电子产品可制造性设计.ppt

1 电子产品可制造性设计 尹纪兵2016 05 25 2 2 可靠性高的产品设计 可靠性高的元器件与零配件 优良的工艺设计与工艺技术 PCB元件布局 产品的 制造流程设计产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系 并把制造系统用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化 本文将以智能手机板 工业控制板 以及家电消费类电子产品为主对PCB的 1 拼板方式尺寸 2 插件元件的孔设计 3 贴片元件的焊盘设计 4 PCB的引线 测试点布局 5 元件的方向 间距布局要求 6 按IPC 610焊点要求设计钢网开孔 另外摘录了IPC SM782上电子元件的焊盘标准封装库 0201到1210 QFN QFP BGA 电子产品工艺设计关键 DFV 价格设计 designforValue DFR 可靠性设计 DesignforReliability DFM 可制造性设计 DesignforManufacturability DFA 可装配性设计 DesignforAssembly DFT 可测试性设计 DesignforTestability DFS 可维护性设计 DesignforServicability 3 目录 1 PCBA工艺选择2 PCBA拼板设计3 元件布局需要考虑的因数4 PCBA元件焊盘 孔径设计5 焊盘出线方式设计6 SMT常见元件焊盘尺寸表7 焊盘设计常见问题8 手机板 MTK方案 中常见元件及其开孔 4 目录 5 单面贴装 一 PCBA工艺选择 6 2 2 PCB四角建议倒圆角 半径R 2mm 如下图1 有整机结构要求的可自定义 可以倒圆角R 2mm 2 1 基于贴装设备的工作范围及PCB的变形PCB外形尺寸需要满足下述要求 单位mm 2 3 对纯SMT板 允许有缺口 但缺口尺寸须小于所在边长度的1 3 应该确保PCB在链条上传送平稳 如图2所示 二 PCBA拼板设计 7 2 4 PCB工艺边要求 2 4 1根据SMT贴装及回流设备 距PCB边缘3mm范围内不建议布局元件焊盘 MARK 如达不到要求需要加工艺边 2 4 2PCB连接V CUT及邮票孔 V CUT的残厚通常的标准是1 3的厚度 角度为 30 如板厚1 0 则上下各CUT掉0 33 留下0 33PCB小于1 0的情况下要留下1 2防止回流后变形 如0 8的板CUT掉0 4 0 6的CUT掉0 3邮票孔间距为1 0 孔经为0 5 元件距离板边小于3 0时要加工艺边 8 2 5 PCB拼板带角度 小于90度 的处理方式 2 5 1处理靠边的铣槽到板边 2 5 2在拼板中间的在锐角加钻小圆孔 这样保证每片板的外型尺寸 不影响结构组装 2 6 MARK点设计 2 6 1光学对位记号规格有 方型 圆形 三角形 我司主要以圆形为主 直径为1 0mmCupad 表面处理为化金 喷锡 化银 OSP 直径为3mmSoldermask 黑化或粗糙面 直径为4 5mm 线宽为1mmCucircle 铜箔加盖绿漆 9 工艺边对角Mark点三个 离板边距离要求大于3MM 2 6 2光学定位基准符号布置原则 a 光学定位基准符号必须赋予坐标值 当作元件设计 不允许在PCB设计完后以一个符号的形式加上去 可以定义为MARK1 MARK2b 考虑到PCB在制做时有X板 单板应有局部MARK两个 拼板后要在工艺有贴片元器件的PCB面上 选设3个整板光学定位基准符号 贴装投板时防呆用 c 焊盘中心距 间距 0 5mm 20mil 的QFP以及中心距 0 8mm 31mil 的BGA等器件 应在通过该元件中心点对角线附近的对角设置局部光学定位基准符号 以便对其精确定位 3 0MM工艺边 10 2 7V cut限制 2 7 1出于贴装时自动传输 及周转的需要 元器件的外侧距过轨道接触的两个板边距离 3mm 对于达不到要求的 PCB应加工艺边 器件与V CUT的距离 2mm 2 7 2V cut距离Trace边缘至少1mmV