PCB優化設計(二) 轉載

PCB優化設計(二)  

2011-04-25 11:41:05|  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。

3.5 元器件佈局設計

元器件的佈局是按照原理圖的要求和元器件的封裝，將元器件整齊、美觀的排列在PCB上，知足工藝性、檢測、維修等方面的要求，並符合電路功能和性能要求。進行元器件佈局設計時要作到工藝流程最少，工藝性最佳。元器件佈局設計的基本原則以下：

(1) 元器件的排布均勻，儘量作到同類元器件按相同的方向排列，相同功能的模塊集中在一塊兒佈置；相同結構電路部分應儘量採起對稱佈局。

(2) 元器件佈局遵守「先難後易，先大後小」的佈置原則，即重要的單元電路、核心元器件應當優先佈局，其餘元器件圍繞它來進行佈局。

(3) 有相互連線的元器件應靠近排列，以保證走線距離最短，有利於提升佈線密度。

(4) 縮短高頻元器件之間的連線，減小它們的分佈參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件應隔離或屏蔽。

(5) 對於熱敏感元器件(除溫度檢測元件)，佈線時應遠離發熱量大的元器件。發熱元件通常應均勻分佈，排布在通風、散熱良好的位置，以利於單板和整機的散熱。

(6) 強信號和弱信號、高電壓信號和弱電壓信號要徹底分開；模擬信號和數字信號分開；高頻信號與低頻信號分開；高頻元器件的間隔要充分。

(7) 熱容量大的元器件排布不宜過於集中，以避免局部溫度低形成焊接不良。

(8) 對於電位器、可調電感等可調元器件的佈局應考慮整機的結構要求。若在機內調節，應放在PCB上方便於調節的地方；若在機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。

(9) 元器件的排列要便於調試和維修，QFP、BGA、PLCC等器件周圍要留有必定的維修空間。

(10) 高大、貴重元器件不要放在PCB邊緣或靠近插件、貼裝孔、槽、V-CUT等高應力集中區，減小開裂或裂紋。

(11) 要考慮插座、接頭等元器件之間是否干涉，與結構設計是否矛盾。

(12) 同類型的插裝元器件在X或Y方向上應朝一個方向放置。同類型的有極性插裝元器件儘可能在X或Y方向上保持一致，便於生產和檢驗，同一塊板最多容許2個方向。

(13) 焊接面的貼裝元件採用波峯焊接生產工藝時，阻、容器件的長軸方向要與波峯焊傳輸方向垂直，阻排及SOP(腳間距≥1.27mm)元器件長軸方向與波峯焊傳 輸方向平行，間距<1.27mm的SOP、PLCC、QFP等元器件避免用波峯焊焊接，BGA、CSP、QFN等元器件嚴禁採用波峯焊接。以下頁圖 3.4a所示。

QFP器件應按照45度方向排布，並增長盜錫焊盤。SOP等器件也應該增長脫錫焊盤。以下頁圖3.4b示。較小元器件不該排在大元件後，以避免較大元器件遮擋錫流與較小元器件焊盤接觸，形成漏焊。

(14) 迴流焊接和波峯焊接工藝對元器件佈局限制。不一樣的SMT組裝工藝，對元器件佈局有不一樣的要求，例如0402封裝的元器件能夠迴流焊接但不適合波峯焊接。具體請參考下表3-5。

3.6 PCB佈線設計

佈線是按照原理圖和導線表佈設PCB導線，佈線的通常原則以下：

(1) 佈線優先次序
　　
密度優先原則：從PCB上鍊接關係最複雜的器件着手佈線，從PCB上連線最密集的區域開始佈線。
核心優先原則：例如 DDR、RAM等核心部分應優先佈線，相似信號傳輸線應提供專層、電源、地迴路。其餘次要信號要顧全總體，不能夠和關鍵信號想抵觸。
關鍵信號線優先原則：電源、模擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關鍵信號優先佈線。
佈線層數選擇原則：在知足使用要求的前提下，選擇佈線的順序優先爲單層佈線，其次爲雙層佈線，最後是多層佈線。

