PCB優化設計(轉載）

PCB優化設計(一)  

2011-04-25 11:55:36|  分類： PCB設計 

 

目 前SMT技術已經很是成熟，並在電子產品上普遍應用，所以，電子產品設計師有必要了解SMT技術的常識和可製造性設計(DFM)的要求。採用SMT工藝的 產品，在設計之初就應綜合考慮生產工藝流程、原材料的選擇、設備的要求、器件的佈局、測試條件等要素，儘可能縮短設計時間，保證設計到製造的一次性成功。

SMT(Surface Mount Technology表面貼裝技術)是一種將無引腳或短引線表面組裝元器件(簡稱SMC/SMD)安放在印製電路板的表面上，經過迴流焊或波峯焊等方法加以焊接組裝的電子裝聯技術。

隨 着電子產品的小型化、複雜化，SMT技術也獲得了飛速的發展，日趨成熟完善。電路設計、結構設計和工藝技術是構成電子產品的三大技術要素，其中 SMT工藝是工藝技術中一個重要環節。在SMT工藝中，PCB設計的合理性是各個SMT廠家比較關心的問題，也是影響產品質量的關鍵因素。有些設計人員不 太注重產品的可製造性，認爲只要電路方面設計沒有問題就能夠了，這樣設計出來的產品不只可製造性差，並且須要不斷的更改制程，致使產品開發進度變長，設計 成本增長，下降了產品的市場競爭力。所以設計人員必須重視PCB的可製造性設計。

1、PCB設計中的常見不良現象

1.1 PCB缺乏工藝邊或工藝邊設計不合理，致使設備沒法貼裝。如圖1.1所示。

1.2 PCB缺乏定位孔，定位孔位置不正確，設備不能準確、牢固的定位。如圖1.2所示。

1.3 缺乏Mark點，Mark點設計不規範，形成機器識別困難。如圖1.3a、1.3b和1.3c所示。

1.4 螺絲孔金屬化，焊盤設計不合理。

螺絲孔是用螺釘固定PCB板之用。爲防止過波峯焊後堵孔，螺絲孔內壁不容許覆銅箔，過波峯面的螺絲孔焊盤須要設計成「米」字型或梅花狀(若是過波峯焊時使用載具，可能不存在以上問題)。如圖1.4a和1.4b所示。

1.5 PCB焊盤尺寸設計錯誤。

常見的焊盤尺寸方面的問題有焊盤尺寸錯誤、焊盤間距過大或太小、焊盤不對稱、兼容焊盤設計不合理等，焊接時容易出現虛焊、移位、立碑等不良現象。如圖1.5a、1.5b和1.5c所示。

1.6 焊盤上有過孔或焊盤與過孔距離太近。

焊接時焊料熔化後流到PCB底面，形成焊點少錫缺陷。如圖1.6a和1.6b所示。

1.7 測試點太小，測試點放在元件下面或距離元件太近。如圖1.7所示。

1.8 絲印或阻焊在焊盤、測試點上，位號或極性標誌缺失，位號顛倒，字符過大或太小等。如圖1.8a、1.8b和1.8c所示。

1.9 元件之間的距離放置不規範，可維修性差。

貼片件之間必須保證足夠的距離，通常要求迴流焊接的貼片件之間的距離最小爲0.5mm，波峯焊接的貼片件距離最小爲0.8mm，高大器件與後面的貼片之間的距離應該更大些。BGA等器件周圍3mm內不容許有貼片件。如圖1.9所示。

1.10 IC焊盤設計不規範。

QFP焊盤形狀及焊盤之間的距離不一致，焊盤之間的互連短路設計，BGA焊盤形狀不規則等。如圖1.10a和1.10b所示。

1.11 PCB拼板設計不合理。

PCB拼板後元件干涉、V-Cut增長致使變形、陰陽拼板引發較重元件焊接不良等。如圖 1.11所示。

1.12 採用波峯焊接工藝的IC及Connector缺乏導錫焊盤，致使焊接後短路。如圖1.12所示。

1.13 元件的排布不符合相應的工藝要求。

採用迴流焊工藝時，元器件的排布方向應與PCB進入迴流焊爐的方向一致，採用波峯焊工藝時，應考慮波峯焊陰影效應。如圖1.13所示。

形成PCB設計不良的緣由主要有如下幾點：(1) 因爲設計人員對SMT工藝、設備及可製造性設計不熟悉；(2) 企業缺少相應的設計規範；(3) 在產品的設計過程當中沒有工藝人員參與，缺少DFM評審；(4) 管理和制度方面的問題。
爲了有效的解決這個問題，進行PCB優化設計是很是必要的。

