PCB制版－－元件封装

PCB制版－－元件封装

电子通信类 2008-03-27 15:20:01 阅读244 评论2 字号：大中小

一 :贴片元件封装说明

2006-12-12 09:01

发光二极管：颜色有红、黄、绿、蓝之分，亮度分普亮、高亮、超亮三个等级，常用的封装形式有三类：0805、1206、1210   二极管：根据所承受电流的的限度，封装形式大致分为两类，小电流型（如1N4148）封装为1206，大电流型（如IN4007）暂没有具体封装形式，只能给出具体尺寸：5.5 X 3 X 0.5   电容：可分为无极性和有极性两类:     无极性电容下述两类封装最为常见，即0805、0603；     有极性电容也就是我们平时所称的电解电容，一般我们平时用的最多的为铝电解电容，由于其电解质为铝，所以其温度稳定性以及精度都不是很高，而贴片元件由于其紧贴电路版，所以要求温度稳定性要高，所以贴片电容以钽电容为多，根据其耐压不同，贴片电容又可分为A、B、C、D四个系列，具体分类如下： 类型     封装形式  耐压 A         3216     10V B         3528     16V C         6032     25V D         7343     35V 贴片钽电容的封装是分为A型（3216），B型（3528）， C型（6032）， D型（7343），E型（7845）。有斜角的是表示正极,(小三角的表示正极?不知道!)   拨码开关、晶振：等在市场都可以找到不同规格的贴片封装，其性能价格会根据他们的引脚镀层、标称频率以及段位相关联。   电阻：和无极性电容相仿，最为常见的有0805、0603两类，不同的是，她可以以排阻的身份出现，四位、八位都有，具体封装样式可参照MD16仿真版，也可以到设计所内部PCB库查询。 注： A\B\C\D四类型的封装形式则为其具体尺寸,标注形式为L X S X H 1210具体尺寸与电解电容B类3528类型相同 0805具体尺寸：2.0 X 1.25 X 0.5 1206具体尺寸：3.0 X 1.5 0X 0.5 二:贴片元件封装 --SMT 基础知识 SMT(Surface Mount Technology)是电子业界一门新兴的工业技术，它的兴起及迅猛发展 是电子组装业的一次革命，被誉为电子业的“明日之星”，它使电子组装变得越来越快速和 简单，随之而来的是各种电子产品更新换代越来越快，集成度越来越高，价格越来越便宜。 为 IT（Information Technology）产业的飞速发展作出了巨大贡献。 SMT 零件 SMT 所涉及的零件种类繁多，样式各异，有许多已经形成了业界通用的标准，这主要是 一些芯片电容电阻等等；有许多仍在经历着不断的变化，尤其是 IC 类零件，其封装形式的 变化层出不穷，令人目不暇接，传统的引脚封装正在经受着新一代封装形式（BGA、FLIP CHIP 等等）的冲击，在本章里将分标准零件与 IC 类零件详细阐述。 一、标准零件 标准零件是在 SMT 发展过程中逐步形成的，主要是针对用量比较大的零件，本节只讲 述常见的标准零件。目前主要有以下几种：电阻(R)、排阻(RA 或 RN)、电感(L)、陶瓷电容(C)、 排容(CP)、钽质电容(C)、二极管(D)、晶体管(Q)【括号内为 PCB（印刷电路板）上之零件代 码】，在 PCB 上可根据代码来判定其零件类型，一般说来，零件代码与实际装着的零件是相 对应的。 1、 零件规格: (1)、零件规格即零件的外形尺寸，SMT 发展至今，业界为方便作业，已经形成了一个标准 零件系列，各家零件供货商皆是按这一标准制造。 标准零件之尺寸规格有英制与公制两种表示方法，如下表： 公制表示法 英制表示法 1206 0805 0603 0402 3216 2125 1608 1005 含义： L:1.2inch(3.2mm)W:0.6inch(1.6mm) L:0.8inch(2.0mm)W:0.5inch(1.25mm) L:0.6inch(1.6mm)W:0.3inch(0.8mm) L:0.4inch(1.0mm)W:0.2inch(0.5mm) 注：a、L（Length）：长度， W（Width）：宽度， inch：英寸； b、1inch=25.4mm。 （2）、在(1)中未提及零件的厚度，在这一点上因零件不同而有所差异，在生产时应以实际 量测为准。 （3）、以上所讲的主要是针对电子产品中用量最大的电阻（排阻）和电容（排容），其它如 电感、二极管、晶体管等等因用量较小，且形状也多种多样，在此不作讨论。 （4）、SMT发展至今，随着电子产品集成度的不断提高，标准零件逐步向微型化发展，如今最小的标准零件已经到了0201。 2、钽质电容(Tantalum) 钽质电容已经越来越多应用于各种电子产品上，属于比较贵重的零件，发展至今，也有了一个标准尺寸系列，用英文字母Y、A、X、B、C、D来代表。 其对应关系如下表： 型号 Y A X B C D 规格 L(mm) 3.2 3.8 3.5 4.7 6.0 7.3 W(mm) 1.6 1.9 2.8 2.6 3.2 4.3 T(mm) 1.6 1.6 1.9 2.1 2.5 2.8 注意：电容值相同但规格型号不同的钽质电容不可代用。 如：10UF/16V“B”型与10UF/16V“C”型不可相互代用。 二、IC类零件 IC为Integrated Circuit(集成电路块)之英文缩写，业界一般以IC的封装形式来划分其类型，传统IC有SOP、SOJ、QFP、PLCC等等，现在比较新型的IC有BGA、CSP、FLIP CHIP等等，这些零件类型因其PIN (零件脚)的多寡大小以及PIN与PIN之间的间距不一样，而呈现出各种各样的形状，在本节我们将讲述每种IC的外形及常用称谓等。 1、基本IC类型 (1)、SOP(Small outline Package):零件两面有脚，脚向外张开（一般称为鸥翼型引脚）. (2)、SOJ(Small outline J-lead Package):零件两面有脚，脚向零件底部弯曲（J型引脚）。 (3)、QFP(Quad Flat Package):零件四边有脚，零件脚向外张开。 (4)、PLCC(Plastic Leadless Chip Carrier):零件四边有脚，零件脚向零件底部弯曲。 (5)、BGA(Ball Grid Array):零件表面无脚，其脚成球状矩阵排列于零件底部。 (6)、CSP（CHIP SCAL PACKAGE）：零件尺寸包装。 2、IC称谓 在业界对IC的称呼一般采用“类型+PIN脚数”的格式，如：SOP14PIN、SOP16PIN、SOJ20PIN、QFP100PIN、PLCC44PIN等等。 三、零件极性识别 在SMT零件中，可分为有极性零件与无极性零件两大类。 无极性零件：电阻、电容、排阻、排容、电感 有极性零件：二极管、钽质电容、IC 其中，无极性零件在生产中不需进行极性的识别，在此不赘述；但有极性零件之极性对产品有致命的影响，故下面将对有极性零件进行详尽的描述。 1、二极管(D)：在实际生产中二极管又有很多种类别和形态，常见的有Glass tube diode 、Green LED、Cylinder Diode等几种。 (1)、Glass tube diode：红色玻璃管一端为正极(黑色一端为负极) (2)、Green LED：一般在零件表面用一黑点或在零件背面用一正三角形作记号，零件表面黑点一端为正极(有黑色一端为负极)；若在背面作标示，则正三角形所指方向为负极。 (3)、Cylinder Diode： 有白色横线一端为负极. 2、钽质电容:零件表面标有白色横线一端为正极。 3、IC： IC类零件一般是在零件面的一个角标注一个向下凹的小圆点，或在一端标示一小缺口来表示其极性。 4、上面说明了常见零件之极性标示，但在生产过程中，正确的极性指的是零件之极性与PCB上标识之极性一致，一般在PCB上 装着IC的位置都有很明确的极性标示，IC零件之极性标示与PCB上相应标示吻合即可。 四、零件值换算 这里主要指电阻值与电容值换算，因为在SMT上所用的电阻电容都是尺寸非常小的零件，表示其电阻值或电容值的时候不可能用常用的描述办法表述。如今在业界的标准是电容不标示电容值，而以颜色来区分不同容值的电容，电阻则是把代码标示在零件本体上，即用少量的数字元或英文字母来表示电阻值，于是在代码与实际电阻值之间，人们制定了一定的换算规则，下面便详细讲述有关细则。 1、电阻 (1)、电阻单位为欧姆,符号为”Ω”. (2)、单位换算:1MΩ= 1000KΩ=1000000Ω (3)、电阻又分为一般电阻与精密电阻两类，其主要区别为零件误差值及零件表面之表示码位元数不同。 一般电阻: 误差值为±5%；其表示码为三码 例:103 精密电阻: 误差值为±1%；其表示码为四码 例:1002 (4)、换算规则如下: 一般电阻：数值(AB)×10n= 电阻值±误差值(5%)； 精密电阻：数值(ABC)×10n=电阻值±误差值(1%)。 