談PCB工程設計優(yōu)化

胡定益 柯 勇

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373）

談PCB工程設計優(yōu)化

胡定益 柯 勇

（景旺電子科技（龍川）有限公司，廣東 河源 517373）

通過PCB工程設計優(yōu)化手段，來降低產(chǎn)品制作成本，提高設備效率。重點介紹了如何通過開料拼版設計，提高板料利用率；如何對疊層結構優(yōu)化，減少半固化片的疊層數(shù)量；如何對鉆頭直徑大小設計，提高鉆床設備效率；如何對銑帶程式和R角優(yōu)化，提高銑床設備效率，從而降低了產(chǎn)品制作成本，提高了生產(chǎn)效率。

工程設計優(yōu)化；開料拼版；板料利用率 ；疊層結構；銑帶程式

1 前言

PCB產(chǎn)前工程設計是對客戶工程資料及品質(zhì)要求解讀后，結合工廠的制程能力，進行轉化，設計出不僅滿足客戶質(zhì)量要求，又能適用于工廠的高效率、低成本設計制作指示。PCB產(chǎn)品的工程設計，直接影響到PCB的制作成本。

本文結合我公司的實際情況，重點介紹了如何通過開料拼版設計，提高板料利用率；如何對疊層結構優(yōu)化，減少半固化片的疊層數(shù)量；如何對鉆頭直徑大小設計，提高鉆床設備效率；如何對銑帶程式優(yōu)化，提高銑床設備效率，從而降低了產(chǎn)品制作成本，提高了生產(chǎn)效率。

2 開料拼版設計

開料拼版設計是對生產(chǎn)工作板進行尺寸設計與拼版。在開料拼版設計中關鍵要考慮板料和銅箔的利用率，其次考慮瓶頸生產(chǎn)工序，如真空壓合機、電鍍線的設備利用率。根據(jù)工廠的制程能力，結合板料的尺寸規(guī)格，設計出材料利用率高的開料拼版設計。以下是從板材尺寸選擇和提高板料利用率的拼版方法。

2.1 板材大料尺寸選擇方法

（1）常規(guī)板材尺寸規(guī)格。

（2）常規(guī)板材尺寸的價格比，見表1。

表1 常規(guī)板材尺寸的價格比

（3）特殊板材尺寸。

為降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)設備的利用率，經(jīng)同板材供應商溝通，確定了對現(xiàn)有3種板材：940 mm×1245 mm、1041 mm×1245 mm和1092 mm×1245 mm的長方向1245 mm（49″）加長到1257 mm（49.5″），加長的12.7 mm（0.5″）僅用于夾板邊，不可用于有效單元。

（4）尺寸選擇順序。

對于多層電路板而言，優(yōu)先選擇1092 mm×1245 mm（43″×49″）的板料，其次是1041 mm×1245 mm（41″×49″）板料，最后選擇940 mm×1245 mm（37″×49″) 板料。我公司壓機鋼板尺寸為1143 mm×1295 mm（45″×51″），采用的板材尺寸面積越大，其壓合產(chǎn)能利用就越高，因此銅箔的利用率也就能達到最大化。

2.2 提高板料利用率的拼版方法

2.2.1 板料拼版設計原則

開料的最佳方式為一張大料開4塊工作板，最多不超過7塊工作板。工作拼版數(shù)量越少，生產(chǎn)效率越高，反之，生產(chǎn)效率越低。開料的工作板數(shù)量多，搬運次數(shù)就越多，真空壓機和自動電鍍線設備利用率就低，同時增加了生產(chǎn)物料和水電消耗。為使板料充分利用，在拼版設計中，應遵循以下原則：

（1）采用無間距拼版、混排拼版、回形拼版、倒扣拼版四種排版方式。

（2）通過開A板和B板兩種大小工作板的排版的方式。

（3）導入特殊加長板料尺寸，以減少工作板數(shù)量，940 mm×1257 mm（37″×49.5″），1041 mm×1257 mm（41″×49.5″），1092 mm×1257 mm（43″×49.5″）。

