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摘要: PCB设计是电子产品设计的重要环节之一。随着贴片元器件的广泛使用,表贴工艺技术的流行,进一步推动电子产品向工作高速度、元件高密度、存储大容量的方向发展。这对印制电路板的设计提出新的挑战。PCB设计,除具备基本的电子功能外,还应美观精巧。所设计印制电路板,在大规模生产线上有诸多的约束条件,比如外形尺寸、定位标识、封装类型等等,这些问题都可归结为可制造性设计,在PCB设计之初,都必须考虑和进行优化设计,否则会提高产品的成本、延长产品的开发周期、影响产品的质量。
关键词: PCB设计;可制造性设计;贴装技术
0 前言
PCB板是Printed Circuit Board,即印制电路板的简称。PCB板自诞生以来,一般是做为电路元器件的载体和为电路元器件的电气互联工具。其设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能;PCB板的可制造性设计是指在进行PCB的设计时就充分考虑到制造系统各部分的相互关系,将整个制造过程融合在一起进行总体优化,从而降低产品的开发周期和生产成本。它主要包括两个方面,PCB自身的可制造性、PCB与元件结合成电子产品的可制造性。将可制造性设计融入到的PCB设计之中,是一种全新的PCB设计方法,它有助于提高产品的生产效率、保证产品的质量。在PCB的生产制造过程中,如果PCB的设计不符合可制造性要求,将大大降低PCB的生产效率,甚至会导致所设计的电路板无法制造出来;具有良好的可制造性设计的PCB能有效提高生产效率、改善PCB的质量。
本文主要讨论随着贴片元器件的广泛应用,表面贴装技术的不断发展,使得PCB的设计与PCB的可制造性联系越来越紧密,PCB的设计以及与元件结合成电子产品的可制造性设计之间密不可分的关系。
1 PCB的外形尺寸等设计与可制造性之间的关系
1.1 外形的设计原则
PCB的外形一般设计为长宽比例不太大的长方形,长宽比例较大或面积较大的板子,容易产生翘曲变形。较大的板子可以节约材料,但是因为翘曲和质量等原因使它在生产和运输中都比较困难,需要用特殊的夹具进行固定,因此原则上不使用大于23cm×30cm的板子;对于贴片元件的印制板SMB,对于其外形尺寸、厚度、四周的倒角以及四周的垂直和平行精度等,要求更为严格。这是因为不同规格和型号的贴片机对SMB的具体要求会略有不同,SMB的尺寸过大或过小,贴片机对该板子就不能很好的固定,这样会对贴装精度、速度、焊接质量产生负面影响,引起制造上的问题;严重时会导致SMB无法用自动贴装设备进行加工生产。
1.2 PCB的翘曲度要求
PCB的尺寸过大时,除了增加生产运输的不便之外,在自动化插装线上,印制板若不平整,会引起定位不准,元器件无法插装到板子的孔和表面贴装焊盘上,甚至会撞坏自动插装机。装上元器件的板子焊接后发生弯曲,元件脚很难剪平整齐。板子也无法装到机箱或机内的插座上。目前,印制板已进入到表面安装和芯片安装的时代,装配厂对翘曲度的要求必定越来越严。因为对于翘曲变形不严重的PCB来说,使用插件元件时,可以依靠元件引线去克服部分变形;而PCB的翘曲变形对贴装元件而言,由于没有引线,则只能依靠元件自身去调整适应,这会引起元件断裂、焊接不可靠等问题。
对刚性印制板来说,用于表面安装印制板的允许最大翘曲和扭曲为0.75%,其它各种板子允许1.5%。对于1.6mm厚度印制板,不管双面或多层,翘曲度通常是0.70~0.75%,不少SMT,BGA的板子,要求是0.5%。测试翘曲度的方法是把印制板放到经检定的平台上,把测试针插到翘曲度最大的地方,以测试针的直径,除以印制板曲边的长度,就可以计算出该印制板的翘曲度了。
