基于IPC-7351B的表贴器件PCB封装设计

2019-07 38(7)

doi: 10.7690/bgzdh.2019.07.009

兵工自动化 Ordnance Industry Automation

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基于IPC-7351B的表贴器件PCB封装设计

谭安菊，顾炳林

(中国工程物理研究院电子工程研究所，四川 绵阳 621900)

摘要：为解决在PCB设计过程中可制造性和产品性能之间折中考虑的问题，依据IPC-7351B标准，对表贴器件

PCB封装进行设计。结合IPC-7351B标准、可制造性和可靠性等要求，通过对标准封装的SMD焊盘尺寸及引脚参数计算，设置SMD焊盘阻焊参数，设计出表面贴装器件PCB封装。实践结果表明，该方法可提高产品的可焊性和可靠性。

关键词：PCB封装；IPC-7351B；SMD焊盘；表贴器件；可制造性 中图分类号：TP202 文献标志码：A

PCB Footprint Design for Surface Mount Components Based on IPC-7351B

Tan Anju, Gu Binglin

(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Abstract: In order to solve the problem of compromise between manufacturability and product performance in PCB design process, the PCB packaging of surface mount components was designed according to IPC-7351B standard. According to the requirements of IPC-7351B standard, manufacturability and reliability, by calculating the size and pin parameters of SMD pad for standard packaging, and setting the resistance welding parameters of SMD pad, PCB footprint of surface mount component is designed. The practice results show that this method can improve the solderability and reliability of products.

Keywords: PCB packaging; IPC-7351B; SMD pad; surface mount components; manufacturability

0 引言

目前在PCB设计过程中，由于产品小型化、高密度和可靠性等要求，导致很多时候需要在可制造性和产品性能之间折中考虑。在PCB设计过程中，封装的设计是一个重要而又容易被忽视的过程，其设计质量直接影响后期器件装配以及产品质量。目前封装设计的标准很多，有国际标准、标和企标等，必须采用统一的设计标准指导设计。IPC-7351B是IPC(国际电子工业协会)制定的表面贴装设计和焊盘图形标准通用要求，是国际通用的设计规范。该标准充分考虑了产品密度、环境和返修等因素。笔者结合IPC-7351B标准、可制造性和可靠性等要求，对表面贴装器件PCB封装设计进行了介绍和总结[1]，同时结合CADENCE设计软件对封装设计中其他参数进行了说明。

1) 元器件与PCB板焊盘规格不匹配，例如

0603规格的元器件贴装在0805规格的焊盘上，或0805规格的元器件贴装在0603规格的焊盘上；

2) 同一规格的元器件有多种不同的封装设计，标准不统一；

3) PCB封装所匹配的焊盘尺寸不符合规范的要求。

以上问题都是由于建库标准不统一和不规范给后期SMT作业带来极大困扰甚至焊接不良，最终影响了产品质量和生产效率；因此，PCB封装的设计对SMT产品的可制造性和寿命有很大的影响。 1.2 IPC-7351B标准简介

IPC是国际电子工业联接协会。IPC-7351B是表面贴装设计和焊盘图形标准通用要求，替代IPC-SM-782A标准。IPC-7351B从元器件密度、高冲击环境和对返修要求等变量对PCB封装焊盘的设计给出了建议，并且IPC-7351B将PCB封装分为3种类型。如图1所示，用户可从3种密度中选择适合自己产品的尺寸。

1 概述

1.1 PCB封装设计的重要性

在PCB设计的过程中，有时会出现如下问题：

1 收稿日期：2019-03-19；修回日期：2019-04-16

作者简介：谭安菊(1979—)，女，云南人，硕士，副研究员，从事PCB设计及仿真、硬件电路设计研究。E-mail: tanaj@163.com。

38· · 兵工自动化第38卷

图1 PCB封装3种密度等级

1) 密度等级A。

最大焊盘伸出，适用于低元器件密度应用，典型的例子如便携/手持式或暴露在高冲击或震动环境中的产品。焊接结构是最坚固的，并且在需要的情况下很容易进行返修。人工焊接和机器焊接都可操作，且留有较大的裕量。

