可制造性的PCB設(shè)計(jì)規(guī)范

韓志剛

摘 要PCB設(shè)計(jì)是指電路版圖的設(shè)計(jì)，通常是借助EDA軟件來完成，是電子產(chǎn)品開發(fā)流程中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。目前，消費(fèi)類電子產(chǎn)品的PCB元件組裝絕大部分是由大型自動(dòng)化設(shè)備完成，如何在高效生產(chǎn)中實(shí)現(xiàn)PCB元件裝配的高品質(zhì)易操作控制，每一位PCB設(shè)計(jì)工程師都應(yīng)該在設(shè)計(jì)中考慮PCB的可制造性。

【關(guān)鍵詞】PCB設(shè)計(jì) 可制造性 目的

DFM具有縮短開發(fā)周期、降低成本、提高產(chǎn)品質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，是企業(yè)產(chǎn)品取得成功的途徑。

PCB（Printed Circuit Board，印刷線路板）是電子產(chǎn)品中重要的電子部件，是電子元器件實(shí)現(xiàn)電氣連接的載體，而PCBA（Printed Circuit Board Assembly，PCB組件，即把電子元器件裝配到PCB板上形成的半成品）是實(shí)現(xiàn)電子產(chǎn)品電路系統(tǒng)功能的硬件主體。本文針對(duì)電子產(chǎn)品中的PCB組件制造，從多個(gè)方面淺談PCB設(shè)計(jì)的一些規(guī)范，達(dá)到實(shí)現(xiàn)PCB組件的可制造性的目的。

1 PCB DFM設(shè)計(jì)基本原則

（1）減少PCB組裝的制程工序及成本，盡量使零件置于PCB的主焊接面。

（2）相同或相似的元件應(yīng)置于同一列或一排并且極性應(yīng)指向同一方向。

（3）在PCB上按尺寸及數(shù)量均勻的分配元件以避免PCBA在回流過程及波峰焊接過程中變形。

（4）連接器和插座應(yīng)置于PCBA的主要焊接面。

（5）不要在PCB的兩面都設(shè)計(jì)通孔設(shè)備。

（6）設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量考慮自動(dòng)裝配，盡量減少人工操作。

（7）避免使用跳線及任何額外的人工操作。

（8）設(shè)計(jì)中考慮設(shè)備調(diào)試的要求。

（9）設(shè)計(jì)中考慮各種變量的誤差。

2 PCBA主流工藝方式介紹

PCBA兩面為頂面和底面，簡單的PCBA只有頂面有元件（貼裝或者插裝），復(fù)雜的PCBA雙面均有混裝元件。圖1簡單介紹了幾種PCBA主流工藝方式。

圖2為PCBA SMT生產(chǎn)設(shè)備（用于貼裝SMD貼片元器件的設(shè)備）圖例。

3 PCB外形及尺寸設(shè)計(jì)

PCB外形和尺寸是由貼裝機(jī)的PCB傳輸方式、貼裝范圍決定的。根據(jù)設(shè)備能力指數(shù)，目前通常的PCB組件生產(chǎn)廠家能生產(chǎn)的PCB拼板尺寸范圍為：最小50（長）*50（款）mm，最大520（長）*400（寬）mm，PCB厚度0.2mm～～4.5mm。

為提高SMT機(jī)器的利用率與平衡率，通常要求PCB拼板的尺寸盡量做大（同個(gè)拼板中單板越多越好，只要不超過設(shè)備允許尺寸范圍），當(dāng)然也要同時(shí)考量拼板的可拿放性以及拼板的受壓變形隱患。

4 PCB工藝邊

大部分裝配PCB都要有上下軌道邊，又稱之為PCB工藝邊。PCBA裝配設(shè)備傳送邊寬度通常設(shè)計(jì)是5～10mm，用于接觸PCB工藝邊帶動(dòng)PCB的行進(jìn)裝配。

通常在實(shí)際PCB板距離PCB邊緣3mm內(nèi)不可以置放元件，以免線路板裝配時(shí)機(jī)器軌道夾住元件焊盤無法安裝。如果單板板邊3mm內(nèi)有元件，則該板一定要加上PCB工藝邊。

如果裝配元件本體超出板邊或平齊板邊，則該板裸板不允許放置在傳送設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)并且該板邊不允許設(shè)置成V-Cut拼板方式，而需要依據(jù)具體情況以鏤空板邊部分或采用郵票孔方式連接板邊。如果該板一定要使用SMT生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行生產(chǎn)，則需要使用特制的治具載板作業(yè)。

