PCB的設(shè)計與生產(chǎn)工藝

1、致遠電子有限公司作者：段小華 2004/7/12PCB的設(shè)計與生產(chǎn)工藝 合格PCB工程師必須注意的10個細節(jié)一個優(yōu)秀的PCB設(shè)計工程師，必須綜合生產(chǎn)工藝和測試工藝進行考慮，才能順利地設(shè)計出好產(chǎn)品。這 也涉及PCB設(shè)計中的可制造性和可測試性。在實際設(shè)計中，這兩點往往容易被忽略。筆者曾經(jīng)在做 Bonding、SMT、THT工藝焊接的OEM時，經(jīng)常遇到由于設(shè)計者不了解生產(chǎn)、測試工 藝，導(dǎo)致設(shè)計的PCB產(chǎn)品無法順利加工，而遭到各 OEM廠商的拒絕，最后要么造成批量報廢，要么以極 高的加工費向 OEM廠商求饒，甚至需要請客送禮；這也是部分客戶為降低損失、達成合同交貨期而不得 不實施的行為。記得在99年時

2、，曾接到中山客戶的一個做手持對講機項目，是 10,000多片對講機板的SMT加工，此 板安裝密集且為雙面表貼，板上應(yīng)用了大量的片狀電感、小容量電容和片狀可調(diào)電容。在加工打樣后，發(fā) 現(xiàn)以下問題：1、 PCB為不規(guī)則圖形，四周器件均靠近PCB外沿且無副邊（工藝邊），無法在貼片機上傳輸；2、 PCB上沒有設(shè)置Fiducial Mark （機器視覺識別標(biāo)志），只好利用PCB上的器件焊盤做為 Mark點, 但由于焊盤離阻焊層太近，阻焊層的反光使得機器識別率低，機器經(jīng)常停機報警；3、個別過孔（Via）離焊盤太近，回流時造成焊錫流失，焊盤上錫少；4、可調(diào)電容的焊盤設(shè)置的太寬，由于可調(diào)電容面積大、重量輕，當(dāng)錫

3、熔融時的浮力和表面的張力使 得所有可調(diào)電容均出現(xiàn)漂移。由于PCB存在以上問題，我們向客戶表明無法承接此訂單，但客戶百般懇求，因為他們所接為國外訂 單，簽有嚴(yán)格的合同及違約責(zé)任，且之前已經(jīng)找過兩個加工單位均被拒絕，生產(chǎn)時間非常緊迫。最后，我 做了一個PCB的托模（將PCB嵌入式固定），才艱難的將此訂單做完，為此客戶也付出了近十倍的加工費。以下所寫文字，多來自于筆者多年的經(jīng)驗與工作中的案例，也是在產(chǎn)品設(shè)計中的一點思考，希望能對 PCB設(shè)計工程師有所幫助。1.0 了解焊接工藝和設(shè)備很多的設(shè)計工程師并不了解組裝工藝和設(shè)備，即認為產(chǎn)品的生產(chǎn)與自己無關(guān)；這樣設(shè)計出的產(chǎn)品在組 裝時往往容易出現(xiàn)這樣那樣的問題

4、，甚至直接影響到生產(chǎn)效率和成品率。這種問題在大批量生產(chǎn)時會尤為 突出。所以對工藝和設(shè)備的了解是必要的。例如：由于手工浸焊質(zhì)量差、效率低、不能適應(yīng)大生產(chǎn)和自動化作業(yè)的要求，取而代之的大都是波峰 焊。但是，包括波峰焊、切腳機、貼片機、自動印刷機在內(nèi)的幾乎所有自動化設(shè)備均采用軌道式傳輸方式， 而軌道式傳輸一般要求 PCB要有至少兩個平行的對邊， 且靠邊的35mm不能有器件（要被壓在軌道里）, 所以在PCB設(shè)計時，若安裝密集元件，當(dāng)需要將器彳放到靠近側(cè)邊時，就要考慮給PCB增加工藝邊（即常說的“副邊”）；若元件安裝不是很密集，就應(yīng)在設(shè)計時避免將器件放得太靠邊。否則， PCB對于自動化 設(shè)備的適用性就會