2) 密度等级B。

中等焊盘伸出，适用于中等元件密度的产品，提供坚固的焊接结构。人工焊接和机器焊接都可以操作。

3) 密度等级C。

最小焊盘伸出，适用于焊盘图形具有最小的焊接结构要求的微型器件，可实现最高的元件组装密度。适用于机器焊接，人工焊接较难。

2 表贴电子元器件封装设计

2.1 SMD焊盘设计

2.1.1 标准封装的SMD焊盘尺寸计算[2]

标准封装是指符合JEDEC、EIA等国际标准的封装，例如SOP、SOIC、TSSOP、TQFP等。此封装形式的焊盘计算公式如下： Z2maxLmin2JTCLF2； (1) G2minSmax2JHCSF2； (2)

XW2maxmin2JSCWF2。 (3) 其中：Z为封装两边焊盘最外沿的距离；G为封装

两边焊盘内沿的距离；X为封装焊盘的宽度；L为元器件两边引脚最外沿的距离；S为表示元器件两边引脚内沿的距离；W为元器件的引脚宽度；JT为焊点外延(toe)的长度，即脚趾；JH为焊点内沿(heel)的长度，即脚跟；JS为焊点侧面(side)的长度，即脚侧；CL为元器件的尺寸容限，L的最大值与最小值的差值；CS为元器件的尺寸容限，S的最大值与最小值的差值；CW为元器件的尺寸容限，W的最大值与最小值的差值；F为印制板加工时的公差；P

为SMT机器焊接时的公差。

图2为公式中所涉及的参数。

(a) 元器件尺寸

(b) 封装焊盘尺寸 图2 公式中所涉及的参数

计算公式中，各参数计算值规定如下：

1) L、S和W分别为元器件的各尺寸，通过元器件数据手册获得；

2) CL、CS和CW是元器件的尺寸容限，通过元器件数据手册获得；

3) F和P分别为印制板制造公差和元器件贴装公差，可根据用户的设备能力进行修改，一般可取F=0.1 mm(4 mil)，P=0.1 mm(4 mil)；

4) JT、JH和JS取值见IPC-7351B标准中对于各种封装形式和各种密度等级的推荐值。

其中，JT、JH和JS各参数在焊盘上的示意图如图3所示。

图3 焊点的3种形式

2.1.2 各种封装形式的引脚计算参数

在IPC-7351B标准中，针对各种标准封装形式和3种密度等级都有封装计算参数JT、JH和JS的推荐，以及调节系数推荐等。根据产品的密度等级即可计算封装参数[3]。例如：对于间距大于0.625 mm的扁平带状L形引脚和欧翼形引脚的计算参数如表1所示；J形引脚的计算参数如表2所示；BGA器件引脚计算参数见表3所示。

第7期 谭安菊等：基于IPC-7351B的表贴器件PCB封装设计

表1 扁平带状L形引脚和欧翼形引脚 mm

·39·

满足以下计算公式：

2R2S≥3mil。

管脚图片 参数

密度等级 GD

A B C

0.35 0.15 JT 0.55

JH 0.45 0.35 0.25

JS 0.05 0.03 0.01 调节系数为0.05 mm，例如 1.00,1.05,1.10,1.15…；对应的封装形

式：SOIC,SOP,QFP,CQFP,SOT,SOD… 说明：1) 如果Smin≤Amax，那么JH的值从密度等级A到C分别为0.25, 0.15, 0.05；2) 如果引脚长度的公差Ttol大于0.5，那么此表格数据不适用于翼形引脚；3) 引脚间距大于0.625 mm。

表2 J形引脚 mm

管脚图片

参数

密度等级

A B C

JT 0.55 0.35 0.15 JH 0.1 0 -0.1

JS 0.05 0.03 0.01 调节系数为0.05 mm，例如 1.00,1.05,1.10,1.15…；对应的封装形

式：SOP,QFP…

表3 BGA元器件

管脚图片

参数 密度等级

A B C Collapsi

减小减小

ng 25% 20% 减小15%

Non-Col增加增加lapsing

15%

10%

增加5%

调节系数为0.05 mm，例如 1.00,1.05,1.10,1.15…；对应的封装形

式：BGA… 说明：1) BGA封装的球形引脚焊接分Collapsing和on-Collapsing 2种；2) Collapsing：引脚间距一般大于等于0.5 mm，焊盘比实际引脚小，焊接时焊球垂直往下塌陷覆盖焊盘；3) Non-Collapsing：仅适用于很小的引脚间距，一般小于0.5 mm，焊盘比实际引脚大，焊接时焊球与焊盘表面接触。