2、優化設計的基本理念

優 化設計，國外通常稱爲DFx，上世紀90年代中期由美國提出。DFx是基於並行設計的思想，在產品首次設計時就考慮製造和測試過程當中的工藝要求，並在設計 階段進行解決，從而實現設計到製造一次性成功的目標。優化設計，包括可製造性設計 (Design for Manufacturing, DFM)；可測試/可分析設計(Design for Test/Design for Diagnosibility, DFT/DFD)；可組裝設計(Design for Assembly, DFA)；可環保設計(Design for Environment, DFE); 爲PCB可製造性設計(Design for Fabrication of the PCB, DFF)；可週轉性設計(Design for Sourcing, DFS); 可靠性設計(Design for Reliability, DFR); 爲成本而設計(Design for Cost, DFC)，國內通常都統稱爲可製造性設計(DFM)。這種設計概念及設計方法可縮短產品投放市場的時間、下降制形成本、提升產量和產品質量。優化設計應貫 穿於整個設計過程，而非最終出圖前。如圖2所示。

3、PCB優化設計基本原則

3.一、SMT工藝流程的肯定。

在產品設計的概念啓動階段(Concept Start，CS)就應根據產品規劃的要求，肯定產品生產的工藝流程。PCB的表面組裝方式有如下六種(見下頁表3-1)：

幾種典型的組裝工藝流程以下：

(1) 單面混裝(SMD和THC都在A面)
　　A面印刷焊膏→元器件貼裝→迴流焊→A面插裝THC→B面過波峯焊→檢測
(2) 雙面混裝(THC在A面，A、B兩面都有SMD)
　　A面印刷焊膏→元器件貼裝→迴流焊→翻板→B面印膠或點膠→元器件貼裝→膠固化→A面插裝THC→B面過波峯焊→檢測
　　或採用下面的流程：
　　B面印刷焊膏→元器件貼裝→迴流焊→翻板→A面印刷焊膏→元器件貼裝→迴流焊→A面插裝THC→B面過波峯焊→檢測
(3) 雙面表面組裝
　　A面印刷焊膏→元器件貼裝→迴流焊→翻板→B面印刷焊膏→元器件貼裝→迴流焊→檢測
　　選擇表面組裝工藝流程應考慮的主要因素：
　　(1) PCB板的組裝密度；
　　(2) SMT設備條件；
　　(3) 成本、效率。
通常原則：在迴流焊接設備和波峯焊接設備都具有的條件下，優先選擇迴流焊接；選擇產品組裝方式時通常優選單面混裝和單面全表面組裝；儘可能避免PCB兩面都有大比重IC等器件。

3.二、PCB基材的選擇。

用 於PCB的基材品種不少，主要分爲兩大類：有機類基板材料和無機類基板材料。有機類基板又稱爲覆銅箔層壓板(Copper Clad Laminates, CCL)是製造PCB的主要材料。而無機類基板主要是陶瓷板和瓷釉包覆鋼基板。例如咱們大量使用的雙面板FR-4就是玻璃布基CCL。

選 擇基材應考慮如下因素：選擇基材應根據PCB的使用條件以及機械、電性能要求；根據PCB結構肯定基材的覆銅箔層數(單面、雙面或多層板)；根據 PCB尺寸和元器件重量肯定基材的厚度；基材參數Tg、CTE及平整度等符合要求；價格因素等。用於SMT工藝的PCB基材有如下要求：

