面向電子裝聯(lián)的PCB可制造性設(shè)計

1、前言

　　隨著通信﹑電子類產(chǎn)品的市場競爭不斷加劇，產(chǎn)品的生命周期在不斷縮短，企業(yè)原有產(chǎn)品的升級及新產(chǎn)品的投放速度對該企業(yè)的生存和發(fā)展起到越來越關(guān)鍵的作用。而在制造環(huán)節(jié)，如何在生產(chǎn)中用更少的導(dǎo)入時間獲得更高可制造性和制造質(zhì)量的新產(chǎn)品越來越成為有識之士所追求的核心競爭力。

　　在電子產(chǎn)品的制造中，隨著產(chǎn)品的微型化﹑復(fù)雜化，電路板的組裝密度越來越高，相應(yīng)產(chǎn)生并獲得廣泛使用的新一代SMT裝聯(lián)工藝，要求設(shè)計者在一開始，就必須考慮到可制造性。一旦在設(shè)計時考慮不周導(dǎo)致可制造性差，勢必要修改設(shè)計，必然會延長產(chǎn)品的導(dǎo)入時間和增加導(dǎo)入成本，即使對PCB布局進(jìn)行微小的改動，重新制做印制板和SMT焊膏印刷網(wǎng)板的費用高達(dá)數(shù)千甚至上萬元以上，對模擬電路甚至要重新進(jìn)行調(diào)試。而延誤了導(dǎo)入時間可能使企業(yè)在市場上錯失良機(jī)，在戰(zhàn)略上處于非常不利的位置。但如果不進(jìn)行修改而勉強(qiáng)生產(chǎn)，必然使產(chǎn)品存在制造缺陷，或使制造成本猛增，所付出的代價將更大。所以，在企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品設(shè)計時，越早考慮設(shè)計的可制造性問題，越有利于新產(chǎn)品的有效導(dǎo)入。

　　2、PCB設(shè)計時考慮的內(nèi)容

　　PCB設(shè)計的可制造性分為兩類，一是指生產(chǎn)印制電路板的加工工藝性；二是指電路及結(jié)構(gòu)上的元器件和印制電路板的裝聯(lián)工藝性。對生產(chǎn)印制電路板的加工工藝性，一般的PCB制作廠家，由于受其制造能力的影響，會非常詳細(xì)的給設(shè)計人員提供相關(guān)的要求，在實際中相對應(yīng)用情況較好，而根據(jù)筆者的了解，真正在實際中沒有受到足夠重視的，是第二類，即面向電子裝聯(lián)的可制造性設(shè)計。本文的重點也在于描述在PCB設(shè)計的階段，設(shè)計者必需考慮的可制造性問題。

　　面向電子裝聯(lián)的可制造性設(shè)計要求PCB設(shè)計者在設(shè)計PCB的初期就考慮以下內(nèi)容：

　　2.1 恰當(dāng)?shù)倪x擇組裝方式及元件布局

　　組裝方式的選擇及元件布局是PCB可制造性一個非常重要的方面，對裝聯(lián)效率及成本﹑產(chǎn)品質(zhì)量影響極大，而實際上筆者接觸過相當(dāng)多的PCB，在一些很基本的原則方面考慮也尚有欠缺。

　　(1) 選擇合適的組裝方式

　　通常針對PCB不同的裝聯(lián)密度，推薦的組裝方式有以下幾種：

　　表1  推薦的組裝方式

　　作為一名電路設(shè)計工程師，應(yīng)該對所設(shè)計PCB的裝聯(lián)工序流程有一個正確的認(rèn)識，這樣就可以避免犯一些原則性的錯誤。在選擇組裝方式時，除考慮PCB的組裝密度，布線的難易外，必須還要根據(jù)此組裝方式的典型工藝流程，考慮到企業(yè)本身的工藝設(shè)備水平。倘若本企業(yè)沒有較好的波峰焊接工藝，那么選擇上表中的第五種組裝方式可能會給自己帶來很大的麻煩。另外值得注意的一點是，若計劃對焊接面實施波峰焊接工藝，應(yīng)避免焊接面上布置有少數(shù)幾個SMD而造成工藝復(fù)雜化。

