通过器件封装优化设计优化PCBA可制造性

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着现代电子技术的飞速发展，PCBA 也向着高密度高可靠性方面发展。虽然现阶段 PCB 和 PCBA 制造工艺水平有很大的提升，常规 PCB 阻焊工艺不会对产品可制造性造成致命的影响。但是对于器件引脚间距非常小的器件，由于 PCB 助焊焊盘设计和 PCB 阻焊焊盘设计不合理，将会提升 SMT 焊接工艺难度，增加 PCBA 表面贴装加工质量风险。鉴于这种 PCB 助焊和阻焊焊盘设计的不合理带来的可制造性和可靠性隐患问题，结合 PCB 和 PCBA 实际工艺水平，可通过器件封装优化设计规避可制造性问题。优化设计主要从二方面着手，其一，PCB LAYOUT 优化设计；其二，PCB 工程优化设计。
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PCB 阻焊设计现状
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* _9 a. m& X& o. n/ Z( ePCB LAYOUT 设计
依据 IPC 7351 标准封装库并参考器件规格书推荐的焊盘尺寸进行封装设计。为了快速设计，Layout 工程师优先按照推荐的焊盘尺寸上进行加大修正设计，PCB 助焊焊盘设计长宽均加大 0．1mm，阻焊焊盘也在助焊焊盘基础上长宽各加大 0．1mm。如图一所示：
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（图一）

7 z% z$ R- B4 Z; k8 T# L5 nPCB 工程设计
常规 PCB 阻焊工艺要求覆盖助焊焊盘边沿 0．05mm，两个助焊盘阻焊中间阻焊桥大于 0．1mm，如图二（2）所示。在 PCB 工程设计阶段，当阻焊焊盘尺寸无法优化时且两个焊盘中间阻焊桥小于 0．1mm，PCB 工程采用群焊盘式窗口设计处理。如图二（3）所示：

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（图二）
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PCB 阻焊设计要求



PCB LAYOUT 设计要求
! ]0 Q& h6 Q; R当两个助焊焊盘边沿间距大于 0．2mm 以上的焊盘，按照常规焊盘对封装进行设计；当两个助焊焊盘边沿间距小于 0．2mm 时，则需要进行 DFM 优化设计，DFM 优化设计方法有助焊和阻焊焊盘尺寸优化。确保 PCB 制造时，阻焊工序的阻焊剂能够形成最小阻焊桥隔离焊盘。如图三所示：
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9 s. {, V7 l8 O  }0 V' G- `5 A( I+ D

（图三）

PCB 工程设计要求


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/ v' R# [6 N- z6 m; ~. B当两助焊焊盘边沿间距大于 0．2mm 以上的焊盘，按照常规要求进行工程设计；当两焊盘边沿间距小于 0．2mm，需要进行 DFM 设计，工程设计 DFM 方法有阻焊层设计优化和助焊层削铜处理；削铜尺寸务必参考器件规格书，削铜后的助焊层焊盘应在推荐焊盘设计的尺寸范围内，且 PCB 阻焊设计应为单焊盘式窗口设计，即在焊盘之间可覆盖阻焊桥。确保在 PCBA 制造过程中，两个焊盘中间有阻焊桥做隔离，规避焊接外观质量问题及电气性能可靠性问题发生。
2 I, X% ~: }8 z/ N  ~2 N9 F2 m! P, M
' C. [: i3 z  C/ K- {PCBA 工艺能力要求
3 y; J7 b0 F& y- e9 Q. N( s8 t
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) j  q3 R; V+ ]3 t& `1 \  J阻焊膜在焊接组装过程中可以有效防止焊料桥连短接，对于高密度细间距引脚的 PCB，如果引脚之间无阻焊桥做隔离，PCBA 加工厂无法保证产品的局部焊接质量。针对高密度细间距引脚无阻焊做隔离的 PCB，现 PCBA 制造工厂处理方式是判定 PCB 来料不良，并不予上线生产。如客户坚持要求上线，PCBA 制造工厂为了规避质量风险，不会保证产品的焊接质量，预知 PCBA 工厂制造过程中出现的焊接质量问题将协商处理。
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案例分析


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器件规格书尺寸
如下图四，器件引脚中心间距：0．65mm，引脚宽度：0．2～0．4mm，引脚长度：0．3～0．5mm。

（图四）
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/ U. x! p* z6 ?, mPCB LAYOUT 实际设计
  S( g: \7 e: G3 |( n* }/ g2 `如下图五，助焊焊盘尺寸 0．8＊0．5mm，阻焊焊盘尺寸 0．9＊0．6mm，器件焊盘中心间距 0．65mm，助焊边沿间距 0．15mm，阻焊边沿间距 0．05mm，单边阻焊宽度增加 0．05mm。

