PCB优化设计(一)
2011-04-25 11:55:36| 分类： PCB设计
目 前SMT技术已经非常成熟，并在电子产品上广泛应用，因此，电子产品设计师有必要了解SMT技术的常识和可制造性设计(DFM)的要求。采用SMT工艺的 产品，在设计之初就应综合考虑生产工艺流程、原材料的选择、设备的要求、器件的布局、测试条件等要素，尽量缩短设计时间，保证设计到制造的一次性成功。
SMT(Surface Mount Technology表面贴装技术)是一种将无引脚或短引线表面组装元器件(简称SMC/SMD)安放在印制电路板的表面上，通过回流焊或波峰焊等方法加以焊接组装的电子装联技术。
随 着电子产品的小型化、复杂化，SMT技术也得到了飞速的发展，日趋成熟完善。电路设计、结构设计和工艺技术是构成电子产品的三大技术要素，其中 SMT工艺是工艺技术中一个重要环节。在SMT工艺中，PCB设计的合理性是各个SMT厂家比较关心的问题，也是影响产品质量的关键因素。有些设计人员不 太注重产品的可制造性，认为只要电路方面设计没有问题就可以了，这样设计出来的产品不仅可制造性差，而且需要不断的更改制程，导致产品开发进度变长，设计 成本增加，降低了产品的市场竞争力。因此设计人员必须重视PCB的可制造性设计。
一、PCB设计中的常见不良现象
1.1 PCB缺少工艺边或工艺边设计不合理，导致设备无法贴装。如图1.1所示。
1.2 PCB缺少定位孔，定位孔位置不正确，设备不能准确、牢固的定位。如图1.2所示。
1.3 缺少Mark点，Mark点设计不规范，造成机器识别困难。如图1.3a、1.3b和1.3c所示。
1.4 螺丝孔金属化，焊盘设计不合理。
螺丝孔是用螺钉固定PCB板之用。为防止过波峰焊后堵孔，螺丝孔内壁不允许覆铜箔，过波峰面的螺丝孔焊盘需要设计成“米”字型或梅花状(如果过波峰焊时使用载具，可能不存在以上问题)。如图1.4a和1.4b所示。
1.5 PCB焊盘尺寸设计错误。
常见的焊盘尺寸方面的问题有焊盘尺寸错误、焊盘间距过大或过小、焊盘不对称、兼容焊盘设计不合理等，焊接时容易出现虚焊、移位、立碑等不良现象。如图1.5a、1.5b和1.5c所示。
1.6 焊盘上有过孔或焊盘与过孔距离太近。
焊接时焊料熔化后流到PCB底面，造成焊点少锡缺陷。如图1.6a和1.6b所示。
1.7 测试点过小，测试点放在元件下面或距离元件太近。如图1.7所示。
1.8 丝印或阻焊在焊盘、测试点上，位号或极性标志缺失，位号颠倒，字符过大或过小等。如图1.8a、1.8b和1.8c所示。
1.9 元件之间的距离放置不规范，可维修性差。
贴片件之间必须保证足够的距离，一般要求回流焊接的贴片件之间的距离最小为0.5mm，波峰焊接的贴片件距离最小为0.8mm，高大器件与后面的贴片之间的距离应该更大些。BGA等器件周围3mm内不允许有贴片件。如图1.9所示。
1.10 IC焊盘设计不规范。
QFP焊盘形状及焊盘之间的距离不一致，焊盘之间的互连短路设计，BGA焊盘形状不规则等。如图1.10a和1.10b所示。
1.11 PCB拼板设计不合理。
PCB拼板后元件干涉、V-Cut增加导致变形、阴阳拼板引起较重元件焊接不良等。如图 1.11所示。
1.12 采用波峰焊接工艺的IC及Connector缺少导锡焊盘，导致焊接后短路。如图1.12所示。
1.13 元件的排布不符合相应的工艺要求。
采用回流焊工艺时，元器件的排布方向应与PCB进入回流焊炉的方向一致，采用波峰焊工艺时，应考虑波峰焊阴影效应。如图1.13所示。
造成PCB设计不良的原因主要有以下几点：(1) 由于设计人员对SMT工艺、设备及可制造性设计不熟悉；(2) 企业缺乏相应的设计规范；(3) 在产品的设计过程中没有工艺人员参与，缺乏DFM评审；(4) 管理和制度方面的问题。
为了有效的解决这个问题，进行PCB优化设计是非常必要的。
二、优化设计的基本理念
优 化设计，国外一般称为DFx，上世纪90年代中期由美国提出。DFx是基于并行设计的思想，在产品首次设计时就考虑制造和测试过程中的工艺要求，并在设计 阶段进行解决，从而实现设计到制造一次性成功的目标。优化设计，包括可制造性设计 (Design for Manufacturing, DFM)；可测试/可分析设计(Design for Test/Design for Diagnosibility, DFT/DFD)；可组装设计(Design for Assembly, DFA)；可环保设计(Design for Environment, DFE); 为PCB可制造性设计(Design for Fabrication of the PCB, DFF)；可周转性设计(Design for Sourcing, DFS); 可靠性设计(Design for Reliability, DFR); 为成本而设计(Design for Cost, DFC)，国内一般都统称为可制造性设计(DFM)。这种设计概念及设计方法可缩短产品投放市场的时间、降低制造成本、提高产量和产品质量。优化设计应贯 穿于整个设计过程，而非最终出图前。如图2所示。