　　(2) 元器件布局

　　PCB上元器件的布局對生產(chǎn)效率和成本有相當(dāng)重要的影響，是衡量PCB設(shè)計的可裝聯(lián)性的重要指標(biāo)。一般來講，元器件盡可能均勻地、有規(guī)則地、整齊排列，并按相同方向、極性分布排列。有規(guī)則的排列方便檢查，有利于提高貼片/插件速度，均勻分布利于散熱和焊接工藝的優(yōu)化。另一方面，為簡化工藝流程，PCB設(shè)計者始終都要清楚，在PCB的任一面，只能采用回流焊接和波峰焊接中的一種群焊工藝。這點在組裝密度較大、PCB的焊接面必須分布較多貼片元器件時，尤其值得注意。設(shè)計者要考慮對焊接面上的貼裝元件使用何種群焊工藝，最為優(yōu)選的是使用貼片固化后的波峰焊工藝，可以同時對元件面上的穿孔器件的引腳進(jìn)行焊接；但波峰焊接貼片元件有相對嚴(yán)格的約束，只能焊接0603及以上尺寸的片式阻容﹑SOT﹑SOIC（引腳間距≥1mm且高度小于2.0mm）。分布在焊接面的元器件，引腳的方向宜垂直于波峰焊接時PCB的傳送方向，以保證元器件兩邊的焊端或引線同時被浸焊，相鄰元件間的排列次序和間距也應(yīng)滿足波峰焊接的要求以避免“遮蔽效應(yīng)”，如圖1。當(dāng)采用波峰焊接SOIC等多腳元件時，應(yīng)于錫流方向最后兩個（每邊各1）焊腳處設(shè)置竊錫焊盤，防止連焊。

　　圖1 波峰焊接應(yīng)用中的元件方向

　　類型相似的元件應(yīng)該以相同的方向排列在板上，使得元件的貼裝、檢查和焊接更容易。例如使所有徑向電容的負(fù)極朝向板件的右面，使所有雙列直插封裝(DIP)的缺口標(biāo)記面向同一方向等等，這樣可以加快插裝的速度并更易于發(fā)現(xiàn)錯誤。如圖2所示，由于A板采用了這種方法，所以能很容易地找到反向電容器，而B板查找則需要用較多時間。實際上一個公司可以對其制造的所有線路板元件方向進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，某些板子的布局可能不一定允許這樣做，但這應(yīng)該是一個努力的方向。

　　圖2 A板設(shè)計很容易找到反向電容器

　　還有，相似的元件類型應(yīng)該盡可能接地在一起，所有元件的第一腳在同一個方向，如圖3所示。

　　圖3 相似元件的排列

　　但筆者確實遇見過相當(dāng)多的PCB，組裝密度過大，在PCB的焊接面也必須分布鉭電容﹑貼片電感等較高元件和細(xì)間距的SOIC﹑TSOP等器件，在此種情況下，只能采用雙面印刷焊膏貼片后回流焊接，而插件元件，應(yīng)該在元件分布的盡可能集中，以適應(yīng)手工焊接，另一種可能就是元件面的穿孔元件應(yīng)盡可能分布在幾條主要的直線上，以適應(yīng)最新的選擇性波峰焊接工藝，可以避免手工焊接而提高效率，并保證焊接質(zhì)量。離散的焊點分布是選擇性波峰焊接的大忌，會成倍增加加工時間。

　　在印制板文件中對元器件的位置進(jìn)行調(diào)整時，一定要注意元件和絲印符號一一對應(yīng)，若移動了元件而沒有相應(yīng)的移動該元件旁的絲印符號，將成為制造中的重大質(zhì)量隱患，因為在實際生產(chǎn)中，絲印符號是具有指導(dǎo)生產(chǎn)作用的行業(yè)語言。

　　2.2 PCB上必須布置有用于自動化生產(chǎn)做必需的夾持邊﹑定位標(biāo)記﹑工藝定位孔。

　　目前電子裝聯(lián)是自動化程度最高的行業(yè)之一，生產(chǎn)所使用的自動化設(shè)備均要求自動傳送PCB，這樣便要求在PCB的傳送方向（一般為長邊方向）上，上下各有一條不小于3-5mm寬的夾持邊，以利于自動傳送，避免靠近板子邊緣的元器件由于夾持無法自動裝聯(lián)。

