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如何為 SMD 模塊設計 PCB 中的齒形孔
如何為 SMD 模塊設計 PCB 中的齒形孔
SMD 模塊（如 ESP32-WROOM 或 Raspberry Pi Pico 微控制器板）使用一種稱為城堡形的特殊安裝方式。如果您查看這些模塊，應該很清楚如何使用 PCB 上的齒形孔將 PCB 模塊安裝為 SMD 組件。這些小模塊正變得越來越流行并且易于使用，但它們可能看起來有點專門用于標準 PCB 制造過程。
盡管帶有用于排針的齒形孔和附加孔的模塊似乎不適合您的 CAD 軟件中的標準設計對象列表，但有一個簡單的策略可以在模塊上放置一組齒形孔。在考慮制造過程和裝配中的一些困難時，您必須解決這個問題，但您可以使用 ECAD 工具中的基本對象輕松地在 PCB 上放置齒形孔。
ECAD 軟件中的齒形孔
小模塊上使用齒形孔作為針頭安裝的替代方法。考慮 Arduino 帽子或屏蔽板外形；您可以設計帶有焊盤的主板，以安裝一系列齒形孔，而不是使用排針來配對兩塊板。
這允許您通過 SMD 焊接將小型模塊（例如 Wifi 擴展模塊或電機驅動器模塊）連接到主 PCB。不使用排針，在模塊上使用齒形孔將在模塊和載板之間提供牢固的焊接連接。要完成這項工作，您需要設計兩個數組：
沿 SMD 模塊邊緣的齒形孔陣列
載板表面上的焊盤陣列以固定 SMD 模塊
設計模塊上的孔陣列
齒形孔有兩種口味。首先，它們可以沿著邊緣放置一個帶有附加墊的半孔。另一種形式的齒形孔包括一個鍍通孔，正好位于沿板邊緣的半切孔內。帶內鍍通孔的典型齒形排列如下圖所示：
沿 PCB 邊緣的齒形孔的粗略布局。
在這里，您只需要在 PCB 布局工具中使用常規焊盤來定義一系列齒形孔。只需將焊盤與電路板邊緣的通孔對齊，然后放置另一個直接延伸到電路板邊緣的焊盤，以在焊盤上提供額外的銅。
板邊緣后面的第二個孔陣列是可選的，您不會在每個使用齒形孔的 SMD 模塊上找到這些孔。第二排孔可以設計為接受排針或小規格電線。當您使用模塊進行原型設計或在將模塊安裝到載板上之前對其進行測試時，您可能會這樣做。如果您使用排針，則必須將排針從模塊背面焊接到孔中。如果使用太多焊料，您也將無法將模塊安裝在載板上。如果您正在考慮在生產的齒形模塊中使用帶有第二排電鍍通孔的排針，請記住這一點。
下圖顯示了如何將這些放置在您的 PCB 布局工具中的示例。在這張圖片中，我正在設計一個小模塊，沿著電路板邊緣有一系列的齒形孔。請注意，我已經放置了帶有電鍍通孔的標準焊盤，并且通孔懸掛在板的邊緣。這種懸垂可以在制造中解決。
帶有齒形孔的 PCB 作為 PCB 布局中的標準焊盤放置。
在主板上設計焊盤陣列
主板上的焊盤陣列應遵循其他 SMD 組件的標準焊盤圖案設計指南。盡管在焊接方面，齒形孔將被視為通孔特征，但這些孔可以像典型的通孔元件一樣焊接到焊盤上。焊接后，沿孔壁可見剩余的焊錫圓角。SparkFun 有一個很棒的教程，最終結果如下所示。
帶有焊接到載體 PCB 上的齒形孔的模塊。
如果您想確保可靠性，或者如果您正在設計一個需要 IPC 3 類合規性的高可靠性應用，那么在創建您的齒形孔陣列時需要考慮一些重要的點。在這里，您需要設計主板上的焊盤，使其足夠大以容納整個焊點。在焊盤周圍使用一個小的阻焊層擴展（每邊大約 4 密耳）來保持熔化的焊料并防止橋接也是一個好主意。
此外，如果您在陣列中使用第二排孔，重要的是在孔之間的區域放置一些阻焊層以形成阻焊層。在載板的焊盤上執行此操作，因為這是要涂抹焊膏的地方。這將防止熔化的焊料芯吸到后孔中。
在主板焊盤上放置一些阻焊層以防止焊錫芯吸。
制造帶有齒形孔的 PCB
將齒形孔放置到 PCB 上后，如何制造裸板？此處的目標是在標準工藝中確保高質量和良率，但齒形孔似乎不適合標準 PCB 制造工藝。您的制造商可以通過修改 Gerbers 以指示鉆孔次數和沿板邊緣所需的電鍍來幫助您確保您的設計能夠通過制造。這通常需要以下 Gerbers（X2 格式）：
銅層（GTL 和 GBL）
定義在兩個電路板表面（GTS 和 GBS）上的阻焊開口
鉆孔文件 (TXT/DRL)
有人會說，城堡形孔的自然替代方案是僅使用焊盤將模塊安裝到主板上，就像任何其他 SMD 組件一樣。這樣做的主要問題是潛在的污染；載板上的焊盤陣列可以在回流焊接過程中收集一些助焊劑的廢氣。另一種可能性是焊盤陣列上過多的焊膏抬高了模塊。這類似于在組件中心具有大接地焊盤的 SMD IC 可能發生的情況。
焊接齒形孔陣列時，焊錫圓角會在焊接過程中暴露出來。只要主板上的焊盤陣列如上所述設計得當，涂抹焊膏并通過回流焊接、手工焊接或選擇性焊接放置組合板是一件簡單的事情。在焊接過程中，您不會有從某些助焊劑中剝離或污染元件的可能性。