什么是PCB设计和开发中的焊盘？

电路板组件的质量取决于几个因素，例如电路板和组件之间的接口。这使焊盘成为PCB设计和开发的重要组成部分，因为它用作组件和电路板之间电接触的指定表面积。

什么是PCB设计中的焊盘？

焊盘是电路板上的金属线的裸露区域，元件引线已焊接到该区域上。结合使用多个焊盘可在PCB上生成组件占位面积或焊盘图案。可用的两种类型的焊盘是通孔焊盘和表面安装焊盘。

表面贴装垫的垫设计

通孔焊盘的焊盘设计

表面贴装垫

用于安装 表面安装组件的焊盘称为表面安装焊盘。这些垫具有以下功能： 

焊盘显示铜线区域。可以是矩形，圆形，正方形或长方形。 

阻焊层

焊锡膏 

打击垫编号（组件存在的打击垫数量）

BGA垫的特殊功能

SMD垫vs NSMD垫

正确的焊盘设计对于确保BGA组件的可制造性至关重要。BGA焊盘基本上有两种类型-阻焊层定义的焊盘（SMD）和非阻焊层定义的焊盘（NSMD）。

阻焊层定义（SMD）BGA焊盘 

SMD焊盘由应用于BGA焊盘的阻焊膜孔定义。这些焊盘具有阻焊层孔，以使掩模开口小于它们覆盖的焊盘的直径。这样做是为了缩小零件将要焊接到的铜焊盘的尺寸。

该图显示了如何指定阻焊剂覆盖下面的一部分铜焊盘。这可以带来两个好处-首先，重叠的掩模有助于防止焊盘由于机械应力或热应力而脱离电路板。第二个优点是，当零件在整个焊接过程中移动时，掩模上的开口将为BGA上的每个焊球对准一个通道。

传统上，SMD BGA焊盘的铜层直径等于BGA上的焊盘直径。为了生成SMD覆盖层，传统上将其减少20％。

SMD和NSMD垫

非焊料掩模定义的BGA焊盘（NSMD）

NSMD焊盘与SMD焊盘的不同之处在于，将阻焊层定义为不接触铜焊盘。代替地，形成掩模使得在焊盘边缘和阻焊剂之间产生间隙。 

NSMD垫的横截面

此处，铜焊盘尺寸由铜焊盘直径而不是掩模层定义。

NSMD焊盘可以小于焊球的直径，而焊盘尺寸的这种减小是焊球直径的20％。这种方法在相邻的焊盘之间留出更多空间，使走线更容易，并用于高密度和小间距BGA芯片。NSMD垫的一个缺点是由于热应力和机械应力导致它们极易分层。但是，如果遵循标准的制造和处理方法，则可以防止NSMD护垫分层。

通孔垫

用于安装通孔组件的焊盘称为通孔焊盘，有两种类型：

电镀通孔（PTH）

PTH是指带有通孔的焊盘。孔壁将镀铜，有时还会镀焊料或其他保护性镀层。孔电镀是通过电解过程完成的。该镀层提供了板的不同层之间的电连接。

非镀通孔

NPTH是指在孔中没有电镀的焊盘。该垫主要用于单面板，或者这些孔用于将PCB安装在外壳中，螺钉通过这些孔安装。通常，未电镀的孔在孔的周围将没有任何铜的区域（类似于板的边缘间隙）。这样做是为了防止铜层和要放置的零件之间短路。

通孔焊盘的不同部分通常称为焊盘堆叠，由以下部分组成：

顶垫

底垫

内垫

钻头

环形圈

针号 

可以在垫子上放置通孔吗？–是的，作为通孔

在HDI设计中，在空间受限的情况下，有必要在焊盘上放置过孔。 传统的过孔具有从焊盘到走线的信号承载走线。焊盘内通孔可通过减少走线布线占用的空间来最小化PCB的尺寸。焊盘内通孔用于间距小于等于0.5 mm的BGA组件。

垫中通孔

传统通孔与焊盘通孔

什么是焊盘？

焊盘用于将管芯上的电路连接到封装芯片上的引脚的目的。金线的一侧将连接到焊盘，而另一侧将连接到封装。接合垫由彼此堆叠并通过通孔连接的所有金属层制成。这允许从芯片核心到焊盘的连接。

芯片还需要在整个芯片上具有绝缘体或钝化层，以保护内核免受环境污染。要求焊盘易于接近以连接到芯片封装，因此不能被绝缘层包裹。玻璃层用于告知制造商需要在何处进行粘合的开口。 

什么是通过插入PCB？

通孔堵塞是一种用于用树脂完全填充通孔或用阻焊剂封闭的技术。此过程与通孔帐篷化的不同之处在于，树脂或阻焊膜不会填充通孔，而只是提供覆盖。

通过之前通过插入

阻焊后通孔

实施通孔堵塞是一种预防措施，可在焊接过程中确保通孔不受不良的焊料流的影响。如果在焊接过程中未插入或固定过孔，则焊料可能会从焊盘流入孔中并形成多余的焊点。

可以使用导电或非导电材料来实现通孔堵塞。导通孔的导电填充有助于将电流从板的一侧传导到另一侧。使用导电填充物的缺点是周围层压板和导电填充物之间的热膨胀系数（CTE）不同。当PCB运行时，导电材料的加热速度将比周围的层压板快，膨胀并导致破裂。这在所考虑的通孔壁和接触垫之间。