（4）同客戶溝通，調(diào)整工藝邊達到更改出貨尺寸，尋求有利拼版尺寸,提高板料利用率。

2.2.2 提高板料利用率的拼版方法

提高板料利用率的拼版方法主要有四種方式：無間距拼版、混排拼版、回形拼版、倒扣拼版。我公司經(jīng)采用此四種排版方式比常規(guī)排版方式的板料利用率提高了8%~15%。

（1）無間距拼版。

①無間距拼版的基本理解

無間距拼版是去除成品單元間的間距，如圖1所示，成品單元與成品單元之間緊密排列，無廢工藝邊料，來提高板料利用率的方法。

圖1 無間距拼版方式

② 案例介紹

從圖2可見， 開料使用1041 mm×1257 mm（41″×49.5″）的板料，采用無間距拼版開料，板料利用率可達到90.84%。按照常規(guī)的開料方式，板料利用率僅為75.70%。使用無間距排版板料利用率提高了15%，因此材料成本明顯降低。

1041 mm×1257 mm（41″×49.5″）的板料開4塊工作大板，1塊工作大板的尺寸設計628 mm×502 mm，從而使板料充分利用。從圖3分析，按照無間距拼版方式，1塊工作大板拼版設計9塊成品板，成品板單元尺寸設計為160 mm×204.40 mm，由此計算出無間距拼版方式的板料利用率為90.84%

圖2

（2）混排拼版。

①混排拼版的的基本理解

混排拼版是利用旋轉拼版的方式來提高板料利用率的方法，如圖3所示。

圖3 混排拼版方式

②混排拼版案例介紹

開料使用940 mm×1257 mm（37″×49.5″）的板料采用混排拼版，板料利用率達到88.20%；按照常規(guī)的開料方式，板料利用率僅為80.41%，經(jīng)使用混排版方式板料利用率提高了8%。

圖4

從圖4得知，940 mm×1257 mm（37″×49.5″）的板料開4塊工作大板，1塊工作大板的尺寸設計628 mm×470 mm，從而使板料充分利用。從圖6分析，按照混排拼版方式，1塊工作大板拼版設計3塊成品板，成品板交貨尺寸設計為386 mm×225 mm，由此計算出混排拼版方式的板料利用率為88.20%。

（3）回形拼版。

①回形拼版的基本理解

回形拼版是相對復雜的一種拼版方法，主要是產(chǎn)前設計中如何最大化提高板料的利用率，減少板料的每處空隙浪費，如圖5所示。筆者結合工程設計實際應用案例，將回形拼版命名為“單回形拼版”和“多回形拼版”兩種方式。單回形拼版方式具有代表設計案例如圖5所示，多回形拼版方式在設計應用中概括主要三種類型，如圖6之a(chǎn)、b、c所示。

②回形拼版案例介紹

開料使用940 mm×1245 mm（37″×49″）的板料采用回形拼版開料，板料利用率達到88.20%，按照常規(guī)的開料方式，板料利用率為80.98%，使用回形拼版方式板料利用率可提高了8%。

圖6 多回形拼版

從圖7得知，1092 mm×1245 mm（43″×49″）的板料開料成4塊工作大板，1塊工作大板的尺寸設計614 mm×546 mm，從而使板料充分利用。從圖10分析，按照回形拼版方式，1塊工作大板拼版設計為6塊成品板，成品板交貨尺寸設計為154 mm×213 mm，由此計算出回形拼版方式的板料利用率為88.20%。

圖7

（4）倒扣拼板

①倒扣拼板的基本概念

倒扣拼版是一種比回形拼版更為復雜的拼版方式，這種方式是結合回形拼版一種綜合拼版方式，通常是在倒扣拼版中嵌套回形拼版方式，從而使板料充分利用，如圖8所示。

圖8 倒扣拼版方式

常見的倒扣拼版一般有兩種情況：圖9（a）是SET （成品單元）外形設計成“L形”相互倒扣，筆者定義為“L形相互倒扣拼版”；圖9（b）是SET（成品單元）外形設計成“T形”相互倒扣，筆者定義為“T形相互倒扣拼版”。