如果插件元件本體超出板邊或者平齊板邊，則需經(jīng)過分板之后再進(jìn)行波峰焊制程。

PCB上的金手指邊不可當(dāng)作傳送邊。

5 PCB拼板的V-CUT與郵票孔連接設(shè)計(jì)

當(dāng)PCB板與板之間為直線連接，邊緣平整且不影響器件安裝，則PCB拼板可用V-CUT方式連接各個(gè)小板。V-CUT為直通型，不能在中間轉(zhuǎn)彎。

使用V-CUT拼板設(shè)計(jì)的PCB推薦的板厚為0.60-2.0mm?？滩鄣纳疃仁牵ㄡ槍?duì)常用的FR4 PCB材料）上下各1/3板的厚度。

對(duì)于需要機(jī)器自動(dòng)分板的V-CUT連接PCB，為了保證PCB分板加工時(shí)不出現(xiàn)露銅缺陷，在PCB布線設(shè)計(jì)時(shí)要求所有的走線及銅箔距離板邊大于0.50mm，而元器件實(shí)際物理邊與V-CUT處的距離應(yīng)該大于1mm.

如果PCB拼板中板與板之間的連接不是直線，則可以使用郵票孔連接的方式連接拼板中的各個(gè)小板。一般情況下郵票孔連接部分采用四個(gè)貫穿孔方式，郵票孔不可以在零件正下方，郵票孔距離布線邊緣最小為0.5mm。

6 PCB光學(xué)定位點(diǎn)設(shè)計(jì)

為便于SMT生產(chǎn)設(shè)備進(jìn)行精確的光學(xué)定位，F(xiàn)iducial Mark（光學(xué)定位點(diǎn)）為PCB必要設(shè)計(jì)。PCB光學(xué)定位點(diǎn)SMT機(jī)器打件想當(dāng)重要，它的好壞將直接影響機(jī)器置件精度。

全局光學(xué)定位點(diǎn)（Global fiducial mark）：一般要求PCB最少要有2個(gè)全局光學(xué)定位點(diǎn)（通常又稱為大板Mark點(diǎn)），其大小和形狀應(yīng)當(dāng)一致，而3到4個(gè)全局光學(xué)定位點(diǎn)對(duì)SMT生產(chǎn)更佳。

至少的2個(gè)全局光學(xué)定位點(diǎn)應(yīng)該分布在拼板的對(duì)角線上，如果PCB需要雙面生產(chǎn)，則兩面均要有全局光學(xué)定位點(diǎn)；如果是單面板，建議單板板內(nèi)和工藝邊（即軌道邊）都加上定位點(diǎn)。

光學(xué)定位點(diǎn)通常設(shè)計(jì)為直徑1.0mm的實(shí)心圓。在光學(xué)點(diǎn)圓心直徑為實(shí)心圓直徑加2.0mm的圓形區(qū)域需要進(jìn)行阻焊開窗。光學(xué)點(diǎn)制造工藝上要求表面潔凈、平整，邊緣光滑、齊整，顏色與周圍的背景色有明顯區(qū)別（關(guān)鍵要和基準(zhǔn)點(diǎn)顏色有明顯對(duì)比）。光學(xué)點(diǎn)背景內(nèi)不準(zhǔn)有焊盤、過孔、測試點(diǎn)或絲印標(biāo)識(shí)等。光學(xué)點(diǎn)不能被V-Cut切割造成機(jī)器無法辨識(shí)。

7 PCB焊盤與相連引線的設(shè)計(jì)

（1）當(dāng)焊盤尺寸大小不對(duì)稱，或兩個(gè)元件的端頭設(shè)計(jì)在同一個(gè)焊盤上時(shí)，由于表面張力不對(duì)稱，會(huì)產(chǎn)生吊橋、移位，需要避免。

（2）當(dāng)焊盤和大面積的地相連時(shí)，應(yīng)優(yōu)選十字鋪地法和45°鋪地法。從大面積的地或電源線處引出的導(dǎo)線長應(yīng)大于0.5mm，寬應(yīng)小于0.4mm。

（3）盡量使連接到焊盤的布線呈對(duì)稱分布，減少由于不對(duì)稱分布引起的焊料流動(dòng)不平衡，造成元件轉(zhuǎn)動(dòng)或錯(cuò)位。

8 PCBA測試點(diǎn)設(shè)計(jì)

對(duì)于常用的消費(fèi)電子產(chǎn)品PCB，通常每個(gè)線路網(wǎng)絡(luò)上至少要有一個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)電源線路網(wǎng)絡(luò)上至少要有4個(gè)測試點(diǎn)，地線網(wǎng)絡(luò)上至少有6個(gè)測試點(diǎn)。所有測試點(diǎn)盡可能分布在PCB底面，方便測試治具的制作，降低測試治具制作成本以及增加治具的穩(wěn)定性。

相鄰的兩測試點(diǎn)之間的中心距離至少要大于1.25mm，測試點(diǎn)中心應(yīng)距板邊（不含折斷邊）大于2.54mm，距螺絲孔邊大于1.25mm.