5、受到限制。1.1 當(dāng)前主要的PCB裝聯(lián)工藝有：SMT （Surface Mount Technology）表面安裝工藝：適用于表貼元器件的焊接。THT （Through Hole Technology）通孔工藝：主要以波峰焊接工藝為主，應(yīng)用于通孔元件的焊接 （少量場合，也有將其應(yīng)用于表貼元器件）。Bonding （邦定）工藝：主要應(yīng)用于裸片（Bare Die）與PCB的裝聯(lián)。1.2 本公司現(xiàn)有設(shè)備對PCB外形尺寸的要求:設(shè)備名稱設(shè)備型號PCB SIZE (min)PCB SIZE (max)用途貼片機CP40LV+50X30X0.38460X400X4.2用于表貼元器件的安裝邦定機BONDA1

6、01170 X170用于裸片的焊接回流焊MA-300R460X280用于表貼元器件的回流/再流焊接切腳機BT-6A380X230用于通孔元器件的切腳洗板機PTO/3006260X160用于PCA的清洗小錫爐270X220用于通孔元器件的手工浸焊大錫爐460X315用于通孔元器件的手工浸焊2.0再流焊接工藝要求元件的最小間距再流焊接工藝有可能造成元件或引線之間的短路。究其原因，可能是因為以下幾種情況：鋼網(wǎng)印刷的焊膏印象圖形與焊盤圖形未能完全吻合；焊膏粘度偏低或觸變性差，導(dǎo)致焊膏坍塌，形成焊膏連條，載流焊后形成小錫珠或橋接。泳動效應(yīng)。焊膏熔化時，元件受本身重力、焊錫潤滑力、熔融焊膏表面張力的作用，

7、可能偏離焊 盤，與鄰近焊盤搭接。因此，放置的各元件之間必須有一定間距，以避免形成短路與橋接。一般情況下，相鄰元件的安全間 距應(yīng)26mil。3.0波峰焊接工藝要求元件的最小間距波峰焊接時，由于熔融焊錫張力、金屬表面潤滑等諸多因素，在間距過小的焊盤或通孔之間可能產(chǎn)生 焊錫橋接。為了減少這種焊接缺陷，設(shè)計時應(yīng)預(yù)保留元件間的合理間距。一般情況下，相鄰元件（通孔元 件）的安全間距應(yīng)50mil。4.0 Bonding （邦定）工藝對PCB的要求4.1 邦定板的外形尺寸邦定電路板的外形尺寸不宜設(shè)置得太大，一般情況下，建議小于100 mnx 100mm。因為太大的PCB會對Bonding （邦定）工藝提出很高

8、的要求，例如Bonder、邦定精度、鋁盒等，且會使烘箱的使用效率降低。如果是外協(xié)加工的話，還可能導(dǎo)致加工費用增高。除非您具有相當(dāng)于“ ASM AB559A ”的加工能力。如果 需要應(yīng)用于較大面積的 PCB,建議先設(shè)計成模塊化的小板，然后再進行組裝，這樣會具有更好的靈活性。4.2 Bonding工藝對PCB鍍層的要求PCB的表面處理主要有裸銅（不鍍）、鍍銀、鍍金、鍍錫等幾種，其中裸銅（不鍍）和鍍錫的 PCB不 能應(yīng)用于Bonding工藝。所以，在設(shè)計 Bonding板時，應(yīng)避免采用裸銅（不鍍）和鍍錫工藝。4.3 邦定位的布線寬度邦定位的布線寬度允許在 4mil 10mil之間變化，通常設(shè)計取 5

