聲納PCB設計中的工藝改進

俞葉萍，　尹凱華

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

聲納PCB設計中的工藝改進

俞葉萍，尹凱華

(上海船舶運輸科學研究所 艦船自動化分所， 上海 200135)

摘要:在聲納電路板試制過程中由于印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)設計中對可生產(chǎn)性工藝參數(shù)和工藝結構的缺失或不盡合理,將導致在印制電路板制造和再流焊時產(chǎn)生諸多質量問題。通過分析電路板生產(chǎn)中以及印制電路板制造和再流焊工藝中存在的問題，提出了PCB設計中相關可生產(chǎn)性工藝的設計與改進。該設計與改進大大提高了成品電路板的合格率及生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

關鍵詞:聲納； 印制電路板制造； 再流焊； 可生產(chǎn)性工藝

0引言

印制電路板是實現(xiàn)聲納整機性能的關鍵部件，主要集中在聲納頭的電子艙中。由于電子艙空間小、結構緊湊且電路復雜程度較高，印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)設計采用了多層雙面表貼布板以及細間距多引腳板對板的模塊化連接方式。在試制生產(chǎn)中，PCB設計對可生產(chǎn)性工藝參數(shù)和工藝結構設計的缺失與不合理，導致在制造和再流焊印制電路板時遇到了多層板壓合后曲翹、無法在貼片機上傳輸、貼裝時管腳連錫等諸多質量問題，使得成品電路板合格率較低，不僅增加了生產(chǎn)成本，而且直接影響了整機技術指標的實現(xiàn)。為解決這些生產(chǎn)中的問題，對印制電路板的制造和再流焊工藝進行深入研究，并結合電路板生產(chǎn)廠家實際的生產(chǎn)設備對聲納PCB設計中相關可生產(chǎn)性參數(shù)和工藝做進一步改進和設計。在批量生產(chǎn)中，成品電路板合格率達到100%，極大地提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

1印制電路板試制生產(chǎn)中遇到的問題

1.1制造過程中遇到的問題

制造印制電路板過程中遇到的問題主要集中在接收板上。接收板為6層板，且信號層和內電層之間有大量的過孔、盲孔和半盲孔，制造過程中PCB設計時內層走線及散熱環(huán)設計的不合理導致了以下問題：

(1) 內部信號層走線偏集中且分布不均勻，部分區(qū)域較空曠，多層板壓合后會因殘膠不足而發(fā)生曲翹或爆板；

(2) 內電層散熱環(huán)之間穿插相連，且多處與焊盤重疊，鉆孔后導致散熱環(huán)殘缺，焊盤與銅膜連接不可靠。

1.2再流焊加工過程中遇到的問題

由于接收模塊上元件安裝密集且為雙面表貼，板上應用了大量0603封裝的片狀電阻、小容量電容和0.5 mm細間距多引腳的連接器，對焊接要求比較高,因此在焊接時選用了再流焊加工方式。但是，在再流焊加工過程中發(fā)現(xiàn)了以下問題：

(1) 四周器件均靠近PCB外沿，接收模塊印制板無法在貼片機上傳輸；

(2) 由于密度高、板子小、過孔位置基本上都設計在焊盤上，導致在再流焊爐中回流時焊錫流失、焊盤上錫少，產(chǎn)生虛焊的缺陷；

(3) 0.5 mm細間距80引腳的片式連接器，焊盤阻焊開窗過大，相鄰焊盤之間開窗相連，回流時有連錫的風險。

2基于印制電路板制造的PCB工藝改進

由于對聲納接收板的多層板層壓和鉆孔工藝了解不足，導致在PCB設計中內部信號層走線偏集中、散熱環(huán)設計不合理等，進而導致在印制電路板試制加工中半成品印制電路板報廢率較高。為提高印制電路板的合格率，對接收板PCB設計中的可生產(chǎn)性工藝做以下改進。

2.1添加空焊盤

為避免在壓合過程中產(chǎn)生曲翹或爆板，在PCB設計中要盡量做到以下幾點：

(1) 設計層數(shù)、大銅面層數(shù)(含內外層)避免為奇數(shù)；

(2) 大銅面層分布及介質層與銅箔的厚度盡量呈上下鏡像對稱。

聲納接收板為6層板，設計有2層內部信號層和2層地層，其中2層地層都是分布均勻的大面積銅層。但是，為滿足外連接器件的需要，接收板內部信號層走線偏集中且分布不均勻，部分區(qū)域很空曠，在多層板壓合后時常會因半固化樹脂填料不足或流動不充分而導致曲翹或爆板。對此，在不改變接收板原有線路設計的情況下做添加空焊盤的工藝設計：