(2) 儘可能爲時鐘信號、高頻信號、敏感信號等關鍵信號提供專門的佈線層，並保證其最小的迴路面積。應採起手工優先佈線、屏蔽和加大安全間距等方法，保證信號質量。

(3) 電源層和地層之間的EMC環境較差，應避免佈置對干擾敏感的信號。

(4) 有阻抗控制要求的網絡應佈置在阻抗控制層上，相同阻抗的差分網絡應採用相同的線寬和線間距。對於時鐘線和高頻信號線要根據其特性阻抗要求考慮線寬，作到阻抗匹配。

(5) 輸入輸出端用的導線應儘可能避免相鄰平行。最好加線間地線，以避免發生反饋藕合。

(6) 數字地、模擬地要分開，對低頻電路，地應儘可能採用單點並聯接地；高頻電路宜採用多點串聯接地。對於數字電路，地線應閉合成環路，以提升抗噪聲能力。

(7) 印製導線拐彎處通常取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。

(8) 走線拐彎處通常取圓弧形，避免直角或夾角，不然在高頻電路中會影響電氣性能。如圖3.6所示。

(9) 導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。導線的最小間距主要由最壞狀況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。

(10) 雙面板上的公共電源線和地線儘可能放置在靠近板的邊緣，而且分佈在板的兩面。多層板可在內層設置電源層和地線層，經過金屬化孔與各層的電源線和地線鏈接。

(11) 焊盤與較大面積的導電區相連時，應採用長度不小於0.5mm的細導線進行熱隔離，細導線寬度不小於0.13mm。

(12) 相鄰層信號線爲正交方向，以減小耦合，切忌相鄰層走線對齊或平行。

3.7 PCB的孔設計

PCB上常見的孔有安裝孔、定位孔、元件孔、導通孔、盲孔和埋孔、測試孔等。

(1) 安裝孔(Mounting Hole)

安裝孔用於裝配器件，或固定印製板，安裝孔應與安裝器件的位置尺寸和公差相匹配。

(2) 定位孔(Tooling Hole)

定位孔是放置在板邊緣上的用於電路板生產和裝配的非金屬化孔。具體見3.3條。

(3) 元件孔(Component Hole)

元件孔是用於元件端子固定於印製板及導電圖形電氣聯接的孔。元件孔的孔徑應比所安裝的元器件引線直徑大0.2~0.3mm。

(4) 導通孔(Via Hole)

導 通孔又稱過孔，一種用於內層鏈接的金屬化孔，但其中並不用於插入元件引線或其它加強材料。孔徑大小和空位可根據佈線空間大小調整，通常孔徑取 Φ0.3~Φ0.8mm，金屬化孔的電阻值不超過300μΩ。PCB板厚決定了該板的最小過孔，板厚孔徑比應小於5~8，以下表3-7所示。

在佈線空間容許的條件下，導通孔通常不放在元器件的下面，以便於檢查和維修。導通孔與SMD的焊盤最小距離爲0.5mm，若是過孔塞綠油，最小距離爲0.25mm。如圖3.7所示。

(5) 盲孔(Blind via)和埋孔(Buried via)

盲孔是鏈接表層和內層而不貫穿的過孔，埋孔是鏈接內層而表層看不到的過孔。應用盲孔和埋孔設計時應對PCB加工流程有充分的認識，避免給PCB加工帶來沒必要要的問題，必要時要與PCB供應商協商。

(6) 測試孔(Test Pattern)

測試孔是指用於ICT測試目的的過孔，能夠兼作導通孔，原則上孔徑不限，焊盤直徑應不小於25mil，測試孔之間中心距不小於50mil。

3.8 可測試性設計

SMT 的測試包括在線測試(In-Circuit Testing，ICT)和功能測試(Function-Circuit Testing，FCT)。爲保證大批量生產的產品的質量，須要使用ICT和FCT，其中SMT的可測試性主要是針對ICT的。在PCB設計階段必定要考 慮添加測試點，相關設計要求以下：

(1) 測試點均勻分佈於整個PCB 板上，通常要求每一個網絡都要至少有一個可供測試探針接觸的測試點。

(2) 測試點選用時優先次序：優選圓形焊盤；其次器件引出管腳；最後過孔最爲測試點。SMD器件最好採用圓形焊盤作測試點，OSP處理工藝的PCB不宜採用過孔作測試點。當使用表面焊盤做爲測試點時，應當將測試點儘可能放在焊接面。

