SMT中表面安装元器件的选取

作者：中国工程物理研究院 孙宁

欢迎访问e展厅 展厅 3 电子工业设备展厅 电路板生产设备, 分板机, 贴片机, 波峰焊, 回流焊, ... 一、概述 表面安装元器件的选择和设计是产品总体设计的关键一环，设计者在系统结构和详细电路设计阶段确定元器件的电气性能和功能，在SMT设计阶段应根据设备及工艺的具体情况和总体设计要求确定表面组装元器件的封装形式和结构。表面安装的焊点既是机械连接点又是电气连接点，合理的选择对提高PCB设计密度、可生产性、可测试性和可靠性都产生决定性的影响。 表面安装元器件在功能上和插装元器件没有差别，其不同之处在于元器件的封装。表面安装的封装在焊接时要经受奶高的温度其元器件和基板必须具有匹配的热膨胀系数。这些因素在产品设计中必须全盘考虑。 选择合适的封装，其优点主要是：1).有效节省PCB面积;2).提供更好的电学性能;3).对元器件的内部起保护作用，免受潮湿等环境影响;4).提供良好的通信联系;5).帮助散热并为传送和测试提供方便。 二、表面安装元器件的选取 表面安装元器件分为有源和无源两大类。按引脚形状分为鸥翼型和“J”型。下面以此分类阐述元器件的选取。 1无源器件 元源器件主要包括单片陶瓷电容器、钽电容器和厚膜电阻器，外形为长方形或园柱形。园柱形无源器件称为“MELF”，采用再流焊时易发生滚动，需采用特殊焊盘设计，一般应避免使用。长方形无源器件称为“CHIP”片式元器件，它的体积小、重量轻、抗菌素冲击性和抗震性好、寄生损耗小，被广泛应用于各类电子产品中。为了获得良好的可焊性，必须选择镍底阻挡层的电镀。 表面安装电阻器的电容器封装有各种外形尺寸。在选取时应避免选择过小尺寸：<0.08英寸X0.05英寸以减小贴放难度，也要避免选择过大尺寸：>0英寸X0.12英寸以避免使用环氧玻璃基板FR-4时产生热膨胀系数(CTE)失配片式元件要求能在260℃温度下承受5-10S的焊接时间。 (1)片式电阻器 片式电阻器分为两大类：厚膜型和薄膜型。额定功率为1/16、1/8、1/4瓦，电阻值从1欧到1兆欧的电阻器具有各种尺寸规格，按外形尺寸分为0805(0。08英寸X0.05英寸)、1206(0.12英寸X0.06英寸)、1210(0.12英寸X0.10英寸)等。一般来说1/16、1/8和1/4瓦的电阻器相应于0805、1206及1210。选取时应首选1/8瓦、外形尺寸为1206的元件。 (2)陶瓷电容器 陶瓷电容器有三种不同的介质类型：COG或NPO、X7R和Z5U。它们的电容范围各不相同。COG或NPO用于在很宽的温度、电压和频率范围内有高稳定性的电路;X7R和Z5U介质电容器的温度和电压特性较差，主要应用于旁路和去耦场合。 陶瓷电容器在波峰焊时容易开裂，原因是CTE失配。在焊接时电极和端接头的CTE高，受热比陶瓷快以致失配产生裂纹。解决的工艺办法是波峰焊之前预热电路板，减少热冲击。Z5U陶瓷电容器比X7R电容器更容易开裂，选取时应尽量采用X7R电容器。 和 片式电阻器一样，其外形尺寸应量选用1206的电容器。 (3)电阻网络 表面安装电阻器网络采用“SO”封装，管脚为欧翼形。其焊盘图形设计标准，可根据电路需要加以选用。 现有最常用外形尺寸标准如下：150MIL宽外壳(SO)有8、14、16引脚; 220MIL宽外壳(SOMC)有14、16引脚;300MIL宽外壳(SOL)有14、16、20、24、28引脚。 (4)钽电容器 表面安装钽电容器具有极高的体积效率和高可靠性。目前，该元件缺少标准化，一般使用字母标记。 选择钽电容器最主要的是注意两头的端接头结构。它有两种主要的结构形式：一种是非压膜式，一端焊接短片触头;另一种是塑膜式，引脚触头向下卷。由于贴片机动性抓取非压膜式电容器时易出现贴片不准的问题，加上这种电容器的金属端接头会使焊点变脆，选取时应尽量选用塑膜式钽电容器。 2、有源器件 表面安装芯片载体有两大类：陶瓷和塑料。 