填充有非导电材料的通孔将能够像普通通孔一样工作，但是将无法承载高电流，例如导电填充通孔。

手动垫设计中的错误

如今，自动化已被用于消除垫的手动设计。垫的手动设计涉及使用设计软件工具绘制所需的垫形状。可以使用数据表和公式针对通用焊盘形状和尺寸进行映射。

手动过程容易出错，因为制造商的规格并不总是遵循与自动化过程相同的公式。这会导致错误的焊盘形状和尺寸，从而导致不良结果，例如：

通孔突围

通孔焊盘需要一个实心的环形圈以提高可焊性。环形圈是垫的外周和孔壁之间的金属。环形圈的尺寸规格必须足够大，以补偿钻头从孔的中心漂移。如果焊盘太小，可能会导致开裂，从而导致断线，电路不完整或焊接不当。

焊点不足

焊盘过小的SMT组件在焊接过程中可能无法获得合适的焊锡角。缺少良好的圆角会导致焊点变弱并破裂。

浮动零件

在此，安装在焊盘上的SMT组件过大可能会在回流焊过程中浮出位置。这可能会导致电路之间短路。

墓碑零件

当焊盘尺寸不相同时，带有两条较小引线的SMT组件（例如电阻器和电容器）可能会出现问题。一个垫的加热速度比另一个垫快的缺陷称为“墓碑撞击”，因为该组件将从另一个垫上拉起，看起来像一个墓碑。要了解有关墓碑的更多信息，请阅读表面贴装技术（SMT）中的8个常见错误。

与其他金属的短裤

小于要求的焊盘可能会在靠近焊接到其上的组件的表面留下痕迹，从而导致短路的可能性。大于要求的焊盘可能会妨碍焊盘之间的布线，从而使布线成为一项挑战。

垫堆叠元素

PCB中最常见的孔类型是钻孔和电镀孔。垫叠包括钻孔的所有功能，这些功能可以是电镀孔，非电镀孔，埋入孔或盲孔。

下图是PCB上钻孔和镀孔的图形。

垫叠元素

上面显示的结构的俯视图：

通孔元素

下图所示的孔的可见元素：

两个外层的捕获垫

内层的捕获垫

钻孔直径

孔电镀

穿过木板钻孔的阴影投射的阴影

平面间隙孔 

上图显示了钻孔的关键方面，其定义如下：

Via：这是任何镀覆的通孔，可用于将信号从板表面连接到内部层或更改层。

长宽比：这是钻孔的长度与其直径之比。

捕获垫：此垫用于将走线连接到镀覆的通孔或过孔。该垫子使钻孔中的镀层陷入困境。

间隙垫：这是在平面上蚀刻的孔，钻孔穿过该孔。它也被称为反焊盘，因为在早期的绘图仪中，平面图稿是作为负片创建的。

孔阴影：这是一个圆柱体，其直径是钻孔的直径加上钻削游隙的余量。该阴影投射在所有层中，它是用于计算与平面或走线的绝缘间距的表面。

平面层：这是形成PCB中一层的铜层。

环形圈：这是捕获板的最小直径之上的捕获板的额外直径，该尺寸恰好包含了钻孔所投射的阴影。该额外的铜用于在进入焊盘的走线和孔镀层之间建立连接。另外，此连接绝不能是走线的末端横截面，以免在焊接过程中导致接头失效。

裂口：在这种情况下，钻孔是如此偏心，以致于钻孔并不全部包含在捕获垫中。通过创建比要求的厚度更薄的绝缘层，或通过在走线和电镀通孔之间建立对接（端接），可以最大程度地降低PCB的可靠性。

非功能性焊盘：这些是内层上的焊盘，不需要将走线连接到电镀通孔。现代PCB制造操作中不需要非功能性焊盘。 

焊盘设计的制造和可靠性注意事项

要确保PCB焊盘堆叠设计满足可制造性和可靠性要求，需要考虑以下几个因素：

最大容差在相对的导体之间建立了最小的绝缘，在这种情况下，这是指孔镀层以及走线和平面层中的铜。他们需要符合工程产品的标准。对于电信设备，要求的最小绝缘间隔为4密耳，对于其他产品，最小绝缘间隔为5密耳。

在走线与镀通孔或过孔之间需要牢固的连接。

长宽比必须使孔壁能够承受电镀过程中的应力而不会失效。

即使遵循上述准则，钻孔也不一定会按规定穿过板子。由于以下因素，可能会发生这种情况：

钻头可能偏离首选钻削轴（偏心率）的地方会发生钻头漂移

薄膜层的对准误差

层压时层压板收缩。这可能会导致钻孔位置错误。

层压过程中层的定位不正确

钻探漂移是指钻孔偏离实际应有的位置。每个制造商在完成其过程后都将达到公差，称为钻孔公差。该钻孔公差用于定义每个钻孔的孔阴影。高精度制造商可以将公差降低到±5密耳，也称为TIR（总半径）。在美国，中级制造商可以将此公差降低至±6密耳，而其他制造商可以将其公差降低至±7密耳。对于PCB设计者来说，重要的是要知道在哪里制造板，以便为钻头漂移误差提供准确的余量。当进行大批量生产时，钻头的游动公差应更高。