(3) 測試焊盤尺寸最小爲0.6mm，當有較多PCB的富裕空間時，測試焊盤設定爲0.9mm以上。兩個單獨測試點的最小間距爲1.5mm，推薦值2.0mm。如圖3.8a所示。

(4) 測試點不能被絲印蓋住，絲印經過時會發生接觸不良。測試點不能被條碼、膠帶等擋住。

(5) 測試點與SMD的距離至少1.25mm，測試點與IC器件的距離至少2.0mm，測試點與DIP插件孔的距離1.25mm。測試點距離板邊不得小於5mm。如圖3.8b所示。

(6) 測試點在添加時，附加線應該儘可能短。如圖3.8c所示。

(7) 採用圓形焊盤做爲測試點時，若是PCB表面處理工藝爲OSP，建議測試焊盤上印刷錫膏，以增強測試的可靠性。

(8) 對Connector器件，若引線較粗或Pitch≤1.5mm時，須要單獨引出測試點。如圖3.8d所示。

(9) 對於帶有邊界掃描(Boundary-Scan)器件的VLSI和ASIC器件，應增長爲實現邊界掃描功能的輔助測試點，以達到能測試器件自己的內部功能邏輯的要求。

3.9 PCB散熱設計

隨着SMD的外形尺寸變小，組裝密度提升，若不能及時有效的散熱，將會影響電路的工做參數甚至會使元器件失效，所以必須考慮散熱設計。

(1) 高熱器件應考慮放於出風口或利於對流的位置，較高的元件應考慮放於出風口，且不阻擋風路。

(2) 散熱器的放置應考慮利於對流。

(3) 發熱量大的元器件架高設計，溫度敏感器件應考慮遠離熱源。

(4) 對於自身溫升高於30℃的熱源，通常要求：a.在風冷條件下，電解電容等溫度敏感器件離熱源距離要求≥2.5mm；b.天然冷條件下，電解電容等溫度敏感器件離熱源距離要求≥3.0mm。

(5) 大面積銅箔要求用隔熱帶與焊盤相連。爲了保證透錫良好，在大面積銅箔上的元件的焊盤要求用隔熱帶與焊盤相連，對於需過5A以上大電流的焊盤不能採用隔熱焊盤。如圖3.9所示：

(6) 設置散熱通孔，能夠有效地將熱量從PCB的頂部銅層傳輸到內部或底部銅層

3.10 抗電磁干擾設計

電磁干擾問題愈來愈成爲電子產品中的一個嚴重問題。經驗代表，產品批量生產後電磁干擾問題的解決成本是開發階段解決成本的十幾倍，甚至幾十倍，所以電磁兼容設計應該貫穿電子產品設計的全過程。經常使用的電磁兼容設計方法有：

(1) 從減少輻射干擾的角度出發，應儘可能選用多層板。內層分別作電源層、接地層，電源層與地線要儘可能靠近，時鐘線、信號線和地線位置儘可能靠近，以得到最小接地線 路阻抗，抑制公共阻抗噪聲。對信號造成均勻的接地面，加大信號線和接地面間的分佈電容，抑制其向空間輻射的能力。

(2) 電源線、地線、印製板走線對高頻信號應保持低阻抗，在頻率很高的狀況下，電源線、地線或印製板走線都會成爲接收與發射干擾的小天線，下降這種干擾的方法除 了加濾波電容的方法外，更值得重視的是減小電源線、地線、印製板走線自己的高頻阻抗。所以，各類印製板走線要短而粗、線條要均勻。

(3) 爲減小信號線與回線之間造成環路面積。電源線、地線、印製板導線的排列要恰當，儘可能做到短、寬、直。走線時應避免產生銳角和直角，產生沒必要要的輻射，同時工藝性能也很差。

(4)當線路板上有不一樣功能電路時，不一樣類型電路(數字、模擬、電源)應分離，其接地也應分離。如圖3.10a所示。

(5) 對於多層線路板，不一樣區域的地線面在邊遠處要知足20H法則(即地線面的邊沿要比電源層或信號線層的邊沿外延出20H，H是地線面與信號線層之間的高度)。如圖3.10b所示。

