微电子制造综合设计.doc

桂 林 电 子 科 技 大 学微电子制造综合设计 设 计 报 告 指导老师： 学 生： 学 号： 桂林电子科技大学机电工程学院微电子制造综合设计设计报告目录一、设计内容与要求1二、设计目的意义2三、PCB设计 2四、组装工艺设计15五、工艺实践方法与步骤24六、课程设计总结26七、参考文献29十、附录2934 / 36微电子制造综合设计一、设计内容与要求1、设计内容按给定的设计参数，绘制电路原理图。完成相应的PCB设计，绘制PCB板图等。包括焊接方式与PCB整体设计、PCB基板的选用、PCB外形及加工工艺的设计要求。PCB焊盘设计及工艺要求确定。元器件布局要求及设计。基准点标记制作。用PROTELDXP制作印刷电路版，包括设计电路原理图、定义元器件的封装形式，PCB图纸的基本设置、生成网表和加载网表、设置布线规则、布线。编写贴装程序等。SMT设计以及工艺文件的编写。分析典型组装工艺，对典型组装工艺进行实践。设计参数如：表1表1 设计参数表元器件数量元器件数量12066片FQFP481片08057片DIP141个SOJ161片DIP201片PLCC841片二极管10片要求： PCB元件之间的连线总长不小于500mm，有3种不同的线宽。2、综合设计要求（1）掌握印制电路板计算机辅助设计软件，包括：1）通过电路原理图与印制电路版图的分析对比，提高识图能力；2）掌握电路原理图与印制电路版图的特点、规律及识图方法；3）掌握印制电路板计算机辅助设计软件（PROTEL）的应用；4）依据指定的电路原理图，运用PROTEL完成原理图的输入、网络表生成、板图制作及输出等操作。（2）掌握焊盘、模板的设计方法，包括：1）DFM原理与基本应用、设计原则以及相应的考核表；2）熟悉焊盘设计标准（IPC-SM-782文件），掌握焊盘设计的基本原理与方法；3）熟悉模板设计标准（IPC-7525文件），掌握模板设计的基本原理与方法。（3）掌握SMT工艺设计方法及其工艺文件的编写，包括：1）掌握SMT工艺设计的基本原理与过程，对电路原理图进行相应的SMT工艺设计；2）掌握SMT工艺文件的编写方法，对所设计的SMT工艺进行工艺文件的编写。（4）掌握典型工艺的参数选取、操作步骤、操作要点，对典型工艺进行操作实践。包括：1）掌握贴片参数的设置与选取，贴片机的操作与编程；2）掌握引线键合的参数设置与选取，键合操作方法与要点。（5）掌握设计说明书的编写方法与编写过程，包括：1）设计目的、元器件布局方案的选取、PCB布线设计说明等；2）绘制电路原理图、PCB板图等；3）编写SMT工艺文件清单；4）编写元器件清单。二、设计目的意义本综合设计在专业课程学习之后，毕业设计之前进行，内容涉及主要专业课程和一些专业技术基础课程，重点突出专业的专业性和综合性，力求通过综合设计达到以下三方面的目标：综合应用基础课程、专业课程的理论知识，初步培养PCB的设计能力；培养查阅技术文献和资料，使用数据手册，绘制规范的技术图纸，应用计算机进行辅助设计，撰写完整的技术报告的能力；培养严谨的工作作风，认真负责的工作态度，以及独立思考的良好习惯。本综合设计将综合运用所学的基础与专业知识，较全面地掌握电子产品组装全过程所涉及到的相关内容，建立系统工程的概念：（1）基本掌握电子产品组装涉及到的内容与基本要求；（2）掌握应用广泛的EDA软件（Protel99），特别是PCB布线等后续部分；（3）掌握PCB的设计要领，能依据提供的印制板进行PCB布线设计与焊盘设计。（4）掌握IPC-7351标准，能依据提供的印制板完成模板设计；（5）能依据提供的印制板制定该印制板的SMT工艺定制；（6）掌握电子产品典型组装工艺参数设计、分析方法和操作步骤。三、PCB的设计1、PCB的定义、功能和发展（1）PCB的定义：PCB即PrintedCircuitBoard的简写，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板。定义为：按照预先设计的电路，利用印刷法，在绝缘基板的表面或其内部形成的用于元器件之间连接的导电图形的技术，但不包括印制元器件的形成技术，把形成的印制线路的板叫做“印制线路板”。把装配上元器件的印制线路板叫做“印制电路板”。（2） PCB的功能：1）在封装设计中，印制电路的物理特性的通用性比普通的接线更好。2）电路永久的附着在介质材料上，此介质基材也用作电路元件的安装面。3）不会产生导线错接或短路。大大缩小了互连导线的体积和重量。4）可能采用标准化设计。有利于备件的互换和维修。5）有利于机械化。自动化生产，能节约原材料和提高生产率，降低电子产品的成本。6）提供集成电路元件IC等各种电子元器件的固定、组装和机械支撑的载体。7）为实现电路功能而提供了各种电子元器件之间的电器连接和电气绝缘，提供所要求的电气特性。8）为自动焊接提供了焊盘和阻焊图形。为元器件安装（包括插装及表面贴装）、检查、测试、维修提供识别字符和图形。