1.3 PCB的拼板技术
PCB的尺寸过小时,不能满足SMT设备的装夹要求,所以在采用表面贴装工艺时,要采用拼板技术加大尺寸,实现贴片机对PCB的良好固定。所谓拼板技术是将若干个相同单元印制板进行有规则的拼合,把它们拼成长方形或正方形。拼缝孔可以采用V形槽、邮票孔等工艺手段进行组合。在拼板时需要注意工艺边、定位孔、基准标志应设置于拼接后的图形上,并且各子板仍应设置基准标志。
1.4 PCB的幅面设计
究竟设计多大、多厚的PCB才是最合适的呢?这不仅要从电气性能上考虑使一块PCB成为一个功能相对完整的独立部分,还需要考虑焊接工艺过程中的热变形以及结构强度,而结构强度又与基材的厚度有关,所以应根据对板的机械强度要求以及PCB单位面积上承受的元器件质量,选取合适厚度、大小的基材。
PCB设计师需要综合考量以上因素以及所选用元器件、产品外形等具体情况,作出一个权衡。
2 PCB的排版、布局与可制造性之间的关系
2.1 工艺边、定位孔的设计
在PCB的设计中,首先就是要做好排版、布局工作,排版和布局工作的好坏直接影响后续的工作。PCB的两侧要预留至少5mm的区域不装配元件,它和定位孔一起用于自动装配时的PCB固定,如果不可避免被占用了,则应另加工艺传送边,待加工工序结束后去掉工艺边。
工艺边、定位孔不能满足SMT设备的装夹要求,就意味着不能满足大批量生产的要求。
2.2 基准标志的设计
为了提高贴片元器件的贴装准确性,在贴片元件的PCB上,需要设计用于光学定位的一组图形,即基准标志,基准标志一般放置在PCB的对角线对称方向的位置上,距离越远越好,对于引脚间距小的单个器件,还应放置局部基准标志;对于拼板,除了在整块板上设置基准标志外,在每块拼板上都设置基准标志也有利于克服拼板时容易出现的板与板之间间距不一致的问题。
2.3 元器件布局原则
布局是按照电原理图的要求和元器件的外形尺寸,将元器件均匀整齐地布置在PCB上,并能满足整机的电气和机械性能要求。布局合理与否不仅影响PCB组装件和整机的性能和可靠性,而且也影响PCB及其组装件加工和维修的难易度。对于元器件在PCB上的排放,要做到大致的轻重均匀,这样的布局容易使后续自动焊接时温度分布均匀,有利于提高焊接质量;对于贵重元器件的布局应避免放置于PCB的边缘、螺钉安装孔附近、插头座附近等高应力区,以延长其使用寿命;对于BGA封装的元器件,在其投射面积周围5mm范围内禁止布放其它元器件,以利于维修。 3 PCB的设计与表面贴装工艺之间的关系
表面贴装工艺技术,是指有关如何将基板、元器件通过有效工艺材料和工艺组装起来,并确保有较长寿命的一门技术。表面贴装工艺包含了许多种不同的组装形式和相应的工艺方法,各种方法都有其相应的优缺点和工艺特点。采用哪种贴片工艺最合适,应从QFP、PLCC和BGA等器件的引脚精细程度、设备条件等方面考虑。
1)元器件布局要做到“工艺最少、工艺性最好”。采用哪种工艺,要考虑到充分发挥和利用SMT工艺“安装密度高、便于自动化生产”的优越性。比如单面SMT元件回流焊接技术的组装板,具有外形薄和组装工艺简单的优势,缺点是组装密度不高,不能采用插件元器件,这些缺点限制了这种工艺技术在某些方面的应用;又例如目前被采用得最多的双面混装技术,具有密度高、能混合采用SMD和插件、能发挥质量和成本之间的平衡利益的优点,但其必须处理两道焊接程序,温度对器件、PCB损坏较大,故障率会有所提高。PCB工程师只有学习和了解诸如此类的知识,才能在其工作中应用,针对不同的工艺技术特点才能更好地设计出具有良好的可制造性的PCB。