測試點(diǎn)與零件外圍（零件高度3mm以下）應(yīng)相距1.27mm以上，測試點(diǎn)與零件外圍（零件高度3～6mm）應(yīng)相距3.3mm以上，測試點(diǎn)與零件外圍（零件高度6mm以上）應(yīng)相距3.81mm以上。

9 PCB疊層設(shè)計(jì)

PCB疊層一般有兩種設(shè)計(jì)：一種是銅箔加芯板（Core）的結(jié)構(gòu)，簡稱為Foil疊法；另一種是芯板。（Core）疊加的方法，簡稱Core疊法。PCB疊層方式推薦使用Foil疊法，特殊材料多層板以及板材混壓時(shí)可采用Core疊法。

PCB外層一般選用0.5oz至1oz（1oz=0.35微米）的銅箔電鍍，內(nèi)層一般選用1oz的銅箔；盡量避免在內(nèi)層使用兩面銅箔厚度不一致的芯板。

PCB疊層采用對(duì)稱設(shè)計(jì)。對(duì)稱設(shè)計(jì)指絕緣層厚度、半固化片類別、銅箔厚度、圖形分布類型（大銅箔層、線路層）盡量相對(duì)于PCB的垂直中心線對(duì)稱。

10 PCB表面處理

10.1 熱風(fēng)整平工藝

該工藝是在PCB最終裸露金屬表面覆蓋錫銀銅合金。熱風(fēng)整平錫銀銅合金鍍層的厚度要求為1微米至25微米。熱風(fēng)整平工藝對(duì)于控制鍍層的厚度和焊盤圖形較為困難，不推薦使用在有細(xì)間距元件的PCB上，原因是細(xì)間距元器件對(duì)焊盤平整度要求高。

熱風(fēng)整平工藝的熱沖擊可能會(huì)導(dǎo)致PCB翹曲，厚度小于0.7mm的超薄PCB不推薦使用該表面處理方式。

10.2 化學(xué)鎳金工藝

化學(xué)鎳金是化鎳浸金的簡稱，PCB銅金屬面采用的非電解鎳層鍍層為2.5微米至5.0微米，浸金（99.9%的純金）層的厚度為0.08微米至0.127微米。因能提供較為平整的表面，此工藝適用于細(xì)間距元件的PCB.

10.3 有機(jī)可焊性保護(hù)膜工藝

該工藝英文縮寫為OSP，是指在裸露的PCB銅表面用特定的有機(jī)物進(jìn)行表面的覆蓋，目前唯一推薦的該有機(jī)保護(hù)層為Enthone's Entek Plus Cu-106A，其厚度要求為0.2微米至0.5微米，因其能提供非常平整的PCB表面，尤其適合于細(xì)間距元件的PCB。

11 結(jié)束語

在電子信息化時(shí)代，電子產(chǎn)品的更新?lián)Q代速度是非?？斓模@就意味著電子產(chǎn)品的市場競爭是非常激烈的。為了適應(yīng)市場競爭，更有效地完成電子產(chǎn)品的裝配制造，可制造性的PCB設(shè)計(jì)工作所包含的內(nèi)容越發(fā)豐富，它在提高產(chǎn)能、把控品質(zhì)的同時(shí)為生產(chǎn)企業(yè)也能帶來直接的成本節(jié)省。只有把握住設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的統(tǒng)一性，才能相互促進(jìn)，達(dá)到提升市場競爭力的目的。

參考文獻(xiàn)

[1]王國舜.論P(yáng)CB設(shè)計(jì)的常見問題[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2011（08）.

[2]李志國.淺析電路板的組裝技術(shù)[J].電子信息技術(shù)，2009（09）.

[3]林云堂.PCB企業(yè)如何進(jìn)行過程控制[J].印制電路信息，2004（05）：54-56.

作者單位

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