9、mil 6mil。4.4 邦定位的阻焊設(shè)置由于電路板的生產(chǎn)誤差， 可能導(dǎo)致金手指上附著部分油墨，導(dǎo)致邦定工藝打線不良。為避免這一問題,在阻焊層的邦定位置，應(yīng)根據(jù)邦定位尺寸放置一個尺寸為？200mil？500mil的實心圓。同時，這樣也可以提高邦定膠與基板的附著力。4.5 載片島（襯底）的設(shè)計載片島的尺寸一般稍大于裸片的管芯尺寸或等于管芯尺寸。注意：載片島上一般不可設(shè)置通孔，通孔 會使粘片膠流失，從而造成固晶不良。4.6 載片島周圍的距離在載片島與金手指之間，必須設(shè)置合理的間距，以適應(yīng)邦定的生產(chǎn)工藝，便于邦定線弧的形成。目前，國內(nèi)邦定行業(yè)中，幾乎均采用手工固晶，比較容易產(chǎn)生偏差或管芯偏移。因此，

10、載片島與金手 指的間距設(shè)置十分重要。若此間距過小，可能會導(dǎo)致金手指與管芯襯底短路，或者形成一個固定阻值，導(dǎo) 致芯片工作異常；若此距離過大，就會使邦定的線弧變長，膠點變大，可靠性降低。一般的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)是，對于對于127xi29mil 48線的管芯，此間距應(yīng)32mil ,在32mil48mil之間。5.1 PCB的拼板拼板就是有意識的將若干個單元印制板進行規(guī)則的排列組合，把它們拼成長方形或正方形。拼板的數(shù) 量一般為2、4、6、8、9、15、16拼，拼板之間一般采用 V型槽，待加工工序結(jié)束后再將其分離。5.1 何時需要拼板1） 為了充分利用貼片機的貼裝速度，提高效率，或為適應(yīng)大批量、自動化生產(chǎn)；尤其是

11、對較小尺寸的 PCB,拼板與單片板的生產(chǎn)貼裝效率相差很大，它將直接影響到組裝效率。在大批量生產(chǎn)時，拼板 的意義將得到充分的體現(xiàn)。2） 當(dāng)PCB外形尺寸小于50Momm時，必須進行拼板，否則將無法采用機器貼裝元件。5.2 拼板的注意事項1） 注意拼板后的長寬比不要失調(diào)，過長或過寬都將容易讓PCB折斷。2） 若采用手工印刷，拼板后的尺寸建議不要大于250X180mm （手工印刷的鋼網(wǎng)一般為 470M70mm,拼板后的圖形區(qū)域以小于 250X180mm最為合適）。3） 當(dāng)PCB圖形為不規(guī)則圖形時（無可用的平行邊），必須進行拼板，以及增加工藝邊。6.0定位孔、工藝邊、Fiducial Mark （機器

12、視覺識別標(biāo)志）的設(shè)置定位孔、工藝邊、圖形識別標(biāo)志是保證印制板適用于自動化生產(chǎn)不可或缺的標(biāo)志。6.1 定位孔的設(shè)置有些貼片機、自動印刷機等設(shè)備是采用孔定位方式，這時，需要在工藝邊上四角設(shè)置定位孔，孔徑一 般為？3.2mm。（本公司暫無此要求）。6.2 工藝邊的設(shè)置目前，包括波峰焊、切腳機、貼片機、自動印刷機在內(nèi)的幾乎所有自動化設(shè)備均采用軌道式傳輸，而軌道式傳輸一般要求 PCB要有至少兩個平行的對邊, 若PCB兩邊35mm內(nèi)不安裝器件（包括通孔器件） 正常生產(chǎn)需要。且靠邊的3 5mm內(nèi)不能有器件（要被壓在軌道里）,可以不設(shè)專用工藝邊，即可借用PCB的兩邊來滿足6.2.1 何時需設(shè)工藝邊1） 當(dāng)用到

