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硬件开发

样品PCB设计与焊接


研发样品PCB设计技巧与手工焊接

在电子及相关行业中,市场需求快速变化,科技进步日新月异。产品的研发周期和生命周期都在不断缩短,缩短研发周期尤为重要。几乎所有的家用电器、电子产品都离不开电子系统开发,而电子系统的开发核心都离不开PCB设计,目前先进的EDA(常用的PCB设计软件主要有Protel、PowerPCB、Mentor、OrCAD等)软件大大缩短了PCB设计周期,而自动焊接流水线也缩短了产品的生产周期,但研发过程中仍无法避免手工焊接及返修,因此,PCB设计及手工焊接的技巧也会直接影响研发周期。

当前承担PCB样品焊接的公司越来越多,这对于硬件设计工程师来说是好事情,可以把更多的时间投入到研发、调试中。然而,再好的硬件设计工程师也不可能一次设计定型一种产品,必须经过多次试验,才可能开发出市场认可的产品。这样看来,手工焊接在研发过程中同样重要,如果没有较好的焊接基本功,就需要花时间和资金多次外包焊接及返修,影响研发进度。

手工焊接的基本功固然重要,但PCB文件的绘制也很关键。合理的整体布局和创建合适的焊盘,可以大大降低手工焊接的难度,提高返修成功率和节约大量返修时间。

电子元件的封装越来越小型化,IC引脚密度越来越高,手工焊接的难度也越来越大。对于硬件设计工程师来说,需要不断积累经验,也需要不断学习创新。相信大多数硬件设计工程师在调试过程中都遇到过返修(拆、焊)的难题。

一般情况下,硬件设计工程师为了提高PCB绘制效率,适应批量焊接需要,都会使用EDA软件自带的元器件封装库或元器件数据表推荐的封装尺寸,但这样往往会给自己在调试过程中的返修带来不小的麻烦。

对于基本PCB设计方法以及手工焊接的常识,本文不再赘述。本文主要通过三个实例来谈谈如何通过改变PCB文件设计(改变焊盘尺寸)而降低手工焊接难度。

一、0402(公制)封装的贴片电阻、电容等

对于熟练的焊接人员,这样的封装焊接难度还不算大(0201封装目前还不常用),但如果焊接技术水平一般,焊接工具粗糙的话,0402封装的焊接还是有一定难度的,即使能够焊接,也不会很顺利。

几乎所有的EDA软件中都会自带元器件封装库。标准封装的PCB焊盘尺寸主要是为批量焊接而设计的,并且不会考虑多次拆、焊。0402封装的焊盘单端面积一般不足0.4mm2,如果烙铁头不合适,焊盘上锡都比较困难,如果多次拆、焊,在应力作用下,焊盘很容易脱落。如果能够把焊盘适当向外延伸,在不影响整板面积使用及电气规则的情况下,未被元件覆盖的焊盘长度L≥元件放平后的高度H,焊接将会变得简单,同时也增加了焊盘的附着力。

电容的厚度一般大于电阻的厚度,焊接电容时,焊点上锡的面积要比电阻的大,所以会感觉焊接电容容易点。因此,增大焊盘面积的目的就是为了增大焊点上锡面积,使得烙铁头容易接触到焊盘,从而降低焊接难度。实践证明,适当增加PCB焊盘面积,可以大大降低手工焊接难度。

二、QFP系列封装的IC

以QFP256封装为例,两根引脚的间距只有0.4mm,手工焊接具有一定的难度。PCB上如果使用EDA自带的元件封装尺寸,即使焊接水平较高的工程师,手工焊接也会感觉很不舒服。因为IC引脚所对应的焊盘较短,芯片位置对准后,边缘露出的焊盘不足1mm,不利于焊锡的拖动;焊盘的宽度稍大于IC引脚,这样使得焊盘间隙又被缩小(有利于批量焊接的牢固性),因此增加了手工焊接难度。做研发样品PCB时,如果改变一下焊盘的规格,即向外适当延长焊盘(至于焊盘要延长多少,要根据自己的实际焊接经验来定,同时也要考虑PCB的面积是否允许,以及是否影响电气特性等),并且使焊盘的宽度≤引脚的宽度(保留焊盘最大间隙),你会发现手工焊接这样高密度引脚的IC其实并不难。另外,四个方向的焊盘应全部整体向外推移,使芯片下方不要空出多余的焊盘空间为宜,否则容易造成短路,且锡桥被芯片掩盖,很难清除。