9）为大功率器件提供了良好的散热通道。大大改善了电子产品整机的外观和性能。2、 PCB的分类及结构对印制电路板而言，对其的分类有多种方法，目前按习惯一般有四种分类方式，即以用途分类，以基板材料分类，以结构分类和以导电层数分类。（1）按照用途分类的分类1） 通信；2）耗用性电子；3）军用；4）计算机；5）半导体；6）电测板（2）按照印制电路板的基材性质进行分类1） 有机材质：酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide（聚酰亚胺）、BT/Epoxy ；2）无机材质：铝、钢、陶瓷等；主要取其散热功能。（3）按照印制电路板的结构分类1）刚性印制电路板2)挠性电路板3)刚挠结合印制电路板。（4）按照印制电路板的导电层数分类1)单面板：元器件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。相对而言，单面板在设计方面存在很多限制(因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径)，在处理复杂电路时往往力不从心，现在已经很少使用了，除非电路确实十分简单。2)双面板：这种电路板的两面都有布线。不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的桥梁叫做导孔(via)。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错(可以绕到另一面)，它更适合用在比单面板更复杂的电路上。3)多层板：为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。（5） PCB的结构组成印制电路板的分类方式还以很多，但是许多都具有相同之处，和交叉的地方，例如，按结构分类的印制电路板之中又可以分为单面板，双面板和多层板。但是无论怎么分，PCB的结构组成主要有：1）元器件：包括各种有源、无源元件，和提供电源、信号连接的接插件。这些元器件包括插装件和片式元件。2）基板材料：在导电层之间提供绝缘性和电路支撑的刚、挠性材料。3）金属导线：连接PCB上各元器件的引脚，完成电、信号连接。4）通孔：提供插装元件的安装位置，或者的连接双面板、多层板之间电源、信号层的镀铜的过孔，或者是提供定位的定位孔。5）敷铜：在PCB的某个区域内填充铜箔，改善性能，如散热性。6）焊盘：用于提供固定元器件和提供电信号通道的铜箔。7）阻焊膜：覆盖在印制电路上的不需要裸露的区域，提高印制电路的焊接性。8）标志层：一般为白色的丝印字符图案，标志了元件标号和标称值，元件轮廓，厂家标志，生产日期等，以方便电路安装和维修3、PCB的制作工艺流程设计（1）目前PCB的制造工艺非常多，有加成法和减成法等，但是基本原理是一致的：1）加成法：钻孔成像增粘处理（负相）化学镀铜去除抗蚀剂。2）半加成法：层压板钻孔后用化学镀铜工艺使孔壁和板面沉积一层薄金属膜，然后负相图形转移，进行图形电镀加厚，去掉抗蚀膜后进行快速刻蚀，非图形部分的铜层迅速被刻蚀掉，留下图形部分。（钻孔催化处理和增粘处理化学镀铜成像（电镀抗蚀剂）图形电镀铜（负相）去除抗蚀剂差分刻蚀）。3）减成发：先用光化学法或丝网印刷法或电镀法在覆铜箔的铜表面上，将一定的电路图形转移上去，这些图形由一定的抗蚀材料所组成，然后再用化学腐蚀的方法，将不必要的部分刻蚀掉。（2）现代印制电路板的一般制作工艺流程如下：1）单面板：由于单面板只有一层布线，电路图形也比较简单，因此一般采用“丝网漏印”技术。在单面覆金属箔板上印刷“正相图形”，然后进行腐蚀，去掉未被印料保护的金属箔部分，留下部分即为所需要的电路图形。单面印制板工艺流程：单面覆铜板下料(刷洗、干燥) 钻孔或冲孔网印线路抗蚀刻图形或使用干膜固化检查修板蚀刻铜去抗蚀印料、干燥刷洗、干燥网印阻焊图形(常用绿油)、固化网印字符标记图形、固化预热、冲孔及外形电气开、短路测试刷洗、干燥预涂助焊防氧化剂(干燥)以喷锡热风整乎检验包装成品出厂。2）双面板：双面板是现在使用最多的PCB板，满足了一般的消费电子产品的要求。生产双面印制电路板的方法按其特点分类大约分为工艺导线法、堵孔法、掩蔽法和图形电镀蚀刻法四大类。双面印制板工艺流程：贯通孔金属化法制造多层板工艺流程内层覆铜板双面开料刷洗钻定位孔贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂曝光显影独到与去膜内层粗化、去氧化内层检查(外层单面覆铜板线路制作、B阶粕结片、板材粘结片检查、钻定位孔) 层压数控制钻孔孔检查孔前处理与化学镀铜全板镀薄铜镀层检查贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂面层底板曝光显影、修板线路图形电镀电镀锡铅合金或镍/金镀去膜与蚀刻检查网印阻焊图形或光致阻焊图形印制字符图形热风整个或有机保焊膜) 数控洗外形清洗、干燥电气通断检测成品检查包装出厂。