表面実装パターンのパッドについて

SMD パッド

一般的に[PAD]とは便箋・メモ帳とか埋め込み板とかに訳されますが、今回はプリント基板の部品を半田付けするパターンの電極部分のことを指します。挿入部品ばかりだった一昔前と違って、現在はSMD表面実装部品が普通になり、半田付けをどのように確実に、信頼性が高く出来るかが問題になっています。SMD部品の半田付けにはフロー(Flow)とリフロー(Reflow)があり、前者は接着剤を使って部品を固定し(図では部品の中央両側に見える赤いもの)、半田槽に基板を下向きにして入れて半田付けする方法で、後者は半田をクリーム状にして基板上に印刷し、部品を載せて(接着剤無し)上側からはんだが溶ける200〜220℃ぐらいまで数秒間暖めて半田を溶かし接着する方法です。
したがって半田の量が豊富なフロー半田に比べ、リフロー時はのせた半田がいかに効率よく(必要最小限の半田量がコスト、信頼性につながる)広がって付くのかが問題になりますので、図のようにフロー半田に比べてパッドの(正確にはレジストをかけない部分)面積が小さくなっています。
Solder.gif

逆にフロー半田では隣り合った各部品のパッドが半田でブリッジしない程度に間隔を広げ寸法も大きめに確実に半田がまわりこめるようなパッドに設計されています。
 さらにGNDパターンなどは広い面積で構成されますが、そこにつくコンデンサーなどはパッドが広いままでレジスト抜きだけ小さくした場合半田付け時に熱がまわりに逃げて半田が溶けにくくなりますので、その場合スリットを入れたり、サーマルパッドと呼ばれ独立したパッドに細い線数本でGNDに繋ぐ方法もとられますが、高周波ではインダクタンスになるため、注意が必要です。その他、フロー半田では半田付け時に基板をどの方向に移動しながら半田槽に漬けるのかを考慮しないと、隣のパッドとの半田ブリッジが多発します。また積極的に半田の流れを考えて、半田を逃がす(切る)パターンなどもみられます。
 SMD部品の資料を見るとパッドの大きさなど参考数値が書いてありますが、結構広い範囲でどの値を取ったらよいか迷う場合があります。大手企業やパターン設計会社などはCAD上ですでに実績のあるパッド寸法やメタルマスク寸法(クリーム半田をのせる大きさ)がノウハウとして蓄積されていいます。買った製品が壊れて捨てようとする時、一度は中を覗いて、基板のそんなところを見ると参考になったりしますね。

パワーSMDデバイスのパッド

 パワー MOS-FETや低電圧電源ICなどは、TO-220のものはネジで放熱版に半田付けしますが、SMD型は基板に実装する際、どのくらいのパッド(半田付け電極パターン、もしくは非レジスト領域)をつけたらいいのか、時々悩みます。もちろん基本的にはリフロー半田で実装する時は、部品がうまくパッドの正しい位置に実装されるよう工夫やノウハウが必要です。
LayoutPAD.gif
 右図はIRの資料にあったパッド寸法図です。フットプリントについては「フットプリント(推奨最小パッド寸法):基板のフットプリントは、 リフローはんだ付け工程において表面張力による セルフアライメントが可能となる寸法の事。」と説明があります。
 TO-263は TO-220のデバイスをそのままSMD形状にしたもので、一番大きいですが、放熱効果を得るには14mmx24mm程度の銅箔面積を必要とされていますが、両面基板にして、スルーホールを多数設けることで表面積を削減出来ます。
 D-Pack は PowerMOS FETなど、SOT-223等は 1.5A出力の 定電圧IC等にも使われています。
 一番ポピュラーなのは、SOT-89 ではないでしょうか。これは 5V 500mA 程度の定電圧ICや小型PowerMOSトランジスタ、はては高周波用のMMICにも用いられています。中央のGND(orドレイン)端子から放熱出来るようにスルーホールをつけたりしますので、広めで、6角の形をしたパターンで工夫されています。 しかしながら、このパッケージを手半田する場合はちょっと大変です。というのは中央の端子は裏面に広くありますが、表面に出ているのはわずかで、半田ごてをあてて半田を流し込むのに少々テクニックが必要です。パッド面が半田メッキされていれば良いですが、銅そのままでは半田が乗りにくく、フラックス等で薄く予備半田して、かつ半田時にもフラックスで裏面までうまく流し込むように注意すべきです。
 失敗するとデバイスが半田の上に浮き上がってしまって、他の2本のリードを半田付け出来なくなったり、傾いたりします。これを直そうと半田こてをあてて修正しているうちにデバイスが熱で劣化してしまったりする危険もあります。
NECの資料 によりますとこの SOT-89では、端子温度 350℃以下でデバイスの1辺あたり3秒以内と規定されています。一辺あたりというのが謎ですが、3本の端子と、GNDタブそれぞれそのくらいスピーディーにやらないといけないことですね。赤外線リフローでも260℃以下60秒以内3回以内とけっこう厳しい(うまくリフロー出来れば1回で問題ないですが)ようです。
 かつてリフロー半田が初めての頃、「パッド面積が広ければつかないことは無い」と思って気楽に設計していたのですが、半田の量が多くなると、デバイスが面積の大きい方の中央に引かれるんですね...D-PACKのFETがドレイン側に移動してゲート、ソースの足が離れてしまったり、回転してしまったりで散々でした。大は小を兼ねないのがこのパッド設計ではないでしょうか。