圖9

②倒扣拼版案例介紹

開料使用940 mm×1245 mm（37″×49″）的板材采用倒扣拼版，板料利用率可提高到95.08%。若按常規(guī)的開料方式，板料利用率僅為79.86%。使用倒扣排版板料利用率提高了15%，板料成本節(jié)約明顯。

從圖10（a）得知，將940 mm×1245 mm（37″×49″）的大料開料“一分為四”，1塊工作大板的尺寸設計622 mm×470 mm，使板料充分利用。從圖10（b）分析，按照倒扣拼版方式，1塊工作大板拼版設計48塊成品板，成品板單元尺寸設計為201.39 mm×52.7 mm，由此計算出倒扣拼版方式的板料利用率為95.08%。圖11（a）是按常規(guī)順方向排版圖，圖11（b）是成品出貨板外形相互倒扣排版圖，通過倒扣排版設計，使板料得到充分利用。

圖10

圖11

3 疊層結構設計

3.1 疊構結構設計原則

在材料成本精益設計時，應考慮以下原則：

（1）疊層結構經(jīng)濟性。層與層之間盡量使用單張半固化片，優(yōu)先選擇樹脂含量較高的半固化片。常用半固化片的優(yōu)先選擇順序，如7628H＞7628＞2116H＞2116＞2113＞1506＞1080＞106。

（2）六層電路板和六層電路板以上需盡量減少大面積的無銅區(qū)。板邊銑空區(qū)增加銅面，減少無銅區(qū)，單元內(nèi)獨立區(qū)域的無功能焊盤不取消，減少無銅區(qū)；建議客戶增加無功能焊盤在無銅區(qū)位置。

圖12~圖14是疊層結構優(yōu)化前后對比圖，可大量節(jié)省半固化片的張數(shù)。在滿足客戶品質(zhì)的前提下，每種疊層結構優(yōu)化后，每平方米訂單節(jié)省2~4張半固化片。

圖12

注1：上述四層板結構，原始設計4張2116的固化片，優(yōu)化后設計2張7628固化片，每平方米節(jié)省2張固化片。

圖13

注2：上述六層板結構，原始設計6張固化片，優(yōu)化后設計3張固化片，每平方米節(jié)省3張固化片。

圖14

上述八層板結構，原始設計6張固化片，優(yōu)化后設計4張固化片，每平方米節(jié)省2張固化片。

4 鉆孔設計

4.1 最小鉆頭直徑設計對鉆床設備效率的影響

在PCB制造中，最小鉆頭的直徑?jīng)Q定了鉆床的主要設備效率。當鉆頭直徑設計有空間預大時,則在客戶成品孔徑的基礎上，根據(jù)工廠制程能力對鉆孔直徑預大補償。一般機械鉆孔設計時盡量避免使用0.20 mm或0.25 mm的鉆頭，以提高鉆床設備效率。

結合鉆孔疊板參數(shù)，如表2，對比分析0.25 mm鉆頭和0.3 mm鉆頭，對鉆床設備效率的影響。

（1）當板厚在0.4≤T＜0.6mm，使用0.25 mm鉆頭，最大疊板5塊，使用0.30 mm鉆頭，最大疊板8塊；

（2）當板厚在0.6≤T＜0.8 mm，使用0.25 mm鉆頭,最大疊板4塊，使用0.30 mm鉆頭，最大疊板6塊；

（3）當板厚在0.8≤T＜1.1 mm，使用0.25 mm鉆頭,最大疊板3塊，使用0.30 mm鉆頭，最大疊板4塊；

（4）當板厚在1.1≤T＜1.3mm，使用0.25 mm鉆頭，最大疊板2塊，使用0.30 mm鉆頭，最大疊板4塊；

（5）當板厚在1.3≤T＜1.7 mm，使用0.25 mm鉆頭，最大疊板2塊，使用0.30 mm鉆頭，最大疊板3塊。

從鉆孔疊板數(shù)據(jù)對比分析，若將0.25 mm鉆頭改為0.30 mm鉆頭，鉆孔的平均疊板數(shù)可提高約1.6倍，因此鉆機的設備效率就明顯提高了。