三、PCB优化设计基本原则
3.1、SMT工艺流程的确定。
在产品设计的概念启动阶段(Concept Start，CS)就应根据产品规划的要求，确定产品生产的工艺流程。PCB的表面组装方式有以下六种(见下页表3-1)：
几种典型的组装工艺流程如下：
(1) 单面混装(SMD和THC都在A面)
A面印刷焊膏→元器件贴装→回流焊→A面插装THC→B面过波峰焊→检测
(2) 双面混装(THC在A面，A、B两面都有SMD)
A面印刷焊膏→元器件贴装→回流焊→翻板→B面印胶或点胶→元器件贴装→胶固化→A面插装THC→B面过波峰焊→检测
或采用下面的流程：
B面印刷焊膏→元器件贴装→回流焊→翻板→A面印刷焊膏→元器件贴装→回流焊→A面插装THC→B面过波峰焊→检测
(3) 双面表面组装
A面印刷焊膏→元器件贴装→回流焊→翻板→B面印刷焊膏→元器件贴装→回流焊→检测
选择表面组装工艺流程应考虑的主要因素：
(1) PCB板的组装密度；
(2) SMT设备条件；
(3) 成本、效率。
一般原则：在回流焊接设备和波峰焊接设备都具备的条件下，优先选择回流焊接；选择产品组装方式时一般优选单面混装和单面全表面组装；尽量避免PCB两面都有大比重IC等器件。
3.2、PCB基材的选择。
用 于PCB的基材品种很多，主要分为两大类：有机类基板材料和无机类基板材料。有机类基板又称为覆铜箔层压板(Copper Clad Laminates, CCL)是制造PCB的主要材料。而无机类基板主要是陶瓷板和瓷釉包覆钢基板。例如我们大量使用的双面板FR-4就是玻璃布基CCL。
选 择基材应考虑以下因素：选择基材应根据PCB的使用条件以及机械、电性能要求；根据PCB结构确定基材的覆铜箔层数(单面、双面或多层板)；根据 PCB尺寸和元器件重量确定基材的厚度；基材参数Tg、CTE及平整度等符合要求；价格因素等。用于SMT工艺的PCB基材有以下要求：
(1) 玻璃化转变温度(Tg)较高。玻璃化转变温度(glass transition temperature, Tg)是聚合物特有的性能，是决定材料性能的临界温度，是选择基板的一个关键参数。环氧树脂的Tg在125~140℃左右，再流焊温度在245℃左右，远 远高于PCB基板的Tg，高温容易造成PCB的热变形，严重时会损坏元件。因此，在选择基材时选择Tg较高的基材，建议Tg在140℃以上。
(2) 热膨胀系数(CTE)低。对于多层板结构的PCB来说，由于X、Y方向(即长、宽方向)和Z方向(即厚度方向)的热膨胀系数不一致，容易造成PCB变形，严重时会造成金属化孔断裂和损坏元件。如图3.2所示。
(3) 耐热性高。通常PCB要经过两次回流，为保证二次贴片的可靠性，必须要求PCB的一次高温后变形要小。T260的推荐值为30分钟以上，T288的推荐值是大于五分钟。
(4) 平整度好。一般PCB所允许的翘曲率在0.75%，对于PCB厚度为1.6mm的基板，上翘曲≤0.5mm，下翘曲≤1.2mm。
(5) 良好的电气性能。由于通信技术向高频化的发展，PCB的高频特性要求也随之提高。频率的增高会引起PCB基材的介电常数(ε)增大，导致电路信号的传输速度下降。其他电气性能指标还有介质损耗角正切、抗电强度、绝缘强度、抗电弧强度等。
3.3、PCB外形尺寸及工艺设计要求。
在PCB设计时，首先要考虑PCB外形尺寸。PCB的外形尺寸过大阻抗会增加，抗噪声能力下降；外形尺寸过小，则散热不好，且邻近线条易受干扰，而且PCB外形尺寸要符合SMT设备的要求。
(1) PCB外形
PCB一般为矩形，最佳长宽比为3:2或4:3，长宽比例较大时容易产生翘曲变形。建议尽量使PCB尺寸标准化，可以简化加工流程，降低加工成本。
(2) PCB尺寸
不 同的SMT设备对PCB尺寸要求不同，在PCB设计时一定要考虑SMT设备的PCB最大和最小贴装尺寸，一般尺寸在 50×50~350×250mm(最新的SMT设备PCB尺寸方面有了较大的提高，例如Universal的Genesis GX最大PCB尺寸达到813×610mm)。
(3) PCB厚度
PCB厚度应考虑对PCB板的机械强度要求以及PCB单位面积上元件的重量，一般在0.3~6mm.。常用的PCB厚度是1.6mm，特大型板可用 2mm，射频用微带板等一般在0.8~1mm。