2)对于0.65mm以及更小引脚距的QFP、PLCC等器件应首选再流焊工艺;工艺路线的选择应结合本单位SMT的设备条件。
4 常见的SMB的设计不良现象及原因分析
在SMB的设计阶段如果不能全面考虑到制造工艺要求,结果导致制造工艺性差,在生产制造过程中纠正存在问题,会浪费工时、延误工期,又不能保证产品质量;并且一般设计不良的问题,在生产阶段是很难克服的。下面列举了一些常见的SMB的设计不良现象及产生的原因。
1)设计的SMB没有工艺边、工艺孔或外形异形或尺寸过大/过小,这是由于对表面贴装工艺设备不够了解,导致设计的SMB不能满足设备的装夹要求,不能批量生产。
2)焊盘上有过孔:会造成焊接时焊料熔化后通过过孔漏到底层,焊点焊料过少,焊接不可靠。这是由于设计师对再流焊接工艺设备不够了解。SMT再流焊接是将焊料事先分布在焊盘上,焊接时锡膏的熔化实现元件与PCB焊盘的连接,当PCB焊盘有孔时,熔化后的锡膏就会通过孔流到下层,因此焊盘上不能有孔,当在焊盘上过线时,必须将孔引出焊盘后再过线。
3)片式元件焊盘大小不对称,特别是用地线、过线的一部分作为焊盘使用,以致再流时片式元件两端焊盘受热不均匀,锡膏先后熔化而造成立碑缺陷。
造成上述缺陷的原因是部分企业缺乏统一的设计规范,良好的企业可制造性设计规范设计是根据SMT工艺要求,以及本企业SMT设备的现状制定出来并不断完善的。
5 结束语
由于表面贴装元器件体积小、能够满足高密度以及自动化设备的组装要求,可实现电子产品体积小型化、功能多样化的发展要求以及更新换代频率加快的现实,推动了表面贴装技术势不可挡的发展趋势,也因此可制造性设计越来越多地融入到PCB的设计之中,它强调将制造过程中可能发生的问题提前到设计阶段来解决。良好的PCB可制造性设计可以有效的控制成本、缩短产品开发周期、提高产品的市场竞争力。
参考文献:
[1]杨利军,PROTEL 99SE原理图与印制电路板电磁兼容设计,中南大学出版社,2007.
[2]许小菊,图解贴片元器件技能、技巧问答,机械工业出版社,2008.
[3]张文典,实用表面组装技术,电子工业出版社,2008.
[4]龙绪明,电子表面组装技术:SMT,电子工业出版社,2008.
关键词: PCB设计;可制造性设计;贴装技术
0 前言
PCB板是Printed Circuit Board,即印制电路板的简称。PCB板自诞生以来,一般是做为电路元器件的载体和为电路元器件的电气互联工具。其设计是以电路原理图为根据,实现电路设计者所需要的功能;PCB板的可制造性设计是指在进行PCB的设计时就充分考虑到制造系统各部分的相互关系,将整个制造过程融合在一起进行总体优化,从而降低产品的开发周期和生产成本。它主要包括两个方面,PCB自身的可制造性、PCB与元件结合成电子产品的可制造性。将可制造性设计融入到的PCB设计之中,是一种全新的PCB设计方法,它有助于提高产品的生产效率、保证产品的质量。在PCB的生产制造过程中,如果PCB的设计不符合可制造性要求,将大大降低PCB的生产效率,甚至会导致所设计的电路板无法制造出来;具有良好的可制造性设计的PCB能有效提高生产效率、改善PCB的质量。
本文主要讨论随着贴片元器件的广泛应用,表面贴装技术的不断发展,使得PCB的设计与PCB的可制造性联系越来越紧密,PCB的设计以及与元件结合成电子产品的可制造性设计之间密不可分的关系。
1 PCB的外形尺寸等设计与可制造性之间的关系
1.1 外形的设计原则