在內部2層信號層的空曠區(qū)域內，上下對稱添加若干個空焊盤，用來平衡壓合時的層間板厚，減少由于殘膠不足引起的曲翹或爆板(見圖1，圖中分布的小點狀即為空焊盤)。

圖1　接收板內部信號層中添加空焊盤示意圖

2.2套除內電層散熱環(huán)與鉆孔重疊處

內電層通常為整片銅膜，與該銅膜具有相同網(wǎng)絡名稱的焊盤在通過內電層時，系統(tǒng)會自動將其與銅膜連接起來。為防止焊盤與銅膜連接的面積過大，這些焊盤的周圍通常設計有一圈散熱環(huán)，主要作用是減少因焊接過程中大面積金屬吸熱而產(chǎn)生的虛焊以及因板材與銅皮之間膨脹系數(shù)存在差異而造成的板翹、浮離或起泡等不可靠因素。在PCB設計時，內電層焊盤間距要適當，預留足夠大的空間來保證散熱環(huán)的布放。

由于該聲納接收板的頂層和底層均布放有數(shù)個0.5 mm細間距多引腳的連接器，分別需要嵌合4個接收模塊和1塊DSP板,因此在PCB設計時板對板的連接結構使接收板內部地層上焊盤布放密集，散熱環(huán)之間穿插相連，且多處與鉆孔重疊(見圖2(a))。在此情況下，印制電路板鉆孔加工后造成散熱環(huán)殘缺、焊盤與銅膜連接不可靠的缺陷。為解決散熱環(huán)之間穿插相連，對散熱環(huán)做了重疊處套除的PCB工藝處理：

在PCB設計中，直接對重疊處散熱環(huán)做套除操作(見圖2(b))，這樣既消除了散熱環(huán)與焊盤的重疊，確保了焊盤與銅膜連接的可靠性，又最大限度地保留了散熱環(huán)。

(a) 修改前(散熱環(huán)與鉆孔多處重疊)

(b) 修改后(重疊部分套除)

3基于再流焊的PCB工藝改進

再流焊又稱回流焊，是一種適合微型電子元器件裝配的錫焊技術，主要應用于各類在表面安裝的元器件的焊接。與手工浸焊相比，該種焊接方式操作簡單、一致性好，對于小封裝、細間距的貼片元器件焊接效率高。

該聲納接收模塊采用了再流焊的焊接方式，但由于對再流焊生產(chǎn)工藝缺乏了解，在PCB設計中忽略了很多重要的可生產(chǎn)性工藝設計，導致在再流焊設備中出現(xiàn)了難以焊接、焊接質量差的狀況。為解決這些問題，對接收模塊PCB設計中的可生產(chǎn)性工藝做以下改進。

3.1焊接工藝拼板設計

圖3　接收模塊實物圖

在再流焊自動化設備中，印制電路板的傳輸采用軌道式傳輸方式，而軌道式傳輸一般要求PCB至少要有2個平行對邊，且靠邊的5~7 mm內不能有器件，否則會被壓在軌道里。然而，接收模塊(見圖3)雙面安裝有大量的表貼器件，由于板內布放空間有限，四周器件在設計時均靠近PCB外沿，導致印制電路板無法在貼片機上傳輸。

為滿足貼片機的傳輸要求，在結合實際生產(chǎn)工藝的情況下，對接收模塊做以下工藝拼板設計(見圖4)：

(1) 接收模塊板尺寸較小(60.2×60.2 mm2)，考慮到單塊板子加工藝邊成本較高，同時保證在貼裝中傳送的穩(wěn)定性，對其進行4拼板設計；

(2) 為滿足貼片機定位要求，在工藝邊對角正反面各放置4個標志點，且標志點分布不呈中心對稱。

(3) 考慮到一塊拼板中可能會有不合格的小板，為增加貼片機對合格板的識別率，在每塊接收模塊小板內正反面空余處各放置1個標志點，用于排除對不合格板的焊接，進一步降低生產(chǎn)成本。

3.2過孔扇出設計

在再流焊貼裝元器件過程中，焊膏是預先涂在印制電路板的焊盤上的，再流焊時熔化成液態(tài)。如果焊盤

圖4　接收模塊焊接工藝拼板示意圖

上有過孔，部分液態(tài)焊料會從過孔中流出，容易導致焊盤上焊料不足、焊接點外形成焊料球的缺陷。而由于接收模塊密度高、板子小，在PCB設計時絕大多數(shù)過孔都設計在焊盤上(見圖5(a))，這將導致貼片機回流時焊盤上焊錫流失，造成焊盤上錫少、虛焊等不良焊接現(xiàn)象。為杜絕這些不良焊接現(xiàn)象，對接收模塊過孔位置做以下改動：