表2 鉆孔疊板參數(shù)表

4.2 最小鉆頭對加工成本的影響

在鉆孔工程設計允許的條件下，盡量將最小鉆頭直徑提高一個等級，如0.20 mm的鉆頭直徑提高0.25 mm，0.25 mm的鉆頭直徑提高0.30 mm，以降低鉆孔制作成本。在設計中如何降低鉆孔的成本，一般可從以下幾方面考慮：

（1）盡量加大最小鉆頭直徑，避免使用0.20 mm或0.25 mm的鉆頭。

（2）一般客戶原稿大銅面上的鉆孔設計，主要起散熱作用。同客戶溝通，建議客戶加大鉆頭直徑達到散熱效果，減少大銅面上的鉆孔數(shù)量，從而達到鉆孔成本的降低。

（3）非電鍍孔的槽孔在滿足客戶公差的情況下改用銑床銑出或沖床沖出。

（4）板外的輔孔距離與數(shù)量要適當。

（5）減少二次鉆孔，降低鉆孔成本。

表3是鉆頭大小對應加工價格參考表。當板厚在0.40 mm ~ 0.80 mm，最小鉆頭直徑為0.25 mm，1 000個孔的鉆孔加工成本為1.40元；當鉆頭直徑為0.30 mm時，1000個孔的鉆孔加工成本為1.40元。由此可知，0.25 mm的鉆頭加工成本比0.30 mm的鉆頭加工成本提高了約一倍。

5 外層線路設計

在PCB電鍍加工中，外層圖形分布與工程產(chǎn)前設計對電鍍加工成本影響較大。外層圖形設計可從以下因素考慮：

（1）根據(jù)生產(chǎn)設備能力情況，優(yōu)化工藝板邊設計。PCB工藝邊太寬或不合理，將增加電鍍的加工成本。

（2）在圖形電鍍分布不受影響的前提下，輔助銅塊面積盡量減少，降低受鍍面積。

（3）同客戶溝通，建議將圖形大銅面設計更改為網(wǎng)格，以減少圖形電鍍面積。

6 銑板加工設計

目前PCB的成型方式主要是模具沖切和CNC銑板兩種工藝。模具沖切優(yōu)點是生產(chǎn)效率高且成本低，但缺點是板邊粗糙、毛刺大?？蛻舳嗽赟MT表面貼裝時，容易出現(xiàn)PCB毛剌導致焊接不良等品質(zhì)問題，因此高密度多層板的沖切工藝已被眾多客戶淘汰。CNC銑板工藝優(yōu)點是板邊光滑、無毛刺，缺點是生產(chǎn)效率較低，加工成本大，加上銑床設備投入高，導致CNC銑板加工成為PCB制造產(chǎn)能瓶頸。

表3 鉆頭大小對應加工價格參考表

以下對銑帶程式優(yōu)化設計做了重點介紹。通過“銑外形廢料田字方法”降低了銑程，以及改變銑刀大小的方法增加銑板疊數(shù)，提高了銑床設備效率，減少了加工成本，以緩解銑床工序的生產(chǎn)壓力。

6.1 銑板工程設計基本概要

PCB工程設計的銑程長短是影響銑板加工效率的關鍵因素。在CNC銑板程式中銑程主要分為兩種：粗銑加工與精銑加工。

（1）粗銑加工。是指將多余的廢料先銑掉，常規(guī)保留單邊0.10 mm的廢料余量。由于在銑廢料時銑刀的阻力較大，所以行進速度較慢，粗銑加工的行進速度是精銑加工的40%~50%，因此粗銑加工銑程是導致銑板加工周期長的主要原因。