PCB的外形一般设计为长宽比例不太大的长方形,长宽比例较大或面积较大的板子,容易产生翘曲变形。较大的板子可以节约材料,但是因为翘曲和质量等原因使它在生产和运输中都比较困难,需要用特殊的夹具进行固定,因此原则上不使用大于23cm×30cm的板子;对于贴片元件的印制板SMB,对于其外形尺寸、厚度、四周的倒角以及四周的垂直和平行精度等,要求更为严格。这是因为不同规格和型号的贴片机对SMB的具体要求会略有不同,SMB的尺寸过大或过小,贴片机对该板子就不能很好的固定,这样会对贴装精度、速度、焊接质量产生负面影响,引起制造上的问题;严重时会导致SMB无法用自动贴装设备进行加工生产。
1.2 PCB的翘曲度要求
PCB的尺寸过大时,除了增加生产运输的不便之外,在自动化插装线上,印制板若不平整,会引起定位不准,元器件无法插装到板子的孔和表面贴装焊盘上,甚至会撞坏自动插装机。装上元器件的板子焊接后发生弯曲,元件脚很难剪平整齐。板子也无法装到机箱或机内的插座上。目前,印制板已进入到表面安装和芯片安装的时代,装配厂对翘曲度的要求必定越来越严。因为对于翘曲变形不严重的PCB来说,使用插件元件时,可以依靠元件引线去克服部分变形;而PCB的翘曲变形对贴装元件而言,由于没有引线,则只能依靠元件自身去调整适应,这会引起元件断裂、焊接不可靠等问题。
对刚性印制板来说,用于表面安装印制板的允许最大翘曲和扭曲为0.75%,其它各种板子允许1.5%。对于1.6mm厚度印制板,不管双面或多层,翘曲度通常是0.70~0.75%,不少SMT,BGA的板子,要求是0.5%。测试翘曲度的方法是把印制板放到经检定的平台上,把测试针插到翘曲度最大的地方,以测试针的直径,除以印制板曲边的长度,就可以计算出该印制板的翘曲度了。
1.3 PCB的拼板技术
PCB的尺寸过小时,不能满足SMT设备的装夹要求,所以在采用表面贴装工艺时,要采用拼板技术加大尺寸,实现贴片机对PCB的良好固定。所谓拼板技术是将若干个相同单元印制板进行有规则的拼合,把它们拼成长方形或正方形。拼缝孔可以采用V形槽、邮票孔等工艺手段进行组合。在拼板时需要注意工艺边、定位孔、基准标志应设置于拼接后的图形上,并且各子板仍应设置基准标志。
1.4 PCB的幅面设计
究竟设计多大、多厚的PCB才是最合适的呢?这不仅要从电气性能上考虑使一块PCB成为一个功能相对完整的独立部分,还需要考虑焊接工艺过程中的热变形以及结构强度,而结构强度又与基材的厚度有关,所以应根据对板的机械强度要求以及PCB单位面积上承受的元器件质量,选取合适厚度、大小的基材。
PCB设计师需要综合考量以上因素以及所选用元器件、产品外形等具体情况,作出一个权衡。
2 PCB的排版、布局与可制造性之间的关系
2.1 工艺边、定位孔的设计
在PCB的设计中,首先就是要做好排版、布局工作,排版和布局工作的好坏直接影响后续的工作。PCB的两侧要预留至少5mm的区域不装配元件,它和定位孔一起用于自动装配时的PCB固定,如果不可避免被占用了,则应另加工艺传送边,待加工工序结束后去掉工艺边。
工艺边、定位孔不能满足SMT设备的装夹要求,就意味着不能满足大批量生产的要求。
2.2 基准标志的设计
为了提高贴片元器件的贴装准确性,在贴片元件的PCB上,需要设计用于光学定位的一组图形,即基准标志,基准标志一般放置在PCB的对角线对称方向的位置上,距离越远越好,对于引脚间距小的单个器件,还应放置局部基准标志;对于拼板,除了在整块板上设置基准标志外,在每块拼板上都设置基准标志也有利于克服拼板时容易出现的板与板之间间距不一致的问题。
2.3 元器件布局原则