(1) 玻璃化轉變溫度(Tg)較高。玻璃化轉變溫度(glass transition temperature, Tg)是聚合物特有的性能，是決定材料性能的臨界溫度，是選擇基板的一個關鍵參數。環氧樹脂的Tg在125~140℃左右，再流焊溫度在245℃左右，遠 遠高於PCB基板的Tg，高溫容易形成PCB的熱變形，嚴重時會損壞元件。所以，在選擇基材時選擇Tg較高的基材，建議Tg在140℃以上。

(2) 熱膨脹係數(CTE)低。對於多層板結構的PCB來講，因爲X、Y方向(即長、寬方向)和Z方向(即厚度方向)的熱膨脹係數不一致，容易形成PCB變形，嚴重時會形成金屬化孔斷裂和損壞元件。如圖3.2所示。

(3) 耐熱性高。一般PCB要通過兩次迴流，爲保證二次貼片的可靠性，必需要求PCB的一次高溫後變形要小。T260的推薦值爲30分鐘以上，T288的推薦值是大於五分鐘。

(4) 平整度好。通常PCB所容許的翹曲率在0.75%，對於PCB厚度爲1.6mm的基板，上翹曲≤0.5mm，下翹曲≤1.2mm。

(5) 良好的電氣性能。因爲通訊技術向高頻化的發展，PCB的高頻特性要求也隨之提升。頻率的增高會引發PCB基材的介電常數(ε)增大，致使電路信號的傳輸速度降低。其餘電氣性能指標還有介質損耗角正切、抗電強度、絕緣強度、抗電弧強度等。

3.三、PCB外形尺寸及工藝設計要求。

在PCB設計時，首先要考慮PCB外形尺寸。PCB的外形尺寸過大阻抗會增長，抗噪聲能力降低；外形尺寸太小，則散熱很差，且鄰近線條易受干擾，並且PCB外形尺寸要符合SMT設備的要求。

(1) PCB外形

PCB通常爲矩形，最佳長寬比爲3:2或4:3，長寬比例較大時容易產生翹曲變形。建議儘可能使PCB尺寸標準化，能夠簡化加工流程，下降加工成本。

(2) PCB尺寸

不 同的SMT設備對PCB尺寸要求不一樣，在PCB設計時必定要考慮SMT設備的PCB最大和最小貼裝尺寸，通常尺寸在 50×50~350×250mm(最新的SMT設備PCB尺寸方面有了較大的提升，例如Universal的Genesis GX最大PCB尺寸達到813×610mm)。

(3) PCB厚度

PCB厚度應考慮對PCB板的機械強度要求以及PCB單位面積上元件的重量，通常在0.3~6mm.。經常使用的PCB厚度是1.6mm，特大型板可用 2mm，射頻用微帶板等通常在0.8~1mm。

(4) PCB工藝邊

PCB 在SMT生產過程當中，是經過軌道傳輸來完成的，爲保證PCB被可靠固定，通常在傳輸軌道邊(長邊)預留5mm的尺寸以便於設備夾持，在此範圍內不容許貼裝 器件。沒法預留時，必須增長工藝邊。對於某些插件過波峯焊的產品，通常側邊(短邊)須要預留3mm的尺寸以便加擋錫條。

(5) PCB定位孔

有 些SMT設備(如貼片機)採用孔定位的方式，爲保證PCB能精確的固定在設備夾具上，就要求PCB預留出定位孔。不一樣的設備對定位孔的要求不一樣，通常須要 在PCB的左下角和右下角設置一對定位孔，孔徑爲Φ4mm(也有Φ3mm或Φ5mm的)，孔壁不容許金屬化，其中一個定位孔也能夠設計成橢圓孔，以便於定 位迅速。通常要求主定位孔與PCB兩邊的距離爲5mm×5mm，調整孔距PCB下邊距離爲5mm。定位孔周圍5mm範圍內不容許有貼片元件。定位孔圖片如 圖3.3a所示。

6) PCB基準識別點(Fiducial Mark)