(6) 3W原則。當兩條印製線間距比較小時，兩線之間會發生電磁串擾，串擾會使有關電路功能失常。爲避免發生這種騷擾，應保持任何線條間距不小於三倍的印製線條寬度，即不小於3W，W爲印製線路的寬度。如圖3.10d所示。

(7) 重疊電源與地線層規則。不一樣電源層在空間上要避免重疊。主要是爲了減小不一樣電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問題必定要設法避免，難以免時可考慮中間隔地層。如圖3.10e所示。

(8) 儘可能選擇表面貼裝器件，並儘可能選擇小尺寸元件。因爲SMD器件引線的互連長度很短，所以引線的電感、電容和電阻比DIP器件小得多。

(9) 綜合運用接地、屏蔽和濾波等措施。

3.11 PCB的抗ESD設計

隨着IC採用更先進的工藝技術進行製造，其變得更容易受到ESD的傷害，並且隨着數據傳輸速率的提升，必須同時提供好的信號完整性和ESD保護性能。所以電子產品的靜電放電防禦設計很是重要。經過PCB的分層設計、合適的佈局佈線和安裝等能夠實現PCB的抗ESD設計。

(1) 儘量使用多層PCB。相對於雙面PCB，地平面和電源平面以及排列緊密的信號線-地線間距可以減少共模阻抗和感性耦合，使之達到雙面PCB的 1/10~1/100。儘可能地將每個信號層都緊靠一個電源層或地線層，對於頂層和底層表面都有元器件、具備很短鏈接線以及許多填充地的高密度PCB，可 以考慮使用內層線。

(2) 對於雙面PCB來講，要採用緊密交織的電源和地柵格。電源線緊靠地線，在垂直和水平線或填充區之間，要儘量多地鏈接。一面的柵格尺寸≤60mm，若是可能，柵格尺寸應＜13mm。

(3) 確保每個電路儘量緊湊，儘量將全部鏈接器都放在一邊。

(4) 要如下列方式在電路周圍設置一個環形地：除邊緣鏈接器以及機殼地之外，在整個外圍四周放上環形地通路；確保全部層的環形地寬度大於2.5mm；每隔13mm用過孔將環形地鏈接起來；將環形地與多層電路的公共地鏈接到一塊兒。