布局是按照电原理图的要求和元器件的外形尺寸,将元器件均匀整齐地布置在PCB上,并能满足整机的电气和机械性能要求。布局合理与否不仅影响PCB组装件和整机的性能和可靠性,而且也影响PCB及其组装件加工和维修的难易度。对于元器件在PCB上的排放,要做到大致的轻重均匀,这样的布局容易使后续自动焊接时温度分布均匀,有利于提高焊接质量;对于贵重元器件的布局应避免放置于PCB的边缘、螺钉安装孔附近、插头座附近等高应力区,以延长其使用寿命;对于BGA封装的元器件,在其投射面积周围5mm范围内禁止布放其它元器件,以利于维修。 3 PCB的设计与表面贴装工艺之间的关系
表面贴装工艺技术,是指有关如何将基板、元器件通过有效工艺材料和工艺组装起来,并确保有较长寿命的一门技术。表面贴装工艺包含了许多种不同的组装形式和相应的工艺方法,各种方法都有其相应的优缺点和工艺特点。采用哪种贴片工艺最合适,应从QFP、PLCC和BGA等器件的引脚精细程度、设备条件等方面考虑。
1)元器件布局要做到“工艺最少、工艺性最好”。采用哪种工艺,要考虑到充分发挥和利用SMT工艺“安装密度高、便于自动化生产”的优越性。比如单面SMT元件回流焊接技术的组装板,具有外形薄和组装工艺简单的优势,缺点是组装密度不高,不能采用插件元器件,这些缺点限制了这种工艺技术在某些方面的应用;又例如目前被采用得最多的双面混装技术,具有密度高、能混合采用SMD和插件、能发挥质量和成本之间的平衡利益的优点,但其必须处理两道焊接程序,温度对器件、PCB损坏较大,故障率会有所提高。PCB工程师只有学习和了解诸如此类的知识,才能在其工作中应用,针对不同的工艺技术特点才能更好地设计出具有良好的可制造性的PCB。
2)对于0.65mm以及更小引脚距的QFP、PLCC等器件应首选再流焊工艺;工艺路线的选择应结合本单位SMT的设备条件。
4 常见的SMB的设计不良现象及原因分析
在SMB的设计阶段如果不能全面考虑到制造工艺要求,结果导致制造工艺性差,在生产制造过程中纠正存在问题,会浪费工时、延误工期,又不能保证产品质量;并且一般设计不良的问题,在生产阶段是很难克服的。下面列举了一些常见的SMB的设计不良现象及产生的原因。
1)设计的SMB没有工艺边、工艺孔或外形异形或尺寸过大/过小,这是由于对表面贴装工艺设备不够了解,导致设计的SMB不能满足设备的装夹要求,不能批量生产。
2)焊盘上有过孔:会造成焊接时焊料熔化后通过过孔漏到底层,焊点焊料过少,焊接不可靠。这是由于设计师对再流焊接工艺设备不够了解。SMT再流焊接是将焊料事先分布在焊盘上,焊接时锡膏的熔化实现元件与PCB焊盘的连接,当PCB焊盘有孔时,熔化后的锡膏就会通过孔流到下层,因此焊盘上不能有孔,当在焊盘上过线时,必须将孔引出焊盘后再过线。
3)片式元件焊盘大小不对称,特别是用地线、过线的一部分作为焊盘使用,以致再流时片式元件两端焊盘受热不均匀,锡膏先后熔化而造成立碑缺陷。
造成上述缺陷的原因是部分企业缺乏统一的设计规范,良好的企业可制造性设计规范设计是根据SMT工艺要求,以及本企业SMT设备的现状制定出来并不断完善的。
5 结束语
由于表面贴装元器件体积小、能够满足高密度以及自动化设备的组装要求,可实现电子产品体积小型化、功能多样化的发展要求以及更新换代频率加快的现实,推动了表面贴装技术势不可挡的发展趋势,也因此可制造性设计越来越多地融入到PCB的设计之中,它强调将制造过程中可能发生的问题提前到设计阶段来解决。良好的PCB可制造性设计可以有效的控制成本、缩短产品开发周期、提高产品的市场竞争力。
参考文献:
[1]杨利军,PROTEL 99SE原理图与印制电路板电磁兼容设计,中南大学出版社,2007.
[2]许小菊,图解贴片元器件技能、技巧问答,机械工业出版社,2008.
[3]张文典,实用表面组装技术,电子工业出版社,2008.
[4]龙绪明,电子表面组装技术:SMT,电子工业出版社,2008.