2.1.3 SMD焊盘阻焊参数设置

焊盘阻焊的大小表明焊盘的开口尺寸，其大小一般是在焊盘尺寸的基础上外扩一个尺寸，外扩尺寸需要根据生产厂家的工艺能力确定。一般建议设置为：在焊盘尺寸的基础上扩大6 mil，非金属化孔的阻焊与钻孔尺寸一致。

对于高密度器件，一般指焊盘间距小于0.5 mm时，在制作封装过程中会出现焊盘的阻焊重叠，也就导致没有阻焊桥。这种情况下，一般采取2种方式处理：

1) 第1种采用的是不要阻焊桥的方式，即焊盘全开窗。

2) 第2种调整阻焊的尺寸。如图4中，D为两相邻引脚焊盘的中心距离，R为焊盘半径，S为阻焊单边开窗的尺寸，G为阻焊桥宽度。阻焊尺寸应

图4 焊盘的阻焊层参数设置

2.2 PCB封装设计[4

-5]

2.2.1 坐标原点 SMD器件的PCB封装坐标原点(0,0)点放置在

SMD器件的几何中心，这有利于后期装配机器的识别。 2.2.2 丝印层

封装丝印层主要用来在PCB板上表示器件实

体大小范围，以及PCB上器件的SMT装配时作为器件定位的参考。结合CADENCE设计软件和生产厂家常规加工能力，SMD器件PCB封装丝印层设计有一些特殊考虑，当然根据生产工艺，参数可以调整。

1) 丝印层线段的线宽一般采用5 mil。 2) 丝印层外框不允许压焊盘，一般要求离焊盘的距离≥10 mil。

3) 丝印层需要画出器件的1脚标识，可以采用空心圆，推荐线宽5 mil，半径20 mil，以便于加工和后期PCB板的查看，同时空心圆不能与其他丝印重叠。

4) 有正负极性的器件，应明确标识器件的正极性或负极性，便于器件的装配识别。 2.2.3 器件实体范围大小

PCB封装建立时，封装区域的大小在CADENCE软件中可以作为器件布局DRC检查项。封装区域大小可以考虑由2项组成，包括封装最大外围尺寸和焊接工艺要求的器件间距一起组成封装区域。表4为常用焊接工艺要求的器件间距推荐。如果在PCB设计中，封装区域有干涉软件自动进行报错提醒。

40· · 兵工自动化第38卷

表4 常用封装焊接工艺要求的器件间距推荐

封装类型

一般封装

尺寸小于等于0402的贴片电阻电容电感类 尺寸大于0402的贴片电阻电容电感类

对接焊引脚（Butt Joints)类

BGA类

贴片铝电解电容和贴片晶体类

CGA和LGA类

扁平延伸引脚的SOT,SOD类

间距推荐/mm 0.25±0.05 0.15±0.05 0.25±0.05 0.8±0.05 3±0.05 0.5±0.05 3±0.05 0.15±0.05

标准里的密度等级A建立元器件封装库，进一步提高了产品可靠性。实践结果证明：该方法切实可行，提高了产品的可焊性和可靠性。

参考文献：

[1] 黄智伟. 印制电路板(PCB)设计技术与实践[M]. 北京:

电子工业出版社, 2012: 6-36.

[2] IPC-7351B. Generic Requirements for Surface Mount

Design and Land Pattern Standard[S]. AUGUST 2009.

3 结束语 [3] 郭瑜, 孙志礼, 马小英, 等. 考虑PCBA翘曲失效的回

流焊工艺制程分析[J]. 兵器装备工程学报, 2017(1): 在PCB封装设计过程中，只要综合考虑环境条

158-162.