例:103=10×103 =10kΩ±5%； 1003=100×103=100kΩ±1% (5)、阻值换算的特殊状况： a、当n=8或9时,10的次方数分别为-2或-1。 b、当代码中含字母“R”时，此“R”相当于小数点“.”。 例:4R3=4.3Ω±5%； 69R9=69.9Ω±1% (6)、精密电阻除符合以上之换算规则外，另有其它代码表示方法，而又因制造厂商的不同，其代码也不一样，对于这种电阻的换算，应根据厂商提供之代码对照表进行核对换算。 2、电容换算 在这里主要讲解电容常用单位之间的换算，因为电子行业中电容的单位一般都比较小，同一种电容有时因供货商不一样而表示的方法也不一样，生产时要能够快速在各种单位之间转换。 (1)、电容基本单位 F、MF、μF、 NF、PF (2)、常用单位 常用的单位有μF、NF、PF，在实际生产中要对这三个单位相互间的转换非常熟练。 五、几种封装图 BGA Ball Grid Array EBGA 680L LBGA 160L PBGA 217L Plastic Ball Grid Array SBGA 192L TSBGA 680L CLCC CNR Communication and Networking Riser Specification Revision 1.2 CPGA Ceramic Pin Grid Array DIP Dual Inline Package DIP-tab Dual Inline Package with Metal Heatsink FBGA FDIP FTO-220 Flat Pack HSOP-28 ITO-220 ITO-3P JLCC LCC LDCC LGA LQFP PCDIP PGA Plastic Pin Grid Array PLCC PQFP PSDIP LQFP 100L METAL QUAD 100L PQFP 100L QFP Quad Flat Package SOT143 SOT220 SOT223 SOT223 SOT23 SOT23/SOT323 SOT25/SOT353 SOT26/SOT363 SOT343 SOT523 SOT89 SOT89 Socket 603 Foster LAMINATE TCSP 20L Chip Scale Package TO252 TO263/TO268 六、国内贴片电阻的命名方法 1、5%精度的命名：RS-05K102JT 2、1％精度的命名：RS-05K1002FT R －表示电阻 S －表示功率0402是1/16W、0603是1/10W、0805是1/8W、1206是1/4W、1210是1/3W、 1812是1/2W、2010是3/4W、2512是1W。 05 －表示尺寸(英寸)：02表示0402、03表示0603、05表示0805、06表示1206、 1210表示1210、1812表示1812、10表示1210、12表示2512。 K －表示温度系数为100PPM。 102－5％精度阻值表示法：前两位表示有效数字，第三位表示有多少个零，基本单位是Ω，102＝1000Ω＝1KΩ。1002是1％阻值表示法：前三位表示有效数字，第四位表示有多少个零，基本单位是Ω，1002＝10000Ω＝10KΩ。 J －表示精度为5％、F－表示精度为1％。 T －表示编带包装         TQFP封装     薄四方扁平封装 低成本，低高度引线框封装方案 薄四方扁平封装对中等性能、低引线数量要求的应用场合而言是最有效利用成本的封装方案，且可以得到一个轻质量的不引人注意的封装。TQFP系列支持宽泛范围的印模尺寸和引脚数量，尺寸范围从7mm到28mm，引线数量从32到256 产品         体尺寸(mm)       引线间距(mm) TQFP 100     14               0.50 TQFP 120     14               0.40 TQFP 128     14*20            0.50 TQFP 144     20               0.50 TQFP 176     24               0.50 TQFP 208     28               0.50 TQFP 256     28               0.40 