陶瓷芯片封装的优点是：1)气密性好，对内部结构有良好的保护作用 2)信号路径较短，寄生参数、噪声、延时特性明显改善 3)降低功耗。缺点是因为无引脚吸收焊膏溶化时所产生的应力，封装和基板之间CTE失配可导致焊接时焊点开裂。目前，最常用的陶瓷饼片载体是无引线陶瓷习片载体LCCC。 塑料封装目前被广泛应用于军、民品生产上，具有良好的性价比。其封装形式分为：小外形晶体管SOT;小外形集成电路SOIC;塑封有引线芯片载体PLCC;小外形J封装;塑料扁平封装PQFP。 为了有效缩小PCB面积，在器件功能和性能相同的情况下首选引脚数20以下的SOIC，引脚数20-84之间的PLCC，引脚数大于84的PQFP。 2.2.1无引线陶瓷芯片载体LCCC 电极中心距有1.0mm和1.27mm两种。矩形有18、22、28、32个电极数;方形有16、20、24、28、44、56、68、84、100、124、156个电极数。由于目前采用的基板多为FR-4，CTE失配的情况比较严重，应尽量避免选用。 2.2.2小外形晶体终究SOT 其常用的封装形式为三引脚的SOT23、SOT89，四引脚的SOT143，一般用于二、三极管。 SOT23是最常用的三引脚封装，可容纳的最大芯片尺寸为0。030英寸X0.030英寸，按断面高低分为低位、中位、高位三种。为了得到较好的清洗效果，一般优选高位封装。 SOT89一般用于功率较大的器件，可容纳的最大芯片尺寸为0.060英寸X0.060英寸。 SOT143通常用于射频(FR)晶体管的情况下，可容纳的最大芯片尺寸为0.025英寸X0.025英寸。 2.2.3小外形集成电路SOIC 采用欧翼形封装。对于引脚数不大于20的器件来说，采用此类封装可节省更大的覆盖面积。 SOIC封装主要有两种不同的外壳宽度：150MIL和300MIL，主要有8、14、16、20、24、28个引脚数。 在选取时应注意引脚的共面度最大为0.004英寸。 2.2.4塑料扁平封装PQFP 采用欧翼形封装。主要应用于ASIC专用集成电路。管脚 中心距分为1.0mm、0.8mm、0.65mm、0.5mm、0.3mm几种，引脚数有84-304条。 管脚中心距越小、管脚数越多，引脚越易损伤，共面度不易保持在0.004英寸范围内。选取时应尽量采用带角缓冲垫封装的器件(四角有四个比引脚长约2MIL的垫子)，以便在安装、返修、测试过程中保护引脚。 2.2.5塑封有引线芯片载体PLCC和小外形J封装 均采用J形封装。具有可塑性，能吸收焊点的应力从而避免焊点开裂，形成良好的焊点。 引脚数大于40时采用PLCC，占用覆盖面积小，不易变形、共面性好。 PLCC按外形分矩形和方形两种。矩形引线数有18、22、28、32条;方形引线数有16、20、24、28、44、52、68、84、100、124、156条。 小外形J封装是SOIC和PLCC的混合形式，结合了PLCC引线强度大、共面性好和SOIC空间存线率高的优点。主要用于高密度DRAM(1和4MB). 三、欧翼形封装和J形封装器件引脚分析比较 引脚 的形状决定了形成的焊点，对产品的可靠性和可生产性都有着重要的影响。目前采用的主要两种形状为：欧翼形和J形，，形成的焊点分别见图1和图2： 其特征比较： 由表1可以看出两种封装形式各有优缺点，但具体选择应根据SMT设备的具体情况进行。例如 ，采用PLCC好处很多，但由于它对焊接方式的选择性较强，对于无强制对流的红外再流焊就无法形成良好的焊点，应慎重选择。 4 结论 表面安装元器件的选取合理与否直接关系到产品质量，在其电气性能确定后，还应根据具体设备从元器件材料、封装形式、可承受焊接温度、可焊性等各方面加以综合考虑。只要这样，设计出的电路才具有良好的可制造性和可靠性。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (4/25/2013)