件、产品性能、密度等级、产品可制造性良好等情

[4] 吴均, 王辉, 周佳永 Cadence 印刷电路板设计[M]. 北

况，遵循芯片设计手册的规定，并参考IPC-7351B

京: 电子工业出版社, 2014: 71-78.

标准，就一定能设计出满足产品性能要求的可制造[5] 李文庆. Cadence Allegro 16.6实战必备教程[M]. 北京:性良好的PCB封装。笔者所在单位采用IPC-7351B电子工业出版社, 2016: 44-78.

**********************************************************************************************************

A

(上接第33页)

轴研制提供了新的工艺思路，为阶梯侧滑角的准度提供参考依据；

3) 风洞试验结果证明：通过合理改进定位卡块和前轴的结构形式，能降低侧滑角更换的技术难度，提高侧滑角更换效率及保护天平走线；经过局部结构优化，提高了双转轴的可靠性和适用性。

由表可以看出：

1) 双转轴侧滑角和滚转角的定位精度全部满足设计指标要求；

2) 侧滑角测量重复性良好，侧滑角真值与3次测量结果偏差均≤1′，说明采用经纬仪和万能角度尺配合测量方法的误差较小，也说明双转轴多次拆装依然满足精度要求。

在某型号导弹全弹测力试验中，吹风马赫数为0.3～4.0 Ma，侧滑角为0°、+5°、+10°，试验车次共计150余次，试验数据获得型号单位好评。在试验期间，10°双转轴安装更换侧滑角操作方便，天平线走线顺畅，各卡块定位精准可靠，侧滑角精度满足气动要求，10°双转轴具备型号试验能力。

参考文献：

[1] 饶正周, 郁文山, 马永一. 2.4 m跨声速风洞双转轴控

制系统[J]. 兵工自动化, 2011, 30(10): 79-80.

[2] 甘小明, 马东平, 丁寿和. 29062工程双转轴机构外委

项目技术任务书[Z]. CARDC-2, 2015.

[3] 佴荣祥, 谭永根, 张宗国. 风洞工程测量标准[S]. 中国

人民总装备部, 2000.

[4] 霍国, 康洪铭, 刘晓林, 等. L-12风洞螺旋桨带动力试

验系统[J]. 兵工自动化, 2018, 37(6): 23-27.

[5] 马东平, 唐淋伟, 丁寿和. 新区0.6 m×0.6 m暂冲式跨

超声速风洞喷管段静调报告[R]. CARDC-2, 2015. [6] 马东平, 李勇, 丁寿和. 新区0.6 m×0.6 m暂冲式跨超

声速风洞四大段定位精调报告[R]. CARDC-2, 2016. [7] 田正波, 杨家军, 史玉杰. 一种新的风洞试验支撑机构

横向弹性角校准方法[J]. 兵器装备工程学报, 2017(8):

4 结论

1) 通过对侧滑角测量方法的误差分析及测量方法优化，采用经纬仪和万能角度尺能实现小型量级风洞侧滑角的精确测量，对同类风洞的侧滑角测量具有一定的借鉴意义；

2) 双转轴的零位基准确定应在风洞0°侧滑角工位状态下进行，基于工位确定零位基准，为双转

A

32-35.

********************************************************************************************************** (上接第36页) 数据模块研究[J]. System Simulation Technology &

Application, 2012(14): 844-847.

[2] 刘双双, 叶晓慧, 王红霞. 嵌入故障诊断策略的IETM

[5] 李东霖, 杨文潇. 某型计算机无ARINC429通讯信号输

的研究与实现[J]. 计算机测量与控制, 2010, 18(9):

出故障排除[J]. 兵器装备工程学报, 2018, 39(10):

19-1966.

204-206.

[3] 蒋俊荣. 基于混合诊断模型的诊断设计优化及其应用[5] S1000D-I9005-01000-00. International specification for

技术研究[D]. 石家庄: 军械工程学院, 2010. technical publications using a common source

database[S]. Issue No. 4.2, 2016.[4] 徐宗昌, 黄书峰, 孙寒冰. 面向故障诊断的IETM故障