PCB焊盘尺寸的行业标准和计算器

IPC标准中密度等级A，B和C之间的差异
级别A，级别B和级别C描述了IPC标准中相对易于制造的度量。

密度级别A用于一般设计的可生产性和首选级别。用于低组件密度板。在这种情况下，封装的几何形状为“最大”。实施此技术可实现最可靠的生产能力。

密度等级B用于中等设计生产率，是标准等级，适用于回流焊，波峰焊，拖曳或浸焊。在这种情况下，覆盖区几何形状为“中值”。该技术提供了牢固的焊料附着条件。

密度级别C用于提高设计的可重复性，密度级别C在降低的级别，用于高组件密度。在这种情况下，占地面积几何形状是“最小”的。此技术用于制造手持式和便携式设备。

根据IPC-7251，IPC-2222和IPC-2221标准计算PTH孔和焊盘直径尺寸

计算PTH孔和焊盘直径尺寸的步骤如下：

找到最大引线直径

您需要找到组件的包装图或数据表中可用的最大引线直径。下图显示了不同形状类型的最大引线直径：

圆形PTH引线需要圆孔形状

矩形PTH引线需要矩形孔形状。 

方形PTH引线需要方形孔形状。

不同零件形状的最大引线直径

计算最小孔尺寸

通孔引线的最小孔尺寸

最小孔尺寸是根据以下公式计算的：

对于IPC-2222的A级

最小孔尺寸=最大引线直径+ 0.25mm（10mil）

对于IPC-2222的B级

最小孔尺寸=最大引线直径+ 0.20mm（8mil）

对于IPC-2222的C级

最小孔尺寸=最大引线直径+ 0.15mm（6mil）

计算垫直径

在计算最小孔尺寸后，您需要知道最小环形圈为0.05mm（50um）。根据IPC-2221，A级，B级和C级的最小制造余量分别为0.6mm，0.5mm和0.4mm。

垫直径=最小孔尺寸+最小环形圈x 2 +最小制造余量。

对于IPC-2221的A级

焊盘直径=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.60mm（24mil）

对于IPC-2221的B级

垫片直径=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.50mm（20mil）

对于IPC-2221的C级

焊盘直径=最小孔尺寸+ 0.1mm + 0.40mm（1600万）

IPC-7251和7351 padstack命名约定

垫纸叠由字母和数字的组合表示，代表不同板上的形状或焊盘尺寸。根据IPC-2220设计标准，将这些组合与焊盘图案约定结合使用。

填充堆栈符号的第一部分包括用小写形式表示的焊盘形状。有6个基本的土地形状标识符。 

b –长方形

c –圆形

d – D形（一端为正方形，另一端为圆形）

r –矩形

s –平方

u –轮廓（指不规则形状）

Padstack默认值：

阻焊膜的面积比例为1：1

粘贴蒙版的比例为土地面积的1：1比例

装配层的土地按土地面积的1：1比例成比例

内层和外层焊盘的形状相同

主要和次要土地面积相同

内层的焊盘形状，过孔和安装孔均为圆形

散热内径，外径和辐条宽度尺寸遵循IPC等级A，B或C，散热件具有4个辐条

平面间隙和防垫尺寸遵循IPC A，B或C级

例子：

“ c140h80” 

c表示直径1.40mm的圆形平台

h表示孔径0.80mm

s450

“ s”表示SMT焊盘面积为4.50mm

计算焊盘尺寸的资源

焊盘尺寸有多种规格，例如IPC-7351标准，其中详细说明了PCB设计人员可以使用的所需规格。电路板设计人员可以用来计算焊盘尺寸的其他资源包括：

焊盘和焊盘图案生成器：如今的电子设计自动化（EDA）工具包括焊盘和焊盘图案生成器，也称为库向导。此类软件功能通常与IPC标准结合使用，并将自动生成组件所需的焊盘形状和尺寸。

PCB设计CAD供应商库：EDA工具还提供了预制的焊盘库和焊盘图案，可以下载和使用。购买了设计工具使用许可的用户可以使用这些工具。

第三方CAD库供应商：用户可以从第三方PCB库组件供应商购买和下载焊盘和焊盘图案。您甚至可以找到专门为组件创建的所需焊盘和焊盘图案。

焊盘和焊盘图案计算器：设计人员和其他用户可以轻松地在线找到各种焊盘和焊盘图案计算器。

设计提示：使用在线提供的或在线自动生成的行业标准零件可以节省大量时间，否则可能会浪费在创建库中。这还提供了一个额外的保证，即可以根据行业或供应商的规范创建CAD组件，从而满足制造商的DFM要求。

焊盘是PCB设计和制造的重要组成部分。电路板设计人员需要掌握这一点，才能设计出功能齐全且高效的电路板。