TQFP 32      7                0.80 TQFP 44      10               0.80 TQFP 48      7                0.50 TQFP 52      10               0.65 TQFP 64      14               0.80 TQFP 64      10               0.50 TQFP 80      12               0.50 TQFP 80      14               0.65     QFN封装 四侧无引脚扁平封装，表面贴装型封装之一。现在多称为LCC。QFN 是日本电子机械工业 会规定的名称。封装四侧配置有电极触点，由于无引脚，贴装占有面积比QFP 小，高度 比QFP 低。但是，当印刷基板与封装之间产生应力时，在电极接触处就不能得到缓解。因此电 极触点 难于作到QFP 的引脚那样多，一般从14 到100 左右。 材料有陶瓷和塑料两种。当有LCC 标记时基本上都是陶瓷QFN。电极触点中心距1.27mm。塑料QFN 是以玻璃环氧树脂印刷基板基材的一种低成本封装。电极触点中心距除1.27mm 外， 还有0.65mm 和0.5mm 两种。这种封装也称为塑料LCC、PCLC、P-LCC 等。 QFN封装的特点 　　QFN是一种无引脚封装，呈正方形或矩形，封装底部中央位置有一个大面积裸露焊盘用来导热，围绕大焊盘的封装外围四周有实现电气连结的导电焊盘。由于QFN封装不像传统的SOIC与TSOP封装那样具有鸥翼状引线，内部引脚与焊盘之间的导电路径短，自感系数以及封装体内布线电阻很低，所以它能提供卓越的电性能。此外，它还通过外露的引线框架焊盘提供了出色的散热性能，该焊盘具有直接散热通道，用于释放封装内的热量。通常将散热焊盘直接焊接在电路板上，并且PCB中的散热过孔有助于将多余的功耗扩散到铜接地板中，从而吸收多余的热量。 　　图1显示了这种采用PCB焊接的外露散热焊盘的QFN封装。由于体积小、重量轻、加上杰出的电性能和热性能，这种封装特别适合任何一个对尺寸、重量和性能都有的要求的应用。我们以32引脚QFN与传统的28引脚PLCC封装相比较为例，面积（5mm×5mm）缩小了84％，厚度（0.9mm）降低了80％，重量（0.06g）减轻了95％，电子封装寄生效应也提升了50％，所以非常适合应用在手机、数码相机、PDA以及其他便携小型电子设备的高密度印刷电路板上。 　　标准或遵循工艺标准（如IPC-SM-782）来进行的。由于QFN是一个全新的封装类型，印制板焊盘设计的工业标准或指导书还没有制定出来，况且，焊盘设计完成后，还需要通过一些试验来验证。当然，在充分考虑元件底部的散热焊盘以及引脚和封装的公差等各种其他因素的情况下，仍然可以参考IPC的方法来制定设计原则。 　　QFN的焊盘设计主要有三个方面：①周边引脚的焊盘设计；②中间热焊盘及过孔的设计；③对PCB阻焊层结构的考虑。 周边引脚的焊盘设计 　　尽管在HECB设计中，引脚被拉回，对于这种封装，PCB的焊盘可采用与全引脚封装一样的设计，周边引脚的焊盘设计尺寸如图3。在图中，尺寸Zmax为焊盘引脚外侧最大尺寸，Gmin是焊盘引脚内侧最小尺寸。D2t为散热焊盘尺寸。X、Y是焊盘的宽度和长度。 　　MLF焊盘公差分析要求包括：①元件公差；②印制板制造公差；③贴装设备的精度。这类问题的分析，IPC已建立了一个标准程序，根据这个程序计算得出各种MLF元件推荐的焊盘尺寸，表1列出了一些常见QFN封装的PCB焊盘设计尺寸。 散热焊盘和散热过孔设计 　　QFN封装具有优异的热性能，主要是因为封装底部有大面积散热焊盘，为了能有效地将热量从芯片传导到PCB上，PCB底部必须设计与之相对应的散热焊盘以及散热过孔，散热焊盘提供了可靠的焊接面积，过孔提供了散热途径。 　　通常散热焊盘的尺寸至少和元件暴露焊盘相匹配，然而还需考虑各种其他因素，例如避免和周边焊盘的桥接等，所以热焊盘尺寸需要修订，具体尺寸见表1。 　　散热过孔的数量及尺寸取决于封装的应用情况，芯片功率大小以及电性能的要求。建议散热过孔的间距为1.0mm～1.2mm，过孔尺寸为0.3mm～0.33mm。散热过孔有四种设计形式：如使用干膜阻焊膜从过孔顶部或底部阻焊；或者使用液态感光（LPI）阻焊膜从底部填充；或者采用"贯通孔"。