　　定位標(biāo)記的作用在于對于目前廣泛使用光學(xué)定位的裝聯(lián)設(shè)備，需要PCB提供至少兩到三個定位標(biāo)記，以供光學(xué)識別系統(tǒng)對PCB進(jìn)行準(zhǔn)確定位并校正PCB的加工誤差。通常所使用的定位標(biāo)記中，有兩個標(biāo)記必須分布在PCB的對角線上。定位標(biāo)記的選擇一般使用實心圓焊盤等標(biāo)準(zhǔn)圖形，為便于識別，在標(biāo)記周圍應(yīng)該有一塊沒有其它電路特征或標(biāo)記的空曠區(qū)，尺寸最好不小于標(biāo)記的直徑（如圖4），標(biāo)記距離板子邊緣應(yīng)在5mm以上。

　　圖4 推薦的標(biāo)記空曠區(qū)設(shè)計

　　在PCB自身的制造中，以及在裝聯(lián)中的半自動插件﹑ICT測試等工序，需要PCB在邊角部位提供兩到三個定位孔。

　　2.3 合理使用拼板以提高生產(chǎn)效率和柔性。

　　在對外形尺寸較小或外形不規(guī)則的PCB進(jìn)行裝聯(lián)時，會受到很多限制，所以一般采用拼板的方式來使幾個小的PCB拼接成合適尺寸的PCB進(jìn)行裝聯(lián)，如圖5。一般單邊尺寸小于150mm的PCB，都可以考慮采用拼板方式，通過兩拼﹑三拼﹑四拼等，將大PCB的尺寸拼至合適的加工范圍，通常寬150mm~250mm，長250mm~350mm的PCB是自動化裝聯(lián)中比較合適的尺寸。

　　圖5 拼板設(shè)計可提高生產(chǎn)效率

　　另外一種拼板方式是將雙面都布置有SMD的PCB一正一反的拼成一個大板，這樣的拼板俗稱陰陽拼，一般是出于節(jié)約網(wǎng)板費用的考慮，即通過這樣的拼板，原來需要兩面網(wǎng)板，現(xiàn)在只需要開一面網(wǎng)板即可。另外技術(shù)人員在編制貼片機(jī)運行程序時，采用陰陽拼的PCB編程效率也更高。

　　拼板時子板之間的連接可以采用雙面對刻V型槽﹑長槽孔加圓孔等方式，但設(shè)計時一定要考慮盡可能使分離線在一條直線上，以利于最后的分板，同時還要考慮分離邊不可離PCB走線過近，而使分板時容易損傷PCB。

　　還有一種非常經(jīng)濟(jì)的拼板，并不是指的對PCB進(jìn)行拼板，而是對網(wǎng)板的網(wǎng)孔圖形進(jìn)行拼板。隨著全自動焊膏印刷機(jī)的應(yīng)用，目前較為先進(jìn)的印刷機(jī)（比如DEK265）已經(jīng)允許在尺寸為790×790mm的鋼網(wǎng)上，開設(shè)多面PCB的網(wǎng)孔圖形，可以做到一片鋼網(wǎng)用于多個產(chǎn)品的印刷，是一種非常節(jié)約成本的做法，尤其適合于產(chǎn)品特點為小批量多品種的廠家。

　　2.4 可測性設(shè)計的考慮

　　SMT的可測性設(shè)計主要是針對目前ICT裝備情況。將后期產(chǎn)品制造的測試問題在電路和表面安裝印制板SMB設(shè)計時就考慮進(jìn)去。提高可測性設(shè)計要考慮工藝設(shè)計和電氣設(shè)計兩個方面的要求。