3）多层板：制造多层印制电路板，首先采用掩蔽法制出双面板和全板电镀铜加厚，在将蚀刻后的双面板层叠起来，板与板之间用粘合剂将它们相互粘合在一起，之后再进行钻孔和孔金属化、图形转移，这以后与双面板图形电镀蚀刻工艺基本相同。多层印制板工艺流程：双面覆铜板下料叠板数控钻导通孔检验、去毛刺刷洗化学镀(导通孔金属化) (全板电镀薄铜) 检验刷洗网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影) 检验、修板线路图形电镀电镀锡(抗蚀镍监) 去印料(感光膜) 蚀刻铜(退锡) 清洁刷洗网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感光热同化绿油) 清洗、干燥网印标记字符图形、固化(喷锡或有机保焊膜) 外形加工清洗、干燥电气通断检测检验包装成品出厂。4、 PCB的设计要点（1）焊接方式与PCB整体设计PCB的设计一般都是依据原理图进行设计的，根据原理图中所选用的元器件和封装模式进行设计，采用何种PCB类型（如单面板或者是双面板），然后根据组装的方式选择焊接形式，根据所选择元件的类型和引脚间距的大小来选择采用波峰焊还是再流焊。一般来说，再流焊适用于所有的元件焊接。而波峰焊工艺则只适用于插装元件，矩形片式元件，圆柱型元件，和引脚数较少、引脚间距较大的IC（引脚数少于28，间距小于1mm以上）。从可制造性设计方面考虑则要考虑采用何种组装方式。1）单面混装：（先贴法）来料检测 组装开始B面涂粘接剂 贴SMC 粘接剂固化 翻板 A面插THC波峰焊 清洗 最终检测。（后贴法）来料检测 组装开始A面插THC 翻板 B面涂粘接剂贴SMC 粘接剂固化翻板 波峰焊接 清洗最终检测2）双面混装：（SMD和THC同侧） 来料检测 组装开始 PCB的A面涂敷焊膏 贴SMD 焊膏烘干、粘接剂固化 再流焊接 （溶剂清洗）THC插装 波峰焊接 清洗 最终检测。（SMD和THC分别在A、B面） 来料检测 组装开始 PCB的A面涂敷焊膏 贴SMIC 焊膏烘干 再流焊接 插装THC、引线打弯翻板PCB的B面涂粘接剂贴装SMD粘接剂固化翻板 双波峰焊接 溶剂清洗 最终检测。3）双面贴装：来料检测组装开始 PCB的A面涂敷焊膏涂敷粘接剂（选用） 贴片 SMD焊膏烘干（粘接剂固化） 回流焊接 清洗翻板 PCB的B面涂敷焊膏 贴片SMD 焊膏烘干 再流焊接（B面） 清洗 最终检测 。（2） PCB基板的选用：基板的作用，除了提供组装所需的架构外，也提供电源和电信号所需的引线和散热的功能。所以对于一个好的基板，我们要求它有以下的功能：1)足够的机械强度（附扭曲、振动和撞击等）。 2)能够承受组装工艺中的热处理和冲击。 3)足够的平整度以适合自动化的组装工艺。 4)能承受多次的返修（焊接）工作。 5)适合PCB的制造工艺。 6)良好的电气性能（如阻抗、介质常数等）。 在基板材料的选择工作上，设计部门可以将所有产品性能参数（如耐湿性、布线密度、信号频率或速度等）和材料性能参数（如表面电阻、热导、温度膨胀系数等）的关系列下。做为设计选择时的考虑用。 目前较常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10和G11数种。XXXPC是低成本的酚醛树脂，其他的为环氧树脂。FR2的特性和XXXPC接近，但付阻燃性。FR3是在FR2的基础上提高了其机械性能。G10较FR3的各方面特性都较强，尤其是防潮、机械性能和电介质方面。G11和G10接近，不过有较好的温度稳定性。FR4最为常用，性能也接近于G10，可以说是在G10的基础加上了阻燃性。FR5则是在G11所基础上加了阻燃性。目前在成本和性能质量方面的考虑上，FR4可说是最适合一般电子产品的批量生产应用。对于有大和微间距的元件，而由采用双面回流工艺的用户，可以选择FR5以求较可控的工艺和质量。 为了解决基板和元件之间温度膨胀系数匹配的问题，目前有采用一种金属层夹板技术的。在基板的内层夹有是铜和另一种金属（常用的为殷钢，也有的用42号合金或钼），这中间层可用做电源和接地板。通过这种技术，基板的机械性能，热导性能和温度稳定性都可以得到改善。最有用的是，通过对铜和殷钢金属比例的控制，基板的温度膨胀系数可以得到控制，使其和采用的元件有较好的匹配，而增加了产品的寿命。（3）绿油设计 所使用绿油的化学特性，必须能符合基板的组装工艺（返修、点胶固化、油印等），也必须能配合或接受组装工艺上所采用的一切化学材料，如助焊剂和清洗剂等。这方面的资料应向基板供应商要求。注意有些化学反应的资料未必有。但至少用户可以知道那方面是可能存在问题的。在需要时可以要求基板或绿油供应商协助试验分析。 基板业中常用的绿油工艺有四种，分别为液态丝印工艺、液态光绘工艺、干膜工艺和干湿混合工艺。液态丝印工艺成本最低，但质量（精度和分析度）较差，用于面积较小和密度较低的产品基板。