SMDインダクターのPAD

SMDインダクターは多くがボディをセラミックで製作されています。細いコイルで巻いている巻き線タイプもありますが、電流や信号を流す目的のコイルは断線する危険が大きいのが注意すべき点です。実装時のパターンレイアウトや半田量によっては、基板の温度による伸び縮みによる影響でインダクターが割れてしまう場合がありますので、ここではSMDインダクターのパッドの大きさを考えます。
INd_Layout.gif図は1608タイプのインダクターの推奨パッド寸法です。TDKと太陽誘電ではすこし違いますが、おおむねTDKは太陽誘電の中間値と考えられます。 1608では幅 0.8mm 長さ1.6mmなのですが、ここで特徴的なのが 最大でもPAD幅が0.8mm以下という点です。これは部品の幅いっぱいまでで、それ以上広くしないという点です。さらに部品を実装した場合に残って見えるPADの長さは 0.2mm〜0.5mmとかなり少なめにしている点です。
 これらは半田の量を極力少なくして温度変化による収縮の影響を少なくしようという意図からだと想像できます。太陽誘電のMINではPAD幅が 0.6mm と部品より狭くなっているのが印象的です。しかしながら半田量が少なすぎて接着力が低くなると振動やそりなどでの影響が出ますので、やはりそこそこの幅を選択するほうが妥当ではないでしょうか。
 チップインダクターも基本的には電極に半田コテを当てるのは推奨されていませんので、手半田は厳禁ですが、修理などで交換するのには半田槽では実装できませんので、細心の注意をして最小限の半田量で電極にコテ先を触らないように半田を流して半田付けします。イモ半田みたいに盛り上がった量ですと温度サイクル試験でチップが割れて、出力が出なくなったり、振動で動かなくなったりするトラブルが起きます。きれいにしっかりついている半田の状態は美しいですし、安全です。

超小型SMDパッドとラインレイアウト

最近は高い周波数まで使えるLNAなどのICが増えてきましたが、AVAGOのMGA-13516など 4mm角の16PinのSMDタイプで個々の半田パッドは 0.3mmx0.55mm というぐらい小さくなっています。
推奨周辺部品も0402(JIS1005) ですから、1005の推奨PADが0.5mmx0.5mmなので単純に幅が足りなくなってしまいます。こんなときに入出力の高周波伝送のストリップラインとこのパッドをどう繋げたらいいのかが、レイアウト上で結構悩むことが多いですね。
データーシートに測定用の基板レイアウトがありましたので、みて見ると。スクリーンショット(2010-11-30 10.53.37).png
 出力(右辺中央)は2本なのでその間を使って 0.6mmのラインを引いています。これは使用基板がRogers RD4350という基板で、調べると誘電率3.48 厚さは 10mil = 0.254mmとなっていますので、APP CADで計算すると0.6mm厚で約48Ωのインピーダンスです。安価なFR-4では誘電率 4.6ですから、同じライン幅を使うには0.3mm厚の基板を使う必要があります。どちらにしろ0.3mmでは薄すぎるので4層基板の表面2層を使うようになるかと思います。
 さて出力側は0.6mm幅でマッチングが取れましたが、入力側はどうしましょう? レイアウト図では左辺下から2ピンめが入力ですが ICのランドから最小距離で 0.6mm幅に広がるようにパターンを構成しています。やはり半田ブリッジや半田乗りを考えて、ICのパッドを広くするよりは最小限ですが幅の狭いパターンから広いパターンへと繋げるしかないようです。他の電源やバイアス用の端子は比較的長めに周辺部品パターンに持って行っているのと比べても、この入力パターンはミスマッチングを最小にするよう努力しているように見えます。ちょっと疑問なのが入力は0.6mmパターン幅の中に部品のパッドを含めて0.6mm幅を守っているのに比べて、出力側はラインの外にパッドを設け結果としてこの付近ではパッドが広くなっています。Sパラを見ると、やはり出力側がインピーダンスが低そうなので、これでマッチングするのかも知れません。
最近のCADでは自動的にこのような幅の調整が出来るかも知れませんが、インピーダンスマッチングの視点で見ると、入力はOKになるかも知れませんが、逆にネットリストだけを頼りにレイアウトすると、出力を2つのパッドから1本のラインへと繋げてしまってIC側パッドが太くなり、ミスマッチングを起こすことにもなりかねません。データーシートを常に参考にすることが大切ですね。

ページの先頭へ

参考資料

Information

RF POWER AMPなら
Rf Amprefire Design

ZEN_AMP3U_CS.png
 RADは、高周波電力増幅器(Solid State RF Power Amplifier)や高周波コンポーネント(Passive Component)で長年培った経験による卓越した高周波技術で、お客様に貢献します。LinkIcon詳しくはこちら

Amazon

RAKUTEN

ページの先頭へ