　　2.4.1 工藝設(shè)計的要求

　　定位的精度、基板制造程序、基板的大小、探針的類型都是影響探測可靠性的因素。

　　(1) 精確的定位孔。在基板上設(shè)定精確的定位孔，定位孔誤差應(yīng)在±0.05mm以內(nèi)，至少設(shè)置兩個定位孔，且距離愈遠(yuǎn)愈好。采用非金屬化的定位孔，以減少焊錫鍍層的增厚而不能達(dá)到公差要求。如基板是整片制造后再分開測試，則定位孔就必須設(shè)在主板及各單獨的基板上。

　　(2) 測試點的直徑不小于0.4mm，相鄰測試點的間距最好在2.54mm以上，不要小于1.27mm。

　　(3) 在測試面不能放置高度超過*mm的元器件，過高的元器件將引起在線測試夾具探針對測試點的接觸不良。

　　(4) 最好將測試點放置在元器件周圍1.0mm以外，避免探針和元器件撞擊損傷。定位孔環(huán)狀周圍3.2mm以內(nèi)，不可有元器件或測試點。

　　(5) 測試點不可設(shè)置在PCB邊緣5mm的范圍內(nèi)，這5mm的空間用以保證夾具夾持。通常在輸送帶式的生產(chǎn)設(shè)備與SMT設(shè)備中也要求有同樣的工藝邊。

　　(6) 所有探測點最好鍍錫或選用質(zhì)地較軟、易貫穿、不易氧化的金屬傳導(dǎo)物，以保證可靠接觸，延長探針的使用壽命。

　　(7) 測試點不可被阻焊劑或文字油墨覆蓋，否則將會縮小測試點的接觸面積，降低測試的可靠性。

　　2.4.2 電氣設(shè)計的要求

　　(1) 要求盡量將元件面的SMC/SMD的測試點通過過孔引到焊接面，過孔直徑應(yīng)大于1mm。這樣可使在線測試采用單面針床來進(jìn)行測試，從而降低了在線測試成本。

　　(2) 每個電氣節(jié)點都必須有一個測試點，每個IC必須有POWER及GROUND的測試點，且盡可能接近此元器件，最好在距離IC 2.54mm范圍內(nèi)。

　　(3) 在電路的走線上設(shè)置測試點時，可將其寬度放大到40mil 寬。

　　(4) 將測試點均衡地分布在印制板上。如果探針集中在某一區(qū)域時，較高的壓力會使待測板或針床變形，進(jìn)一步造成部分探針不能接觸到測試點。

　　(5) 電路板上的供電線路應(yīng)分區(qū)域設(shè)置測試斷點，以便于電源去耦電容或電路板上的其它元器件出現(xiàn)對電源短路時，查找故障點更為快捷準(zhǔn)確。設(shè)計斷點時，應(yīng)考慮恢復(fù)測試斷點后的功率承載能力。

　　圖6所示為測試點設(shè)計的一個示例。通過延伸線在元器件引線附近設(shè)置測試焊盤或利用過孔焊盤測試節(jié)點，測試節(jié)點嚴(yán)禁選在元器件的焊點上，這種測試可能使虛焊節(jié)點在探針壓力作用下擠壓到理想位置，從而使虛焊故障被掩蓋，發(fā)生所謂的“故障遮蔽效應(yīng)”。由于探針因定位誤差引起的偏晃，可能使探針直接作用于元器件的端點或引腳上而造成元器件損壞。

　　圖6 測試點設(shè)計示例

　　3、結(jié)束語

　　以上是一些PCB設(shè)計時應(yīng)考慮的主要原則，在面向電子裝聯(lián)的PCB可制造性設(shè)計中，還有相當(dāng)多的細(xì)節(jié)要求，比如合理的安排與結(jié)構(gòu)件的配合空間﹑合理的分布絲印的圖形和文字﹑恰當(dāng)分布較重或發(fā)熱較大的器件的位置，在合適的位置設(shè)置測試點和測試空間﹑考慮在使用拉鉚﹑壓鉚工藝安裝聯(lián)接器等器件時，工模具與附近所分布元件的干涉等等，都是在PCB的設(shè)計階段所應(yīng)該考慮的問題。一個優(yōu)秀的PCB設(shè)計者，不但要考慮如何獲得良好的電性能和美觀布局，還有同樣重要的一點那就是PCB設(shè)計中的可制造性，以求高質(zhì)量、高效率、低成本。