干膜工艺精度和分析度很好，但成本高和涂布后的厚度较高，不利于某些工艺。干湿混合工艺的强点是对接通孔的充填能力强，但固化工艺必须做得完整，否则在SMT组装中会有泄气的不良问题。液态光绘工艺的发展潜能很高，他有很好的精度和分析度，成本低于干膜工艺，而且能控制较薄的厚度，对锡膏丝印工艺有利。不足的是此工艺对接通孔的充填能力较弱。 在SMT组装工艺上常见的绿油相关问题不少，如绿油太厚造成锡膏丝印工艺的难控，绿油在基板制造时固化不良而泄气（形成焊点气孔）或裂开（腐蚀开始和应力集中），材料吸湿而造成绿油层在回流时的脱离，基板绿油工艺不良造成绿油和焊盘界面的断裂，以及某些干膜材料容易引起焊球问题等等都是较常见的（4）导通孔设计1）应避免在喊盘内，或距焊盘0.635MM内设置导通孔。如无法避免，须用阻焊剂将焊料流失通道阻断。2）设计测试导通孔时，需考虑不同直径的探针以及在线测试的最小间距。对称实用焊盘的元器件（如片式电阻，电容，SOIC，QFP等），应严格保持对称性。即焊盘形状与元器件尺寸完全一致，以保证焊料熔融时，所有焊点的表面张力平衡而形成理想焊点。多引脚元器件（如SOIC，QFP等），焊盘间的短接处不允许直通，应由焊盘加引出线再短接，以避免桥接。应避免在焊盘之间穿越互联线（特别是细间距元器件）。穿越相邻焊盘的互连线必须用阻焊膜遮隔。焊盘内不允许印刷字符和图形标志。标识符号离焊盘边缘距离应大于0.5MM。无引脚元器件的焊盘之间不允许有通孔，以保证清洗质量。波峰焊的插引脚通孔，应比引脚直接大0.05-0.3MM，焊盘直径应大于通孔直径的3倍。（5）布线设计布线原则：1）最短走线原则。特别对小信号电路，线越短电阻越小，干扰越小。2）印制板导线的最小宽度。印制板导线的最小宽度主要由导线与绝缘基板间的黏附强度和流过她们的电流决定。当铜箔厚度为0.5mm时，通过2A的电流，温度不会高于3度，导线宽度为1.5mm即可满足要求。对于集成电路，通常选0.020.3mm的导线宽度，间距小于58mil。3）走线方式。同一层的信号线改变方向时，应该走斜线；拐角处应尽量避免锐角。4）多层板。每层的信号线走线方向与相邻板层的走线方向不同。多层板走线要求相邻两层线条尽量垂直、走斜线、交叉布线、曲线，但不能平行，避免在高频时基板间的耦合和干扰。在高频高速电路中，布线太密容易发生自激。5）输入/输出端用的导线。应尽量避免相邻线平行，避免在窄间距元件焊盘之间穿越导线，确实需要时应采用阻焊膜对其加以覆盖。6）差分信号线。应该成对地走线，尽力使它们平行、靠近一些，并且长短相差不大。7）高频信号。高频要注意屏蔽，在布线结构设计上进行变化。走线要求：1）板面布线应疏密得当，当疏密差别太大时应以网状铜箔填充。2）为了保证PCB加工时不出现露铜的缺陷，要求所有的走线及铜箔距离板边：V-CUT边大于0.75mm，铣槽边大于0.3mm（铜箔离板边的距离还应满足安装要求）。3）考虑到PCB加工时钻孔的误差，所有走线距非安装孔都有最小距离要求：孔径80mil(2mm)，走线距孔边缘8mil；80mil(2mm)孔径120mil(3mm)，走线距孔边缘12mil；孔径120mil(3mm)，走线距孔边缘16mil 。4）金属外壳器件下不可有过孔和表层走线。5）满足各类螺丝孔的禁布区要求。6）所有的走线拐弯处不允许有直角转折点。7）SMT焊盘引出的走线，尽量垂直引出，避免斜向拉线。8）当从引脚宽度比走线细的SMT焊盘引线时，走线不能从焊盘上覆盖，应从焊盘末端引线。9）当密间距的SMT焊盘引线需要互连时，应在焊盘外部进行连接，不允许在焊盘中间直接连接。图1所示为焊盘走出线的示意图。 图1（6）常用走线宽度和间距导线宽度的设计，由四个方面的因素决定：负载电流、允许温升、板材附着力以及生产加工难易程度。设计原则是，既能满足电性能要求，又便加工。1）分界线。以0.2mm为分界线。随着线条变细，生产加工困难，质量难以控制，废品率上 升，所以选用线宽0.2及以上较好。 2）布线密度。设计 必须考虑布线密度，布线密度最好不超过四级，选择密度越低，加工月容易。3）电源线和地线。电源线和地线尽量加粗，一般，地线宽度电源线宽度信号线宽度。4）考虑温升。导线宽度在大电流情况下还要考虑温升。一般要求允许温升为10度。5）附着力。对于FR4部颁标准有一定的规定，附着力为14N/cm。6）导线间距。导线间距由板材的绝缘电阻、耐电压和导线加工工艺决定。7）工艺性。毛刺的最大宽度不得超过导线间距的20%。在本设计中，由于电路板上分别有FQFP48(引脚间距为0.5mm)，故对其选用0.5mm线宽；对于PLCC84一般选用0.4mm线宽；而对于其他连线（电源线、地线等）选用0.8mm线宽。5、Mark点设计Mark点也叫基准点，与电路原理图同时生成，为装配工艺中的所有步骤提供共同的可测试点，保证了每个设备能精确定位。Mark点设计规范（IPC-SMT-782）如下：1）形状：要求Mark点标记为实心圆。