13、孔定位設(shè)備時。2） 當(dāng)器件布置的太靠邊時（無可用的平行邊），必須增加工藝邊，否則， PCB上靠近軌道35mm距離內(nèi)的表貼元器件將無法采用設(shè)備安裝；若在此區(qū)域內(nèi)有通孔元件， 則可能導(dǎo)致無法進行軌道傳輸（如波峰焊、切腳機等）。3） 當(dāng)PCB圖形為不規(guī)則圖形時（無可用的平行邊），則必須考濾增加工藝邊和拼板6.2.2 工藝邊設(shè)置的注意事項1） 工藝邊的設(shè)置一般為 58mm寬，待加工工序結(jié)束后再去掉工藝邊。2） 若設(shè)有工藝邊，則應(yīng)在工藝邊上設(shè)置定位孔和圖形識別標(biāo)志。6.3 Fiducial Mark （機器視覺識別標(biāo)志）的設(shè)置為提高器件的貼裝精度，在 PCB上必須設(shè)置圖形識別標(biāo)志，以便于機器視覺識別（在

14、 PCB上無圖形 識別標(biāo)志時，也可選用焊盤或過孔等作為圖形識別標(biāo)志，但這樣會導(dǎo)致識別精度和識別率降低）。圖形識別標(biāo)志又可分為印制板圖形識別標(biāo)志、器件圖形識別標(biāo)志。印制板圖形識別標(biāo)志最為常見，一般設(shè)在PCB的對角。當(dāng)PCB有工藝邊時，在工藝邊上也應(yīng)設(shè)有印制板圖形識別標(biāo)志；器件圖形識別標(biāo)志 一般用于QFP、BGA等一些高密度器件，為進一步消除印制板的制造、貼片和安裝時的綜合誤差。器件圖 形識別標(biāo)志一般放置在相關(guān)元器件的對角。圖形識別標(biāo)志可設(shè)為圓形、等腰三角形、方形、十字形、菱形等，但最通用的為圓形、等腰三角形和正方形。一般Fiducial Mark圖形的大小為：直徑或邊長為 1mm,但在2mm大的

15、圖形范圍以內(nèi)不允許有阻 焊涂料，否則可能導(dǎo)致識別精度和識別率降低。7.0焊盤圖形設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)在SMT （Surface Mount Technology）工藝高速發(fā)展的今天， 表面組裝標(biāo)準(zhǔn)落后于表面組裝設(shè)計的發(fā)展， 組裝工藝標(biāo)準(zhǔn)更加落后于其它標(biāo)準(zhǔn)，特別是缺乏統(tǒng)一的焊盤圖形設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，應(yīng)遵循以下原 則：1） 焊盤圖形設(shè)計首先要掌握和考慮國際上有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)機構(gòu)的SMT焊盤圖形設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時，根據(jù)選擇使用元器件的封裝形式和制造廠商，參考其產(chǎn)品手冊，確定焊盤圖形設(shè)計的主要數(shù)據(jù)。2） 焊盤圖形設(shè)計與組裝工藝特別是焊接工藝有密切關(guān)系，所以在進行焊盤圖形設(shè)計時必須考慮不同焊接工藝對焊盤圖形的要求，尤其是

16、在 BGA、CSP、pBGA等高密度器件大行其道的今天。3） 對一些新型的焊盤圖形設(shè)計，還應(yīng)該進行生產(chǎn)性和可靠性驗證。8.0測試點與通孔測試點，主要用于調(diào)試或生產(chǎn)中的功能測試。測試點的放置也非常重要。比如：一個在生產(chǎn)中必須進行測試的信號線，其一端連接著TSSOP封裝元件的一個引腳，另一端連接著一個邦定引腳，當(dāng)這條信號線上沒有其他的通孔或焊盤時，必須放置相應(yīng)的 測試焊盤；否則，一旦投入生產(chǎn)，該信號的測試工作將會令人十分苦惱。一般情況下，測試焊盤的最小直徑應(yīng)35mil,且盡量設(shè)置在2.54mm網(wǎng)格上，在組裝密度高時也可設(shè)在1.27mm的網(wǎng)格上。這樣做的好處是：1 .鉆孔的精度可以得到保證；2 .若

