不利于元件的插入, 所以其相应的孔径应比钻孔所要求的孔径大0. 1 mm。
然后确定焊盘的外径: 在单面板上,焊盘的外径一般应当比孔径>1. 3 mm以上,若为高密度板至少应大1 mm; 在双面电路板上焊盘大于孔径的2倍即可。在实际应用中,外径取孔径的2 ~2. 5倍。同时为保证走线和通孔连接的可靠性,弥补钻孔偏差,必须在两者的连接处增加冗余的铜箔,推荐采用泪珠型设计。
印制导线的宽度要求应不<0.2 mm,在高密度、高精度的印制线路中,导线宽度和间距为0.3 mm;一般选用1~1.5 mm就能满足设计要求;印制导线的公共地线应尽可能地宽,应使用>2~3 mm的线条。
3结束语
焊盘设计 篇3
图1印制板上BGA焊盘的3H位置焊盘脱落2.2工艺流程在明确了该器件的结构, 选择了合适的漆包线以后, 便可以对其进行修复。首先剪取合适长度的漆包线, 将其一端的漆层刮去。而后, 将其直接焊到了脱落焊盘所对应的焊球上。最后, 根据飞线方向选择合适的路径将漆包线从焊球阵列中引出。在引出过程中应特别注意尽量避免漆包线发生扭曲变形, 尽量避免焊球与漆包线连接处受力这样可以进一步为最终的成功修复奠定基础3至此我们可以总结出BGA封装器件的返修工艺流程, 如图2所示。图2 BGA焊盘脱落修复工艺流程图2.3具体实施试验中由于我们采用了c|j0.06 mm的漆包线, 穿梭在0.508 mm的焊球间隙中, 还算具有比较大的余量。具体的做法是, 首先处理漆包线的端头, 将其包裹的漆层去除一小段。接着将漆包线用胶带固定, 使其贴紧器件的表面, 这样可以在早期将漆包线端头的应力减至最小, 需要注意的是尽量将漆包线保持在两旁焊盘的正中间, 从而减小触碰媒球的概率。此时将去除漆层的端头贴紧印制板脱落媒盘所对应的器件焊盘上揮接, 尽量使用少量的焊锡, 尽量焊接在爆盘的中心。焊好后将器件均匀的印刷上掉锡膏, 并准备<}»0.762的焊球, 进行植球。在器件焊球加热并达到融化状态时, 观察漆包线一端是否会在煌球中弹出, 若弹出了, 说明前期没有控制好漆包线的应力, 需要重丨返工 (焊好漆包线的器件见图3所示) r.•图3焊上漆包线的BGA器件器件焊好后, 在PCB电子文档中查找并找出对应焊盘脱落的位置的弓I脚物理意义为CPUA19�选择一个距离较近并且较容易焊接的位置在D22 (SNS4LVTH16244) 的33引脚。为了防止漆包线与其它器件的管脚发生接触并短路, 将对漆包线采取措施即为漆包线套上<}>1的白色聚四氟乙烯套管, 该套管不仅管径很细而且较为柔软, 适合在电路板上围绕器件盘成任意形状。在截取长度时, 先大概测量一下将漆包线燥至D22的33弓I脚位置时走线的长度, 从而截断多余长度的漆包线并截取相应长度的白色套管, 套好后用纸胶带固定漆包线, 为减少走线对其它器件的返修造成影响, 可将套好白色套管的漆包线围绕周围器件折弯至一定形状避免触碰某些器件或进入某些器件下方, 逐步用纸胶带固定好后将漆包线末端焊接至D22的33弓I脚处。焊好线后用;i M2216胶逐一固定漆包线, 待胶凝固后揭掉纸胶带。BGA器件�D1) 处和D22 (SN54LVTH16244) 的33引_处裔要用to維橡胶灌封漆包线的末端, 达到加固和绝缘的目的。3结语实践证明, 对于那些焊球间距相对较宽, 焊球自身体积相对较大的情况, 该方法能够比较成功地解决修复过程中印制电路板BGA媒盘脱落的问题。同时也应当指出, 利用漆包线对印制电路板煌 (下转第41页) , •<-*—泰-.•>_-*•>•J..-.•^-^•- (•'•f、.^dljr..:^m/-T-、-.-;';, ^.T-V.--S_禱讓翁||®, 、•>••'!.:-i、;.-r-f, , *;t i., :..••;. (*v.«.4>:去•;!, 〕一-••••-A“.-•=:•;^:一:, :!;注-;1•卷5:義敕:•::i
盘脱落情况进行修复仅仅是一种应急手段, 对各个环节中工人的操作水平或熟练程度有较高的要求。
参考文献