(5) 在能被ESD直接擊中的區域，每個信號線附近都要布一條地線。

(6) I/O電路要儘量靠近對應的鏈接器。

(7) 對易受ESD影響的電路，應該放在靠近電路中心的區域，這樣其它的電路能夠爲它們提供必定的屏蔽做用。

(8) 一般在接收端放置串聯的電阻和磁珠，在鏈接器處或者離接收電路25mm的範圍內，要放置濾波電容。在距離每個鏈接器80mm範圍之內放置一個高頻旁路電容。

(9)要確保信號線儘量短。信號線的長度大於300mm時，必定要平行布一條地線。

(10) 確保信號線和相應迴路之間的環路面積儘量小。對於長信號線，每隔幾釐米調換信號線和地線的位置來減少環路面積。

(11) 確保電源和地之間的環路面積儘量小，在靠近集成電路芯片每個電源管腳的地方放置一個高頻電容。

(12) 儘可能要用地填充未使用的區域，每隔60mm距離將全部層的填充地鏈接起來。確保在任意大的地填充區(大約大於25×6mm)的兩個相反端點位置處要與地鏈接。

(13) 電源或地平面上開口長度超過8mm時，要用窄的線將開口的兩側鏈接起來。

(14) 復位線、中斷信號線或者邊沿觸發信號線不能佈置在靠近PCB邊沿的地方。

(15) 將安裝孔同電路地鏈接在一塊兒，或者將它們隔離開來。在安裝孔頂層和底層上要採用大焊盤。

(16) 不能將受保護的信號線和不受保護的信號線並行排列。

(17) 要特別注意復位、中斷和控制信號線的佈線。要採用高頻濾波；遠離輸入和輸出電路；要遠離電路板邊緣；

(18) 要注意磁珠下、焊盤之間、可能接觸到磁珠的信號線的佈線。有些磁珠導電性能至關好，可能會產生意外的導電路徑。

3.12 PCB焊盤設計

焊 盤設計對SMT產品的可製造性、可靠性等有着很大的影響，是PCB設計中很是重要的部分。良好的焊盤設計能避免出現虛焊、短路、立碑、陰影效應等問題。 IPC提供了表面貼裝設計與焊盤結構標準——IPC-SM-782A，2005年IPC發佈了IPC-SM-782A的替代標準IPC-7351。由於影 響焊盤尺寸的因素衆多，必須全面的考慮才能作好，應該根據實際狀況作出適合本身產品的PCB焊盤設計規範，而不能徹底依靠IPC標準。

焊盤設計的通常考慮順序爲：保證良好的電氣性能；可靠性；可製造性；可維修性。焊盤設計須要肯定的要素，包括焊盤自己的尺寸、綠油或阻焊窗尺寸、元件佔地範圍、元件下的佈線或粘膠用的虛設焊盤等。如圖3.12-1所示：

決 定焊盤尺寸的主要因素有五方面：元件的外形和尺寸、基板種類和質量、組裝設備能力、所採用的工藝種類和能力、要求的品質水平或標準。在考慮焊盤的設計時必 須配合以上五個因素總體考慮。計算尺寸公差時，業界中較經常使用的是統計學中接受的有效值或均方根方法，這種作法能在各方面達到較好的平衡。

一 個良好的焊盤設計，應該提供在工藝上容易組裝、便於檢查和測試、以及組裝後的焊點使用壽命長等條件。保證良好的焊盤設計的條件：(1)創建元件封裝資料檔 案；(2)對每個SMD創建器件的封裝尺寸庫；(3)肯定不一樣供應商的尺寸偏差；(4)創建基板規範；(5)制定廠內工藝和設備能力規範；(6)對各制 造工藝的問題和知識有足夠的瞭解；(7)制定廠內或對某一產品上的品質標準

矩形片式元件焊盤設計(見圖3.12-2~3.12-3)：

L型引腳IC焊盤設計(見圖3.12-4)：

(1) 適應範圍：在SOT、SOIC、(S/T)SOP、(P/S/-C)QFP等封裝的引線。

(2) 參數說明：
　　t：引腳厚度(lead thickness)典型值爲0.1～0.15mm
　　l：引腳長度(lead length) 典型值爲0.6～0.8mm
　　lw：引腳寬度(lead width)
　　W：焊盤寬度(pad width)
　　L：焊盤長度(pad length)
　　lh：引腳跟部長度(lead heel) 一般爲0.5mm
　　lt：引腳前端長度(lead tip) 一般爲0.5mm

(3) 焊盤尺寸設計：
　　焊盤長度：L=lh+l+lt 一般爲1.5~1.8mm
　　焊盤寬度：W=lw+2mil
　　lh=lt= =(2.6~5.6)t 其中θ=15o~30o
　　J型引腳IC焊盤設計(見圖3.12-5)：

(1) 適應範圍：SOJ、PLCC等部品的封裝引線。

(2) 參數說明：
　　l：引腳長度(lead length)
　　B：引腳寬度(lead width)
　　W：焊盤寬度(pad width)
　　L：焊盤長度(pad length)
　　lh：引腳跟部長度(lead heel)

(3) 焊盤尺寸設計：
　　引腳跟部長度：lh=T/2
　　焊盤長度：L= 2lh+l 焊盤寬度：W=lw+ lw
　　BGA焊盤設計(見圖3.12-6)：

(1) 焊盤直徑按照焊球直徑的75％~85％設計。
(2) 焊盤引出線不超過焊盤的50％，相對於焊接質量來講，越細越好。
(3) 電源焊盤的引出線不小於0.1mm，方可加粗。
(4) 爲了防止焊盤變形，阻焊開窗(solder mask) 不大於0.05mm。

4、總結

PCB的優化設計在產品開發設計過程當中有着重要的做用，每一個設計人員都應該認真考慮，確保產品設計的最優化，使產品朝着「完好陷」或「零缺陷」的方向發展。

文章摘自《印製電路資訊》09年3月第二期