17、進ICT測試的話將很有必要。在很多場合下，通孔也會用作為探針測試點。因此，建議將探針測試的通孔規(guī)格設(shè)置如下：外徑為35mil、內(nèi)徑為18mil?？紤]通孔的鍍層為 2mil,那么通孔的實際直徑將為 14mil。通孔不宜設(shè)置得過大， 否則，焊劑和熔融焊錫可能會經(jīng)通孔沖至電路板元件面；通孔不宜設(shè)置得過小，否則，電路板加工難度將增大，導(dǎo)通率也將降低。9.0阻焊層的應(yīng)用在電路板的阻焊層上涂覆阻焊膜，可以防止因焊錫遷移而造成的各類焊接缺陷。另外，阻焊膜可以涂 覆通孔，防止在波峰焊接時焊劑和熔融焊錫經(jīng)由通孔沖至電路板元件面上；而且，便于形成真空，以方便 進行印刷貼片膠和焊膏、針床測試等操作工序。10.0 P

18、CB設(shè)計中應(yīng)注意的一些問題10.1 關(guān)于銅柱的放置在需要使用銅柱彳為元器件或PCB的固定支撐或當(dāng)作為腳釘時，必須注意：由于設(shè)計習(xí)慣，在 PCB的Bottom Layer放置屏蔽層（Polygon Plane）并使其接地，所以在 Top Layer銅柱的最大旋轉(zhuǎn)范圍內(nèi)不可布 線，否則在安裝銅柱后，Top Layer銅柱旁的布線就會透過銅柱與 GND短路；盡管Top Layer有阻焊層覆 蓋，在銅柱旋轉(zhuǎn)時阻焊層一般將被破壞。銅柱的旋轉(zhuǎn)時的最大直徑范圍為？6mm,建議在?8mm的范圍內(nèi)不可布線，最少在 ？7mm范圍內(nèi)是不允許布線的。10.2 關(guān)于屏蔽層的接地為提高PCB的EMC特性，在電路設(shè)計時，習(xí)

19、慣上都會在PCB的空曠地方放置屏蔽層（Polygon Plane）, 通常我們都會采用 510mil的安全間距。而當(dāng) PCB上有大熱容量的焊盤，而這些焊盤又處于同一網(wǎng)絡(luò)時（例如串口座的兩固定腳一般都連接到GND ）,此時我們應(yīng)該適當(dāng)?shù)姆糯蟀踩g距（例如 20mil）,來滿足熱管理的需要；否則在焊接或拆卸時，會由于熱散失快而導(dǎo)致此焊點很難達到所需的液相（表貼焊盤亦是 如此），使得焊接和拆卸會比較困難（給焊盤加熱時，由于連接的導(dǎo)線過粗或離Polygon Plane太近而使溫度散失）。且連接這些網(wǎng)絡(luò)的焊盤宜采用十字交叉連接，十字交叉線不宜過粗，一般為 810 mil。注：以上主要涉及到PCB熱管理的

20、問題，同樣適用于SMT工藝，若設(shè)計不良有時會造成焊接缺陷。10.3 放置串口座的放置串口座都有兩個固定腳，且這兩個固定腳習(xí)慣上都會連接到 GND,在串口座上還有一個金屬的外框， 它通過兩只鑲絲與固定腳相連（并口座亦是如此），也就是說串口座的金屬外框也將連接到 GNDo此時在頂層布線時，就應(yīng)避開此金屬外框的下截面，否則可能引起金屬外框下的布線與GND短路（因為在安裝串口座后，金屬外框的下截面與底下的布線只是隔了一層阻焊膜）。10.4 定位孔的設(shè)置在做一些小PCB板的設(shè)計時，有時在安裝上沒有安裝孔的要求，這時應(yīng)考慮在PCB上放置定位孔；否則，投入生產(chǎn)時，測試治具只能依靠外形定位，會由于PCB的生產(chǎn)誤差、測試治具的制作誤差使得測試精度降低，給測試和測試治具的制作帶來很多不便。例如：有些客戶訂制的LCM模塊，由于客戶采用塑料外殼卡口式安裝，沒有安裝孔的要求，這時就應(yīng)考慮增加定位孔以便于測試。定位孔的直徑一般設(shè)在 ?1.83