2）位置：Mark点最好分布在最长对角线位置；Mark点必须成对出现才能使用。3）组成：一个完整Mark点包括标记点和空旷区域。4）尺寸：Mark点最小直径为1.0mm，最大为3.0mm，并且在同一印制板上尺寸变化不能超过25um。5）边缘距离：Mark点距离印制板边缘必须大于等于5.0mm，并且满足最小的Mark点空旷度要求。6）空旷度要求：Mark点标记周围，必须有一块没有其他电路特征或标志的空旷面积。空旷区圆半径r2R，R为Mark点半径，r达到3R时，机器识别效果更好。7）材料：Mark点可以是裸铜、防氧化涂层保护的裸铜、镀镍或镀锡、焊锡涂层，如果使用阻焊（Solder Mark），不应该覆盖Mark点或其空旷区。8）平整度：Mark点标记的平整度应该在15um之内。9）对比度：当Mark点与印制板的基材之间出现高对比度时可达到最佳的性能；对于所有Mark点的内层背景必须相同。6、可测试性设计SMT的可测性设计主要是针对目前ICT装备情况。将后期产品制造的测试问题在电路和表面安装印制板SMB设计时就考虑进去。提高可测性设计要考虑工艺设计和电气设计两个方面的要求。工艺设计的要求，定位的精度、基板制造程序、基板的大小、探针的类型都是影响探测可靠性的因素。1）精确的定位孔。在基板上设定精确的定位孔，定位孔误差应在0.05mm以内，至少设置两个定位孔，且距离愈远愈好。采用非金属化的定位孔，以减少焊锡镀层的增厚而不能达到公差要求。如基板是整片制造后再分开测试，则定位孔就必须设在主板及各单独的基板上。2）测试点的直径不小于0.4mm，相邻测试点的间距最好在2.54mm以上，不要小于1.27mm。3)在测试面不能放置高度超过64mm的元器件，过高的元器件将引起在线测试夹具探针对测试点的接触不良。4)最好将测试点放置在元器件周围1.0mm以外，避免探针和元器件撞击损伤。定位孔环状周围3.2mm以内，不可有元器件或测试点。5)测试点不可设置在边缘5mm的范围内，这5mm的空间用以保证夹具夹持。通常在输送带式的生产设备与设备中也要求有同样的工艺。6)所有探测点最好镀锡或选用质地较软、易贯穿、不易氧化的金属传导物，以保证可靠接触，延长探针的使用寿命。7)测试点不可被阻焊剂或文字油墨覆盖，否则将会缩小测试点的接触面积，降低测试的可靠性。7、电气设计的要求1)要求尽量将元件面的SMC/SMD的测试点通过过孔引到焊接面，过孔直径应大于1mm。这样可使在线测试采用单面针床来进行测试，从而降低了在线测试成本。2)每个电气节点都必须有一个测试点，每个IC必须有POWER及GROUND的测试点，且尽可能接近此元器件，最好在距离IC 2.54mm范围内。3)在电路的走线上设置测试点时，可将其宽度放大到40mil宽。4)将测试点均衡地分布在印制板上。如果探针集中在某一区域时，较高的压力会使待测板或针床变形，进一步造成部分探针不能接触到测试点。5)电路板上的供电线路应分区域设置测试断点，以便于电源去耦电容或电路板上的其它元器件出现对电源短路时，查找故障点更为快捷准确。设计断点时，应考虑恢复测试断点后的功率承载能力。8、元器件布局的设计（1）器件在PCB上的排列方式应遵循一定的规则 1）对于采用自由对流空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他器件）按纵长方式排列，如图2所示。2）对于采用强制空气冷却的设备，最好是将集成电路（或其他器件）按横长方式排列，如图3所示。图2 自由冷却 图3 强制冷却3）同一块PCB上的器件应尽可能按其发热量大小及散热程度分区排列，发热量小或耐热性差的器件（如小信号晶体管、小规模集成电路、电解电容等）放在冷却气流的最上流（入口处），发热量大或耐热性好的器件（如功率晶体管、大规模集成电路等）放在冷却气流最下游。4）平方向上，大功率器件尽量靠近印制板边沿布置，以便缩短传热路径；在垂直方向上，大功率器件尽量靠近PCB上方布置，以便减少这些器件工作时对其他器件温度的影响。5）度比较敏感的器件最好安置在温度最低的区域（如设备的底部），千万不要将它放在发热器件的正上方，多个器件最好是在水平面上交错布局。6）设备内PCB的散热主要依靠空气流动，所以在设计时要研究空气流动路径，合理配置器件或PCB。空气流动时总是趋向于阻力小的地方流动，所以在PCB上配置器件时，要避免在某个区域留有较大的空域。整机中多块PCB的配置也应注意同样的问题。7）避免PCB上热点的集中，尽可能地将功率均匀地分布在PCB上，保持PCB表面温度性能的均匀和一致。往往设计过程中要达到严格的均匀分布是较为困难的，但一定要避免功率密度太高的区域，以免出现过热点影响整个电路的正常工作。如果有条件的话，进行印制电路的热效能分析是很有必要的，如现在一些专业PCB设计软件中增加的热效能指标分析软件模块，就可以帮助设计人员优化电路设计。8）将功耗最高和发热最大的器件布置在散热最佳位置附近。不要将发热较高的器件放置在PCB的角落和四周边缘，除非在它的附近安排有散热装置。