(4) PCB工艺边
PCB 在SMT生产过程中，是通过轨道传输来完成的，为保证PCB被可靠固定，一般在传输轨道边(长边)预留5mm的尺寸以便于设备夹持，在此范围内不允许贴装 器件。无法预留时，必须增加工艺边。对于某些插件过波峰焊的产品，一般侧边(短边)需要预留3mm的尺寸以便加挡锡条。
(5) PCB定位孔
有 些SMT设备(如贴片机)采用孔定位的方式，为保证PCB能精确的固定在设备夹具上，就要求PCB预留出定位孔。不同的设备对定位孔的要求不同，一般需要 在PCB的左下角和右下角设置一对定位孔，孔径为Φ4mm(也有Φ3mm或Φ5mm的)，孔壁不允许金属化，其中一个定位孔也可以设计成椭圆孔，以便于定 位迅速。一般要求主定位孔与PCB两边的距离为5mm×5mm，调整孔距PCB下边距离为5mm。定位孔周围5mm范围内不允许有贴片元件。定位孔图片如 图3.3a所示。
6) PCB基准识别点(Fiducial Mark)
基 准识别点也称Mark，为SMT组装工艺中的所有步骤提供共同的可测量点，保证了组装使用的每个设备能精确地定位电路图案。因此，Mark点对 SMT生产至关重要。Mark点一般分为整板Mark、拼板Mark、局部识别Mark(脚间距≤0.5mm)，一般规定Mark点中心的标记点为金属铜 箔，直径1.0mm，周围空旷对比区直径3mm，金属铜箔和周围空旷区域的颜色对比要明显。在Φ3mm范围内不允许有丝印、焊盘或V-Cut等。如图 3.3b和3.3c所示。Mark一般位于PCB、元件、拼板的对角位置，一般整板基准MARK点放置3个，分别放在左右下角和一个上角，呈“L”形分 布。Mark点边缘与PCB板边距离至少5mm，如图3.3d所示。
(7) PCB拼板设计
一 般原则：当PCB单板的尺寸<50mm×50mm时，必须做拼板。建议当PCB的尺寸<160mm×120mm时，采用拼板设计，使之转换为 符合生产要求的理想尺寸，以便插件和焊接，提高生产效率和设备利用率。但注意拼板尺寸不要太大，而且要符合设备的要求。拼板之间可以采用V形槽、邮票孔或 冲槽等， 建议同一板只用一种分板方式。如下图3.3e所示：
对部分全表面组装的双面贴片板，可以采用阴阳拼版设计，这样可以使用同一张网板、节省编程换线时间，提高生产效率。但对体积较大、质量较重的器件，限制如下：
A=器件重量/引脚与焊盘接触面积
片式器件：A≤0.075g/mm2
翼形引脚器件：A≤0.300g/mm2
J形引脚器件：A≤0.200g/mm2
面阵列器件：A≤0.100g/mm2
若有超重的器件必须布在BOTTOM面，则应通过试验验证可行性。
(8) 导圆角
直角的PCB在传输时容易产生卡板，为了便于加工，建议PCB板角采用导圆角设计，而且PCB圆角有利于真空包装、运输，避免包装袋刺破、磨损。圆角的半径R一般为2mm~4mm。有特殊要求按结构图表示方法明确标出R大小，以便厂家加工。导圆角设计见图3.3a。
(9) PCB可焊性
按照IPC-6012的要求，条件：245±5℃、时间3~5S，接收标准：上锡面积大于95%。
3.4、元器件的选择
元器件的选择充分考虑产品要求、PCB尺寸、组装工艺、设备加工能力及成本等。
(1) 元器件的外形适合SMT设备贴装，慎选异形器件；
(2) 尽可能选用常规元器件，元器件尺寸、形状应标准化。应考虑各标准之间的差异；
(3) 选用元器件应满足贴片机加工对应的元器件尺寸范围和高度；
(4) 元器件的包装形式适合贴片机自动贴装要求；
目前常见的包装方式有四种：编带(Tape and Reel)、管式(Tube、Stick)、托盘(Tray)、散装(Bulk)。批量生产时，SMD器件的包装尽量选用编带形式。
(5) 元器件焊端或引脚的可焊性要符合要求；
一般应满足以下要求：235℃±5℃，2±0.2s 或230℃±5℃，3±0.5s，在20倍显微镜下检查焊端的沾锡情况，要求元器件焊端90％以上沾锡。
(6) 无铅条件下元器件的耐高温焊接要求；
IPC在最新的标准J-STD-020中，依据封装体的厚度、体积制订了相应的回流焊接峰值温度要求，如表3-4所示。
(7) IC器件选用准则：插装IC已不能适应产品发展，尽量避免选用；Pitch小于0.4mm的SOP/QFP工艺能力可能不足，应慎选；SOJ/PLCC不 便检测和返修，应慎选；LCC/QFN等无引线IC，应尽量避免选用；0.5mm以下BGA国内PCB厂加工能力不足，慎选；COB/FC无加工能力的， 禁止选用。
(未完待续，请关注下期精彩内容)
文章摘自《印制电路资讯》09年3月第二期