（2）精銑加工。是指在銑掉廢料的情況下進行修邊，銑出客戶所要求的形狀。精銑加工只是修邊，銑刀的阻力相對小，所以行進速度較快。

（3）銑板疊數(shù)。因不同大小的銑刀韌長不一樣，在生產(chǎn)中受銑刀韌長特性的影響，若使用較小的銑刀，銑板的疊數(shù)對應減少。

（4）銑機暫停時間：銑機在生產(chǎn)過程中，受一些廢料邊料的影響或機器異常、刀具檢測異常等問題，需暫停機器處理；如粗銑加后板邊廢料已脫離，在銑帶程式上加M09，設定機器暫停程式的運行，將廢料手動撿走，防止精銑加工時造成斷刀。

6.2 銑板工程設計優(yōu)化

對CNC銑板效率的影響因素分析后，在工程設計時應從銑帶程式和銑板疊板參數(shù)進行優(yōu)化。

（1）減少廢料銑程周長的銑帶程式優(yōu)化：銑外形廢料田字法。

①原銑外形廢料制作方法：成品的外形粗銑與精修采用同樣的方法單獨轉圈銑出，在銑板時的銑程是成品尺寸的實際周長，如圖15所示。

圖15 紅色標示為銑刀的走向

②更改后的銑外形廢料制作方法：在粗銑時不需特別管控尺寸的精度，距成型保留邊0.05 mm ~0.10 mm的廢料余量，根據(jù)此特點，可從兩方面更改：（1）在MI開料排版制作時，將成品單元間的距離調(diào)整為一樣的間距，成品單元間X軸與Y軸方向都需水平或垂直對齊；（2）在制作銑帶時，整板采用田字形的方法走刀設計銑出，如圖16所示。

圖16 紅色標示為銑刀的走向

（2）工程設計參數(shù)應用。

①MI排版時單元間距必須一致，間距控制在1.60 mm ~ 2.00 mm之間。

②制作銑帶時，銑刀直徑選用1.50 mm ~ 2.00 mm，如排版間距為2.00 mm，銑刀直徑選用1.80 mm，以保留單邊0.05 mm ~ 0.10 mm公差余量，銑刀中心在單元間距中間下刀銑出，外圍則采用整體轉圈銑出。

③成品外形是正四邊形，防止廢料余量不一致，在精銑時產(chǎn)生燒板與斷刀。

④有較大的板邊倒角，角尖廢料大于銑刀一半時，需單獨將角銑出，防止精修時斷刀或倒角不平等情況。

（3）廢料銑程優(yōu)化前后比較：

選用生產(chǎn)在線板三款為試驗對象，分別生產(chǎn)1 000塊板，每塊銑板時長20 min，料號如下：

①料號502LI0445373拼版間距為2.00 mm，銑刀為1.80 mm，行進刀速1.30 m/min；

②料號479LP0244989拼版間距為2.00 mm，銑刀為1.80 mm，行進刀速1.30 m/min ；

③料號136LP0444898拼版間距為1.60 mm，銑刀為1.50 mm，行進刀速1.10 m/min 。

經(jīng)統(tǒng)計一臺銑床的設備效率，在四個軸同時運行的情況下，原用時3750 min，優(yōu)化后用時3336 min，節(jié)省時間414 min，銑板加工效率比優(yōu)化前提高了11%。

表4 廢料銑程優(yōu)化前后對比表

6.3 銑板疊數(shù)

通過改變銑刀大小，可增加銑板疊數(shù)，有效提高了銑板加工效率?！皟?nèi)R角鉆孔法”，在實際生產(chǎn)中，除槽孔的大小決定銑刀直徑外，一些有內(nèi)R角要求的PCB板，為達到內(nèi)R角要求，同樣需選用對應的銑刀銑出內(nèi)角，如小于R0.80 mm的內(nèi)角，采用小銑刀修角。