在设计功率电阻时尽可能选择大一些的器件，且在调整印制板布局时使之有足够的散热空间。9）高热耗散器件在与基板连接时应尽能减少它们之间的热阻。为了更好地满足热特性要求，在芯片底面可使用一些热导材料（如涂抹一层导热硅胶），并保持一定的接触区域供器件散热。10）器件与基板的连接：尽量缩短器件引线长度；选择高功耗器件时，应考虑引线材料的导热性，如果可能的话，尽量选择引线横段面最大；选择管脚数较多的器件。11）器件的封装选取：在考虑热设计时应注意器件的封装说明和它的热传导率； 应考虑在基板与器件封装之间提供一个良好的热传导路径；在热传导路径上应避免有空气隔断，如果有这种情况可采用导热材料进行填充。（2）元器件分布1）元器件均匀分布特别要把大功率的器件分散开避免电路工作时PCB上局部过热产生应力影响焊点的可靠性；2）考虑大功率器件的散热设计；3）在设计许可的条件下，元器件的布局尽可能做到同类元器件按相同的方向排列，相同功能的模块集中在一起布置；相同封装的元器件等距离放置，以便元件贴装、焊接和检测； 4）丝印清晰可辨，极性、方向指示明确，且不被组装好后的器件遮挡住。5）均匀，方向尽量统一；6）采用回流焊工艺时，元器件的长轴应与工艺边方向（即板传送方向）垂直这样可以防止在焊接过程中出现元器件在板上漂移或 “立碑”的现象；7）采用波峰焊工艺时，无源元件的长轴应垂直于工艺边方向，这样可以防止PCB受热产生变形时导致元件破裂，尤其片式陶瓷电容的抗拉能力比较差；8）双面贴装的元器件两面上体积较大的器件要错开安裝位置否則在焊接过程中会因为局部热容量增大而影响焊接效果；9）小、低元件不要埋在大、高元件群中，影响检、修10）0603以下、SOJ、PLCC、BGA、0.6mm Pitch以下的SOP、本体托起高度（Standoff）0.15mm的器件不能放在波峰面；QFP器件在波峰面要成45布局；11）安装在波峰焊接面上的SMT大器件（含SOT23器件）其长轴要和焊锡波峰流动的方向（即工艺边方向）平行这样可以减少引脚间的焊锡桥接；12）波峰焊接面上的大、小SMT元器件不能排成一条直线，要错开位置，较小的元件不应排在较大的元件之后，这样可以防止焊接时因焊料波峰的 “阴影”效应造成的虛焊和漏焊；13）较轻的THT器件如二级管和1/4W电阻等，布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直，以防止过波峰焊时因一端先焊接凝固而使器件产生浮高现象；14）SMD元件间隔应满足设计标准，THT元件间隔应利于操作和替换；15）常插拔器件或板边连接器周围3mm 范围内尽量不布置SMD，以防止连接器插拔时产生的应力损坏器件；16）为了保证可维修性，BGA 器件周围需留有3mm 禁布区，最佳为5mm 禁布区。一般情况下BGA 不允许放置在背面；当背面有BGA 器件时，不能在正面BGA 5mm 禁布区的投影范围内布器件； 17）可调器件周围留有足够的空间供调试和维修；9、焊盘的设计焊盘的尺寸，对SMT产品的可制造性和寿命有着很大的影响。所以它是SMT应用中一个必须做得好的工作。影响焊盘尺寸的因素众多，必须全面的配合才能做得好。要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。所以SMT用户应该开发适合自己的一套尺寸规范。而且必须有良好的档案记录，详细记载各重要的设计考虑和条件，以方便将来的优化和更改。由于目前在一些因素和条件上还不能找出具体和有效的综合数学公式，用户还必须配合计算和试验来优化本身的规范，而不能单靠采用他人的规范或计算得出的结果。 （1）良好焊盘和影响因素 一个良好的焊盘设计，应该提供在工艺上容易组装、便于检查和测试、以及组装后的焊点有很长的使用寿命等条件。设计考虑上的焊盘定义，包括焊盘本身的尺寸、绿油或阻焊层框框的尺寸、元件占地范围、元件下的布线和（在波峰焊工艺中）点胶用的虚设焊盘或布线的所有定义。 决定焊盘尺寸有五方面的主要因素。他们是元件的外形和尺寸、基板种类和质量、组装设备能力、所采用的工艺种类和能力、以及要求的品质水平或标准。在考虑焊盘的设计时必须配合以上五个因素整体考虑。计算尺寸公差时，如果采用最差情况方法（即将各公差加起来做总公差考虑的方法），虽然是最保险的做法，但对微型化不利而又难照顾到目前统一不足的巨大公差范围。所以工业界中较常用的是统计学中接受的有效值或均方根方法。这做法在各方面达到较好的平衡。 设计前的准备工作，焊盘设计必须配合多方面的资料，所以在进行焊盘设计前有以下的准备工作先得做好。 1）收集元件封装和热特性的资料。注意国际是对元件封装虽然有规范，但东西方规范在某些方面的相差还是挺大的。有时要以统一的焊盘尺寸来处理这巨大的规范范围，同时又要配合厂内的各种条件而做到最优化是不可能的。用户必须在元件范围上做出选择或把设计规范分成等级。 2）整理基板的规范。