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（图五）
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$ C( }8 X5 H" \& o
" ^( e( t& J5 b, q3 I: aPCB 工程设计要求
按照常规阻焊工程设计，单边阻焊焊盘尺寸要求大于助焊焊盘尺寸 0．05mm，否则会有阻焊剂覆盖助焊层的风险。如上图五，单边阻焊宽度为 0．05mm，满足阻焊生产加工要求。但两个阻焊盘边沿间距只有 0．05mm，不满足最小阻焊桥工艺要求。工程设计直接把芯片整排引脚设计为群焊盘式窗口设计。如图六所示：
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/ A' M/ Y% \7 c; S, W

; {. W$ [. P. S: |: m* R（图六）

0 O( R) K* E& h8 G" m实际焊接效果
9 T( [4 q; D! [) A$ Y* M' e按照工程设计要求后制板，并完成 SMT 贴片。通过功能测试验证，该芯片焊接不良率在 50％以上；再次通过温度循环实验后，还可以筛选出 5％以上不良率。首选对器件进行外观分析（20 倍放大镜），发现芯片相邻引脚之间有锡渣及焊接后的残留物；其次对失效的产品进行分析，发现失效芯片引脚短路烧毁。如图七所示：

' G2 S$ [+ m+ d" J5 J（图七）
4 G# }- e) @" Z, x
- M( e  ]  `7 z3 e: J) ~优化方案



4 z2 X0 X7 C& a  T$ L  {, d0 P! QPCB LAYOUT 设计优化
9 q) _; w) {2 Y$ Q参考 IPC 7351 标准封装库，助焊焊盘设计为 1．2mm＊0．3mm，阻焊焊盘设计 1．3＊0．4mm，相邻焊盘中心间距 0．65mm 保持不变。通过以上设计，单边阻焊 0．05mm 的尺寸满足 PCB 加工工艺要求，相邻阻焊边沿间距 0．25mm 尺寸满足阻焊桥工艺，加大阻焊桥的冗余设计可以大大降低焊接质量风险，从而提高产品的可靠性。

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( A+ e, J$ j5 M（图八）
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PCB 工程设计优化
$ t4 I+ Y; W$ I按照图八对助焊焊盘宽度进行削铜处理，调整阻焊宽度焊盘大小。保证器件两助焊焊盘边沿间大于 0．2mm，两阻焊焊盘边沿间大于 0．1mm，助焊和阻焊焊盘长度保持不变。满足 PCB 阻焊单焊盘式窗口设计的可制造性要求。

* y9 y+ j, Z/ r/ O, W（图九）
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4 e7 N7 d! x4 l0 S; n! x
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方案论证

设计验证
' r  @, W$ d. e' m6 |针对上述所提的问题焊盘，通过以上方案优化焊盘和阻焊设计，相邻焊盘边沿间距大于 0．2mm，阻焊焊盘边沿间距大于 0．1mm，该尺寸可满足阻焊桥制程需求。如图十所示：

（图十）

测试良率对比
: Q9 _. @- m% u0 x7 [7 p从 PCB LAYOUT 设计和 PCB 工程设计优化阻焊设计后，组织重新补投相同数量的 PCB，并按照相同制程完成贴装生产。产品各项参数对比如表一所示：

1 I1 G7 {# r& e（表一）
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2 O! R  D0 H* {1 H0 Z8 P通过以上数据可得，优化方案验证有效，满足产品可制造性设计。

优化设计总结
: I/ J; ?$ f+ ?9 h' u5 g
' B  x  I3 Q! F! ^6 e) K
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& J6 e3 t$ j# Q( a9 Q$ V2 U) R综上所述，器件引脚边沿间距小于 0．2mm 的芯片不能按照常规封装设计，PCB LAYOUT 设计助焊焊盘宽度不予补偿，通过加长助焊焊盘长度规避焊接接触面积可靠性问题。对于助焊焊盘过大导致两阻焊边沿间距过小，优先考虑削铜处理；对于阻焊焊盘设计过大的，优化阻焊设计，有效增加两阻焊焊盘边沿宽度，从而保证 PCBA 焊接质量保障。可见，助焊和阻焊焊盘设计之间的协调对提高 PCBA 可制造性及焊接直通率有决定性作用。


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阻焊膜在焊接组装过程中可以有效防止焊料桥连短接，对于高密度细间距引脚的 PCB，如果引脚之间无阻焊桥做隔离，PCBA 加工厂无法保证产品的局部焊接质量