銑刀的特性是越小的銑刀，韌長則越短，因此使用小銑刀將會較大程度上影響銑板疊數(shù)。為提高大銑刀在銑板加工中的使用比例，結合我公司使用情況，進行鑼帶優(yōu)化設計。表5為我公司銑板疊數(shù)。當內(nèi)R角為0.50 mm，應選用1.00 mm銑刀直徑銑出內(nèi)角。內(nèi)R角采用鉆孔時鉆出，銑帶制作時選用1.50 mm的銑刀制作，如圖17所示。

表5 銑板疊數(shù)

圖17 紅色標示為鉆出的輔孔

（1）工程設計參數(shù)應用

①內(nèi)R角＜0.80 mm，需用1.00 mm的銑刀；R角≥0.80 mm，可直接用1.60 mm以上的大鑼刀生產(chǎn)，對最小銑板疊數(shù)不受影響。

②MI制作時要求在一鉆時鉆出，盡量避免二次鉆孔。

③鉆頭直徑需加大0.10 mm，并切入成形單元邊0.05 mm，如R角等于0.50 mm，鉆孔時需用1.10 mm的鉆頭，并單邊切入成形邊0.05 mm。

④銑帶制作時選用1.50 mm銑刀制作。

（2）優(yōu)化前后比較：

①優(yōu)化前：內(nèi)R角＜0.80 mm，需用1.00 mm的銑刀，生產(chǎn)時單軸每趟板只能疊3塊板。

②優(yōu)化后：R角已鉆出，選用1.50 mm銑刀制作，生產(chǎn)時單軸每趟板疊4塊板，比更改前多銑1塊板；

以我公司生產(chǎn)料號004LE0446249為例，共有1 000塊板，板內(nèi)R角要求為0.50 mm，更改前修角時需用最小刀徑1.00 mm生產(chǎn)，優(yōu)化后采用1.50 mm刀徑直接銑出，每塊銑板時間為30 min。

表6 銑板加工時間對比表

采用內(nèi)R角鉆孔時鉆出，比優(yōu)化前每臺設備每趟板多加工16-12=4塊板，如1000塊板在優(yōu)化后生產(chǎn)，可減少銑板次數(shù)21趟板，節(jié)省銑板加工時間630 min，在內(nèi)R角采用鉆孔要求的訂單中銑板加工效率提高了約25%。

7 結語

產(chǎn)前工程設計優(yōu)化，直接影響到PCB制作成本和生產(chǎn)效率。本文結合我公司的實際情況，重點介紹了如何通過開料拼版、疊層結構、銑帶程式等工程設計優(yōu)化案例，來降低PCB制作成本，提高瓶頸設備效率。由于產(chǎn)品類型、原材料、生產(chǎn)設備等差異，各企業(yè)需要根據(jù)自身情況制定適合的工程設計規(guī)范并合理應用。筆者結合親身實踐，總結出一些改善案例，供同行參考。

Talk about PCB engineering design optimization

HU Ding-yi KE Yong

This paper introduces the design optimization by means of PCB engineering to reduce product manufacturing costs and to improve equipment eff i ciency. It focuses on how the imposition by a material designed to improve the utilization of sheet metal; how to optimize the laminate structure, reduce the number of stacked prepreg; how to drill diameter size designed to improve the eff i ciency of drilling equipment; How to milling and R angle with the program optimized to improve the eff i ciency of milling equipment, thus reducing product production costs and improving production eff i ciency.

Engineering Design Optimization; Imposition is Expected to Open; Sheet Utilization;Laminated Structure; Milling with Program

TN41 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A文章編號：

1009-0096（2014）06-0013-07

胡定益，工程部高級主管，主要負責MI設計和CAM設計管理。