基 準識別點也稱Mark，爲SMT組裝工藝中的全部步驟提供共同的可測量點，保證了組裝使用的每一個設備能精確地定位電路圖案。所以，Mark點對 SMT生產相當重要。Mark點通常分爲整板Mark、拼板Mark、局部識別Mark(腳間距≤0.5mm)，通常規定Mark點中心的標記點爲金屬銅 箔，直徑1.0mm，周圍空曠對比區直徑3mm，金屬銅箔和周圍空曠區域的顏色對比要明顯。在Φ3mm範圍內不容許有絲印、焊盤或V-Cut等。如圖 3.3b和3.3c所示。Mark通常位於PCB、元件、拼板的對角位置，通常整板基準MARK點放置3個，分別放在左右下角和一個上角，呈「L」形分 布。Mark點邊緣與PCB板邊距離至少5mm，如圖3.3d所示。

(7) PCB拼板設計

一 般原則：當PCB單板的尺寸<50mm×50mm時，必須作拼板。建議當PCB的尺寸<160mm×120mm時，採用拼板設計，使之轉換爲 符合生產要求的理想尺寸，以便插件和焊接，提升生產效率和設備利用率。但注意拼板尺寸不要太大，並且要符合設備的要求。拼板之間能夠採用V形槽、郵票孔或 衝槽等， 建議同一板只用一種分板方式。以下圖3.3e所示：

對部分全表面組裝的雙面貼片板，能夠採用陰陽拼版設計，這樣可使用同一張網板、節省編程換線時間，提升生產效率。但對體積較大、質量較重的器件，限制以下：

　　A=器件重量/引腳與焊盤接觸面積
　　片式器件：A≤0.075g/mm2
　　翼形引腳器件：A≤0.300g/mm2
　　J形引腳器件：A≤0.200g/mm2
　　面陣列器件：A≤0.100g/mm2
　　如有超重的器件必須布在BOTTOM面，則應經過試驗驗證可行性。

(8) 導圓角

直角的PCB在傳輸時容易產生卡板，爲了便於加工，建議PCB板角採用導圓角設計，並且PCB圓角有利於真空包裝、運輸，避免包裝袋刺破、磨損。圓角的半徑R通常爲2mm~4mm。有特殊要求按結構圖表示方法明確標出R大小，以便廠家加工。導圓角設計見圖3.3a。

(9) PCB可焊性

按照IPC-6012的要求，條件：245±5℃、時間3~5S，接收標準：上錫面積大於95%。

3.四、元器件的選擇

元器件的選擇充分考慮產品要求、PCB尺寸、組裝工藝、設備加工能力及成本等。

(1) 元器件的外形適合SMT設備貼裝，慎選異形器件；

(2) 儘量選用常規元器件，元器件尺寸、形狀應標準化。應考慮各標準之間的差別；

(3) 選用元器件應知足貼片機加工對應的元器件尺寸範圍和高度；

(4) 元器件的包裝形式適合貼片機自動貼裝要求；

目前常見的包裝方式有四種：編帶(Tape and Reel)、管式(Tube、Stick)、托盤(Tray)、散裝(Bulk)。批量生產時，SMD器件的包裝儘可能選用編帶形式。

(5) 元器件焊端或引腳的可焊性要符合要求；

通常應知足如下要求：235℃±5℃，2±0.2s 或230℃±5℃，3±0.5s，在20倍顯微鏡下檢查焊端的沾錫狀況，要求元器件焊端90％以上沾錫。

(6) 無鉛條件下元器件的耐高溫焊接要求；

IPC在最新的標準J-STD-020中，依據封裝體的厚度、體積制訂了相應的迴流焊接峯值溫度要求，如表3-4所示。

(7) IC器件選用準則：插裝IC已不能適應產品發展，儘可能避免選用；Pitch小於0.4mm的SOP/QFP工藝能力可能不足，應慎選；SOJ/PLCC不 便檢測和返修，應慎選；LCC/QFN等無引線IC，應儘可能避免選用；0.5mm如下BGA國內PCB廠加工能力不足，慎選；COB/FC無加工能力的， 禁止選用。

(未完待續，請關注下期精彩內容)

文章摘自《印製電路資訊》09年3月第二期