关于此类器件的手工焊接方法,经过大量试验后,我认为这样焊比较好:先把IC引脚位置与焊盘对准,然后固定一点或几点,再检查一遍各引脚有无偏离或变形,如果正常,就可以开始上锡了,上锡时要等锡融化后再往引脚上堆,注意烙铁头不要用力触碰引脚,否则会导致引脚变形。等焊锡上满后,再用烙铁把多余的焊锡全部清理掉,较难清理的地方,可以用烙铁蘸少许助焊剂再接触短路的焊锡,焊锡会吸附在烙铁头上,从而把引脚清理干净(可多次进行清除多余焊锡,熟练的焊接人员一般两三次就能把一边的焊锡清除干净,不熟练的可以多进行几次)。完成焊接后,可用棉球或纱布蘸取专用PCB清洗剂(不能用酒精,使用酒精后会留下很多白色的残留物,无法清除干净),把焊接好的IC清洁干净。这样,一片高难度的IC手工焊接工作就完成了,如果不放心,可以用放大镜再检查一下。

三、QFN封装的IC

对于QFN封装的芯片,在设计PCB时,如果使用EDA软件自带的元件封装尺寸,将会给手工焊接带来很大麻烦。因为QFN芯片的引脚大部分在芯片底部,侧面只能看到很少的部分,如果PCB上的焊盘很短,基本都被芯片盖住,那么烙铁头很难接触到焊盘,所以手工焊接非常不便,甚至觉得无从下手。如果需要手工焊接,为确保焊接的成功率,最好修改一下PCB焊盘。QFN芯片底部有一大块散热金属,所以对应的PCB上也需要一大块覆铜面积。每个品牌的QFN芯片封装参数并不完全相同,有的芯片底部金属与引脚间的间隙大一些,有的则很小,稍不注意,焊接时很容易造成芯片底部金属与PCB四周焊盘短路。首先,为了避免芯片底部金属与PCB四周焊盘短路,设计PCB时,应尽量放大覆铜区与引脚焊盘间的间隙(适当缩小覆铜面积,四周焊盘适当向外推移),其次,再把四周焊盘向外延伸(综合考虑PCB空间及相关电气参数),一般以烙铁头可充分接触焊盘为宜。

通过这样的修改,我们可以很轻松的进行QFN封装芯片的手工焊接。

焊接方法如下:把芯片四周的引脚和对应的PCB焊盘均匀上锡(PCB上也可不上锡),然后把芯片放在PCB上,对准位置,从一边固定(固定几个引脚均可)。再看一下四边是否都对齐,如果没问题,可以开始大量上锡了,电烙铁温度可调至310℃左右,芯片四边的引脚均上满焊锡。接下来就是要把多余的焊锡清除干净,把烙铁头以最大面积接触一边的焊锡,至焊锡融化(可把PCB板向身体方向倾斜),慢慢把焊锡拖走,如果一次拖不干净,可多次重复操作(可蘸取少量焊锡膏,有助于焊锡流动),一边完成后,另外三边同样操作。成功焊接一片QFN封装的芯片后,便能充分体会到适当改变PCB上的焊盘设计可大大降低手工焊接难度,从而提高研发样品设计、制做的效率。

手工焊接,到底需要哪些设备、工具及材料,本文可以给出一些建议(并不是设备越先进越好)。由于各单位的经济条件不同,所以各方面的配置也各不相同,一方面要有最基础的配置,另一方面也要看操作人员的技巧。

对于PCB设计工程师而言,不但要考虑研发样品的手工焊接,还要考虑产品的量产,二者均不可忽略。以上谈到通过修改PCB焊盘结构使得手工焊接变得简易,但修改后的封装不一定适合批量焊接(波峰焊或回流焊等)。建议硬件工程师在自己使用的EDA软件中准备两套元器件封装库,从而满足样品制做和量产的需要,提高工作效率。

总结

PCB焊接质量与PCB版图设计是密不可分的,无论制作研发样品还是批量生产,返修和补焊都需要手工操作。PCB设计人员在设计PCB版图时,一定要多考虑可维修性与可制造性,如果只考虑压缩PCB设计时间,则不但不能缩短研发周期,反而还会花费大量时间进行调试、返修,或者直接造成物料报废,造成产品无法按时上市。本文通过三类常用电子元器件封装的PCB焊接实例,表达了研发样品PCB版图设计与手工焊接技巧对提高样品研发工作效率,缩短研发周期的重要意义。更多细致的工作技巧还要靠大家长期的工作经验积累。

以上就是我们深圳市组创微电子有限公司为您介绍的研发样品PCB设计技巧与手工焊接技术。如果您有智能电子产品的软硬件功能开发需求,可以放心交给我们,我们有丰富的电子产品定制开发经验,可以尽快评估开发周期与IC价格,也可以核算PCBA报价。我们是多家国内外芯片代理商:松翰、应广、杰理、安凯、全志、realtek,有MCU、语音IC、蓝牙IC与模块、wifi模块。我们的拥有硬件设计与软件开发能力。涵盖了电路设计、PCB设计、单片机开发、软件定制开发、APP定制开发、微信公众号开发、语音识别技术、蓝牙wifi开发等。还可以承接智能电子产品研发、家用电器方案设计、美容仪器开发、物联网应用开发、智能家居方案设计、TWS耳机开发、蓝牙耳机音箱开发、儿童玩具方案开发、电子教育产品研发。

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