對PCB上元件之間的間距做適當調整，對原設計在焊盤上的過孔做扇出設計，即通過一小段印制線實現(xiàn)焊盤與過孔的連接(見圖5(b))。

(a) 修改前(過孔設計在焊盤上)

(b) 修改后(過孔做扇出設計)

3.3調整細間距元件阻焊開窗

為防止焊接時焊錫沿走線擴散以及走線裸露在空氣中氧化，一般要求印制電路板上覆蓋阻焊。為不影響印制板焊盤的焊接，焊盤處要有阻焊開窗。受PCB生產(chǎn)商生產(chǎn)技術水平和最小阻焊寬度的限制，往往存在阻焊對位不準和精度不高的現(xiàn)象。一般要求焊盤處阻焊開窗應比焊盤邊緣大3 mil(1 mil=0.076 2 mm，下同)以上，對于引腳間距≤0.5 mm的焊盤，可采用整體阻焊開窗的方式。

而接收模塊上布放的80引腳片式連接器，引腳間距為0.5 mm，在PCB設計時忽略了對其焊盤阻焊開窗的特別處理，使其阻焊開窗過大，相鄰焊盤之間開窗相連(見圖6(a))。在此情況下，再流焊時產(chǎn)生焊料橋接，使器件管腳連錫，造成電氣短路。

在0.5 mm細間距焊盤阻焊開窗的PCB改進中，受再流焊廠家實際生產(chǎn)的貼片機對細間距元件的識別精度不高的限制，做整體阻焊開窗并不能解決管腳連錫問題，因此對0.5 mm細間距片式連接器的阻焊開窗參數(shù)做以下調整：

阻焊開窗從4 mil縮小到3 mil，使相鄰焊盤之間阻焊不相連，并保證相鄰焊盤之間有一定的阻焊層間隔，以防止焊錫擴散到相鄰焊盤，避免出現(xiàn)連錫缺陷(見圖6(b))。

(a) 修改前(阻焊開窗4 mil)

(b) 修改后(阻焊開窗3 mil)

4結語

分析了制造和再流焊聲納印制電路板過程中遇到的生產(chǎn)問題，并對PCB設計中相關可生產(chǎn)性工藝做了改進，使其適合實際生產(chǎn)的要求。該改進有效提高了印制板的制造和焊接質量，大大提升了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。

因此在PCB設計中，除了正確設計線路以外，對可生產(chǎn)性工藝參數(shù)和工藝結構進行合理設計也是十分重要的，否則，可能會因生產(chǎn)工藝方面的一些小缺陷而導致PCB改版，甚至會使整批成品印制板報廢，這不僅會增加生產(chǎn)成本，而且會延誤產(chǎn)品生產(chǎn)周期。

參考文獻：

[1]蔡建軍.電子產(chǎn)品工藝與品質管理[M].北京：北京理工大學出版社，2014.

[2]辜信實.印制電路用覆銅箔層壓板[M].2版.北京：化學工業(yè)出版社，2013.

[3]張文典.實用表面組裝技術[M].4版.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4]姜培安,魯永寶,暴杰.印制電路板的設計與制造[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5]張懷武.現(xiàn)代印制電路原理與工藝[M].2版.北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[6]李曉麟.印制電路組件裝焊工藝與技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

中圖分類號：U666.7

文獻標志碼：A

收稿日期：2015-04-10 2015-03-24

作者簡介：賈怡菁(1973—)，女，上海市人，工程師，主要從事主數(shù)據(jù)管理工作。 尹凱華(1985—)，男，江蘇南通人，工程師，主要從事水聲電子通信研究工作。

文章編號：1674-5949(2015)03-083-08 1674-5949(2015)03-047-07

Design Improvement of Sonar PCBs for Manufacturability

YuYeping,YinKaihua

(Ship Automation Branch, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

Abstract:The production yield of PCBs was unsatisfactory during trial production of the sonar system. The processes of board manufacturing and reflow soldering are investigated, and the PCBs are redesigned to improve the manufacturability. The productivity and production costs of the sonar system are improved because of better production yield of the PCBs.

Key words:sonar; the printed board manufacturing; reflow soldering; productive technology