对于基板的质量（如尺寸和温度稳定性）、材料、油印的工艺能力和相对的供应商都必须有一清楚详细的记录。 3）制定厂内的工艺和设备能力规范。例如基板处理的尺寸范围、贴片精度、丝印精度、回流原理和点胶工艺采用的是什么注射泵等等。这方面的量化了解对焊盘的设计也有很重要的帮助。 4）对各制造工艺的问题和知识有足够的了解。这协助对设计焊盘时的考虑和取舍，有些时候设计无法面面俱顾，这方面的知识和能力可以使设计人员做出较好的决策。 5）制定厂内或某一产品上的品质标准。只有在了解到具体的产品品质标准后，焊盘设计才可以有意义的推算出来。品质标准是指如焊点的大小、需要怎么样的外形等等。（2）焊盘设计规则1）SMT焊盘设计遵循相关标准，如IPC782标准。2）波峰面上的SMT元器件，其较大元件的焊盘(如三极管插座等)要适当加大，如SOT23的焊盘可加长0.8-1mm，这样可以避免因元件的 “阴影效应”而产生的空焊。3）焊盘大小要根据元器件的尺寸确定，焊盘的宽度等于或略大于元器件引脚的宽度，焊接效果最好；。4）对于通孔来说，为了保证焊接效果最佳，引脚与孔径的缝隙应在0.25mm0.70mm之间。较大的孔径对插装有利，而想要得到好的毛细效果则要求有较小的孔径，因此需要在这两者之间取得一个平衡。5）在两个互相连接的SMD元件之间要避免采用单个的大焊盘因为大焊盘上的焊锡将把两元器件拉向中间正确的做法是把两元器件的焊盘分开在两个焊盘中间用较细的导线连接如果要求导线通过较大的电流可并联几根导线导线上覆盖绿油。6）SMT元件的焊盘上或其附近不能有通孔，否則在回流焊过程中，焊盘上的焊锡熔化后会沿着通孔流走，会产生虚焊少錫还可能流到板的另一面造成短路。7）轴向器件和跳线的引脚间距（即焊盘间距）的种类应尽量减少，以减少器件成型的调整次数，提高插件效率。8）需波峰焊的贴片IC各脚焊盘之间要加阻焊漆，在最后一脚要设计偷锡焊盘，如图5所示。图4 图59）未做特别要求时，元件孔形状、焊盘与元件脚形状必须匹配，并保证焊盘相对于孔中心的对称性（方形元件脚配方形元件孔、方形焊盘；圆形元件脚配圆形元件孔、圆形焊盘），以保证焊点吃锡饱满。10）需要过锡炉后才焊的元件,焊盘要开走锡位,方向与过锡方向相反,宽度视孔的大小为0.51.0mm，以防止过波峰后堵孔。11）增大铜皮，增大边引脚的引力，便于回流焊自对中，如图6所示。12）插件元件每排引脚较多时，以焊盘排列方向平行于进板方向布置器件时，当相邻焊盘边缘间距为0.6mm1.0mm 时，推荐采用椭圆形焊盘或加偷锡焊盘，受PCB LAYOUT限制无法设置窃锡焊盘时，应将DIP后方与焊盘邻近或相连的线路绿漆开放为裸铜，作为窃锡焊盘用，如图6所示。图613）为防止过波峰时焊锡从通孔上溢到上板，导致零件对地短路或零件脚之间短路，设计多层板时要注意，金属外壳的元件，插件时外壳与印制板接触的，顶层的焊盘不可开，一定要用绿油或丝印油盖住（例如两脚的晶振、3只脚的LED）。四、组装工艺设计1、组装工艺流程制定铅是有毒性的金属元素，长期与铅接触将对人体健康造成危害。随着人类环保意识的日益增强，大范围禁用含铅物质的呼声越来越高，这推进了电子行业中的无铅化进程。促进了无铅焊料、无铅焊接设备的研究，使 PCB 和元器件的无铅化也得到了很大的发展。本设计着重讨论电子组装的无铅制程。组装工艺流程如下：来料检查 丝印A面 贴装A面 再流焊A面 修正检查 翻板 B面点胶 贴装B面 固化 翻板 A面插件 波峰焊 修整焊点 检测2、组装工艺材料选用（1）焊料组装工艺中的焊膏由焊粉、粘合荆、溶剂、助焊剂和溶变剂等混合而成，在规定的存储条件下，不凝结，表面不出现硬壳、硬块。内部各种成分易搅拌均匀，确保特定的流体特性，极佳的可印刷性和稳定的粘度。几种常见无铅焊膏的特性如下表2所示 表2焊膏成分熔点范围性能91Sn/9Zn199渣多，有腐蚀性93.5Sn/3Sb/2Bi/1.5Cu218高强度，温度疲劳特性很好95.5Sn/3.5Ag/1Zn218221高强度99.3Sn/0.7Cu227高强度、高熔点65Sn/25Ag/10Sb233摩托罗拉专利、高强度95Sn/5Sb232240剪切强度和温度疲劳特性好97Sn/2Cu/0.8Sb/0.2Ag226228高熔点96.5Sn/3.0Ag/0.5Cu218高熔点、高强度、塑性好综合焊膏性能和成本两方面原因，本设计选用 Sn96.5/3.0Ag/0.5Cu 无铅焊膏。（2）助焊剂助焊剂在焊接工艺中起着重要的作用。正确使用助焊剂，可焊性和焊接缺陷都可改进和减少。传统助焊剂焊后固体残余物较多需清洗。而清洗工艺一直采用的 CFC 氟氯烃及 1，1，1-三氯乙烷等清洗剂，虽然可以消除 PCB 表面残留的导电物质或其它污染物，保证产品可靠性，但 CFC 清洗剂中含有的 ODS（臭氧耗竭物质）破坏生态环境，严重威胁人类安全。免清洗助焊剂是随着电子工业发展及环境保护的需要而产生的一种新型助焊剂。它解决了使用 CFC 清洗剂环境污染的问题，以及因细间隙、高密度元器件组装带来的清洗困难问题。