这些方法在图4中有描述，所有这些方法均有利有弊：从顶部阻焊对控制气孔的产生比较好，但PCB顶面的阻焊层会阻碍焊膏印刷；而底部阻碍和底部填充由于气体的外逸会产生大的气孔，覆盖2个热过孔，对热性能方面有不利的影响；贯通孔允许焊料流进过孔，减小了气孔的尺寸，但元件底部焊盘上的焊料会减少。散热过孔设计要根据具体情况而定，建议最好采用阻焊形式。 　　再流焊曲线和峰值温度对气孔的形成也有很大的影响，经过多次实验发现，在底部填充的热焊盘区域，当峰值回流温度从210℃增加到215℃～220℃时，气孔减少；对于贯通孔，PCB底部的焊料流出随回流温度的降低而减少。 阻焊层的考虑 　　建议使用NSMD阻焊层，阻焊层开口应比焊盘开口大120μm～150μm，即焊盘铜箔到阻焊层的间隙有60μm～75μm，这样允许阻焊层有一个制造公差，通常这个公差在50μm～65μm之间，当引脚间距小于0.5mm时，引脚之间的阻焊可以省略。 网板设计 　　能否得到完美、可靠的焊点，印刷网板设计是关键的第一步。四周焊盘网板开口尺寸和网板厚度的选取有直接的关系，一般较厚的网板可以采用开口尺寸略小于焊盘尺寸的设计，而较薄的网板开口尺寸可设计到1：1。推荐使用激光制作开口并经过电抛光处理的网板。 （1）周边焊盘的网板设计 　　网板的厚度决定了印刷在PCB上的焊膏量，太多的焊膏将会导致回流焊接时桥连。所以建议0.5mm间距的QFN封装使用0.12mm厚度的网板，0.65mm间距的QFN封装使用0.15mm厚度的网板，建议网板开口尺寸可适当比焊盘小一些，以减少焊接桥连的发生，如图5所示。 （2） 散热焊盘的网板设计 　　当芯片底部的暴露焊盘和PCB上的热焊盘进行焊接时，由于热过孔和大尺寸焊盘中的气体将会向外溢出，产生一定的气体孔，如果焊膏面积太大，会产生各种缺陷（如溅射、焊球等），但是，消除这些气孔几乎是不可能的，只有将气孔减小到最低量。因此，在热焊盘区域网板设计时，要经过仔细考虑，建议在该区域开多个小的开口，而不是一个大开口，典型值为50％～80％的焊膏覆盖量，如图5所示。实践证明，50μm的焊点厚度对改善板级可靠性很有帮助，为了达到这一厚度，建议对于底部填充热过孔设计焊膏厚度至少应在50％以上；对于贯通孔，覆盖率至少应在75％以上。 QFN焊点的检测与返修 （1）焊点的检测 　　由于QFN的焊点是在封装体的下方，并且厚度较薄，X－ray对QFN焊点少锡和开路无法检测，只能依靠外部的焊点情况尽可能地加以判断，但目前有关QFN焊点侧面部分缺陷的断定标准尚未在IPC标准中出现。在暂时没有更多方法的情况下，将会更多倚赖生产后段的测试工位来判断焊接的好坏。 　　从图6中的X－ray图像可见，侧面部分的差别是明显的，但真正影响到焊点性能的底面部分的图像则是相同的，所以这就给X－ray检测判断带来了问题。用电烙铁加锡，增加的只是侧面部分，对底面部分到底有多大影响，X－ray仍无法判断。就焊点外观局部放大的照片来看，侧面部分仍有明显的填充部分。 （2）返修 　　对QFN的返修，因焊接点完全处在元件封装的底部，桥接、开路、锡球等任何的缺陷都需要将元件移开，因此与BGA的返修多少有些相似。QFN体积小、重量轻、且它们又是被使用在高密度的装配板上，使得返修的难度又大于BGA。 　　当前，QFN返修仍旧是整个表面贴装工艺中急待发展和提高的一环，尤其须使用焊膏在QFN和印制板间形成可靠的电气和机械连接，确实有一些难度。目前比较可行的涂敷焊膏方法有三种：一是传统的在PCB上用维修小丝网印刷焊膏，二是在高密度装配板的焊盘上点焊膏（如图8）；三是将焊膏直接印刷在元件的焊盘上。上述方法都需要非常熟练的返修工人来完成这项任务。返修设备的选择也是非常重要的，对QFN既要有非常好的焊接效果，又须防止因热风量太大将元件吹掉。 　　QFN的PCB焊盘设计应遵循IPC的总原则，热焊盘的设计是关键，它起着热传导的作用，不要用阻焊层覆盖，但过孔的设计最好阻焊。对热焊盘的网板设计时，一定考虑焊膏的释放量在50％～80％范围内，究竟多少为宜，与过孔的阻焊层有关，焊接时的过孔不可避免，调整好温度曲线，使气孔减至最小。QFN封装是一种新型封装，无论是从PCB设计、工艺还是检测返修等方面都需要我们做更深入的研究。 　　QFN封装（方形扁平无引脚封装）具有良好的电和热性能、体积小、重量轻、其应用正在快速增长，采用微型引线框架的QFN封装称为MLF封装（微引线框架）。QFN封装和CSP（芯片尺寸封装）有些相似，但元件底部没有焊球，与PCB的电气和机械连接是通过PCB焊盘上印刷焊膏、过回流焊形成的焊点来实现的。