本设计选用免清洗助焊剂。3、模板设计（1）模板材料的选择网框材料：空心铝框，厚度303mm。网框底部不平整度1.5mm钢网材料：不锈钢、黄铜、钼、镍，常用不锈钢和黄铜。丝网分类： 丝绢、尼龙丝、聚酯、不锈钢、镀镍聚酯、防静电、平压、带色、镍箔丝网等。（2）模板的形成技术钢网开口，较常见的加工方式有光化学蚀刻、电铸、激光切割、特殊处理。对于不锈钢和黄铜常用于化学蚀刻工艺材料，在模板材料上钼已经成为不锈钢或黄铜金属的替代金属。对光化学腐蚀一般来说是双面腐蚀，由于制程的原因，会在内壁中间的位置形成外凸形状，会给锡膏的脱离以及印刷毛刺的产生带来影响。 对激光切割，是目前采用较为普遍的形式。它的好处是开口会自然形成上小下大的喇叭口形状，利于锡膏的脱离。不足之处是内壁较为粗糙（切割 毛刺），可以通过在切割完毕后镀镍，在开孔侧壁沉积上7um-12um的镍层，或者用化学抛光或者电解抛光的方法除去毛刺，达到改善脱模性能，消除印刷毛刺。 图7中比较了各种不同的开口工艺的效果。图7 不同工艺孔壁的比较（3）模板的尺寸和标识PCB中心、钢片中心、钢网外框中心需重合，三者中心距最大值偏差3.0mm。PCB、钢片、钢网外框的轴线在方向上应一致，任意两条轴线的角度偏差2度。厂商标识：厂商标识位于钢片T面（背面）靠近胶布的右下角。钢网标识：钢网标识应位于钢片T面靠近胶布的左下角。内容与格式（字体为标楷体，4号字）为： 钢网编号：GW * * * 机种名称：* 版 本：* TOP(BOTTOM) 钢网厚度：*mm 制造日期：*-*-*钢网编号中各数字的含义：前四位为印制板编码的后四位，中间四位为钢网流水序号，从0001开始；后两位为供应商汉语拼音字母的前两位。设计中的PCB是两面SMT制程，对本设计的版本后注明TOP面。钢网Mark点：为保证钢网与PCB对位准确，钢网上Mark点位置应该与PCB上Mark点一致。（4）模板厚度设计模板厚度与SMD引脚间距密切相关，当引脚间距为0.3mm时，模板厚度一般取0.1mm；当引脚间距为0.5mm时，模板厚度一般取0.10-0.15mm；引脚间距为1.27mm时，模板厚度一般取0.15-0.25mm。对于本设计，考虑到SQFP7x7-48（0.5mm间距），所以取模板厚度为0.15mm。（5）模板开口的设计影响焊膏印刷质量的模板设计参数主要是模板开口的宽厚比/面积比、开口形状、开口孔壁的粗糙度。1）模板开口的宽厚比/面积比：宽厚比=开口的宽度/模板厚度面积比=开口的面积/开口孔壁的面积对于有铅焊接模板的开口一般要求宽厚比1.5，面积比0.66；而对于无铅焊接宽厚比1.6，面积比0.71。本设计中采用SnSb6337焊料，故模板开口满足宽厚比1.5，面积比0.66即可。2）模板开口形状对于本设计印刷模板开口设计参数如表3所示。表3元件类型间距E (mm)焊盘宽X (mm)焊盘长Y (mm)开口宽B (mm)开口长L (mm)模板厚b (mm)宽厚比面积比12062.802.701.602.651.501.50SOT230.951.001.400.951.351.50SO141.270.602.200.552.151.502.30-3.800.88-1.48PLCC1.270.602.200.552.151.502.30-3.800.88-1.48QFP0.50.31.600.241.551.501.70-2.000.69-0.834、印刷工艺设计良好的印刷工艺是高质量焊接效果的保证。据统计，6070的焊接缺陷都是由于印刷工艺的不良导致的。因此印刷工艺应该很好地调节方能达到理想的效果。应该注意以下三个要点。（1）印刷工艺流程的设计焊膏准备 安装并校准模板 参数调节 印刷焊膏 结束/清洗模板。（2）焊膏将锡膏从冰箱取出，4 小时恢复到室温后打开盖子，均匀搅拌 10 分钟左右就可使用。本设计焊膏黏度选择 200Pa.s。由于设计中元器件引脚中心距 0.651.27mm，故选择粒度为 40 微米的焊膏。（3）印刷工艺参数设置1）刮刀类型：用于焊膏印刷的刮刀的制作材料分为橡胶和金属两大类。橡胶刮刀的硬度比较低，在印刷时容易发生挖掘效果，使得实际的焊膏印刷量变小，常用硬度为布氏90度，使用寿命短。金属类刮刀一般由黄铜或者不锈钢制成，硬度较大，不会产生挖掘现象，使用寿命长，但是成本比较高。刮刀形状一般为菱形和裙形，如图9所示。本设计采用菱形角度为60度的不锈钢刮刀（但试验时用橡胶刮刀）2）刮刀速度：在印刷过程中，焊膏需要时间滚动并流进网板孔中，所以刮刀的速度控制非常主要，最大印刷速度取决于PCB上最小的SMD间距，在进行高精度印刷时，印刷速度一般为20mm/s30mm/s。本设计采用25mm/s。3）刮刀压力：压力的参数跟刮刀的长短和PCB的长度等有关，压力应适中，压力太低,造成刮不干净，印锡厚度超标准，同时钢网与 PCB可能贴合状况不一致,印锡厚度会不均匀;太大,刮刀与钢网摩擦太大,降低它们的使用寿命。刮刀压力的设定