cut距离零件或PAD边缘至少2mm若存在0402 1206电容 电感易裂的零件无法满足距V cut3mm的距离要求 则应垂直于V cut且在板边开孔 易裂的零件无法满足距V cut3mm的距离要求 则应垂直于V cut且在板边开孔 PCB应加工艺边 器件与V CUT的距离 2mm 2 7 3此时需考虑到V CUT的边缘到线路 或PAD 边缘的安全距离 S 以防止线路损伤或露铜 一般要求S 0 3mm 2 7 4对于需要机器自动分板的PCB V CUT线两面 TOP和BOTTOM面 要求各保留不小于1mm的器件禁布区 以避免在自动分板时损坏器件 11 元件的物理特性元件的空间分配直接影响产品的质量与可靠性元件的电气特性元件的装配需求生产工艺的需求直接影响产品的生产效率测试需求维修需求 三 元件布局需要考虑的因数 12 3 1 元件封装选择 a 应尽量使用SMD元件 布局采用单面混装设计 b 应尽量允许器件过波峰焊接 选择器件时尽量少选不能过波峰焊接的器件 c 元件种类尽量少 尽可能的选择标准件 定制元件减少d 能合并的元件尽量合并 减少元件数量 例 端子片 插座等 e 手工焊接类元件尽量不增 线材类能打端子或插针类 13 出于可靠性的考虑 1 片式器件 A 0 075g mm22 翼形引脚器件 A 0 300g mm23 J形引脚器件 A 0 200g mm24 面阵列器件 A 0 100g mm2若有超重的器件必须布在BOTTOM面 则应通过验证 在BOTTOM面无大体积 太重的表贴器件 2 2 1两面过回流焊的PCB 3 2 PCBA两面元件布局要求 14 波峰焊加工的单板背面器件不形成阴影效应的安全距离已考虑波峰焊工艺的SMT器件距离要求如下 L 焊盘间距 mm mil B 器件本体间距 mm mil 3 2 2 1相同器件间的距离 3 2 2 2不同类型器件间的距离 B 器件本体间距 mm mil 3 2 2 波峰焊背面元件布局要求 15 3 2 3 1为了保证可维修性 BGA器件周围要有3mm禁布区 最佳为5mm 3 2 3 2一般情况下 BGA不允许放置在背面 当背面有BGA器件时 不能在正面BGA5mm禁布区的投影范围内布器件 3 2 3 3有极性的元件方向尽量统一 3 2 3 BGA QFN周围3mm内无器件 16 插座种类多 插座合并 3 2 5 接插件能合并的尽量合并 减少插件数量 17 3 2 6较轻的器件如二级管和1 4W电阻等 布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直 这样能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 3 2 7单排针座连接器为防止过波峰焊浮高 料件两边引脚需打K脚 元件订制时说明形状 18 3 3 1布局时尽量靠近传送边或受应力较小区域 其轴向尽量与进板方向平行 图4 3 3 2经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 3 0MM 3 3 元件布局机械应力要求 19 3 3 3定位孔 螺丝孔 铆钉孔等周围按以下要求进行布局 20 3 4 1需安装散热器的SMD应注意散热器的安装位置 布局时要求有足够大的空间 确保不与其它器件相碰 确保最小0 5mm的距离满足安装空间要求 说明 1 热敏器件 如电阻电容器 晶振等 应尽量远离高热器件 2 热敏器件应尽量放置在上风口 高器件放置在低矮元件后面 并且沿风阻最小的方向排布放置风道受阻 3 4 元件布局热应力要求 21 图一 图二 3 4 2大面积电源区和接地区的设计3 4 2 1超过 25mm 1000mil 范围电源区和接地区 应根据需要一般都应该开设20MIL间距网状窗口或采用实铜加过孔矩阵的方式 以免其在焊接时间过长时 产生铜箔膨胀脱落现象 如图13 4 2 2大面积电源区和接地区的元件连接焊盘 应设计成如图2所示形状 以免大面积铜箔传热过快 影响元件的焊接质量 或造成虚焊 对于有电流要求的特殊情况允许使用阻焊膜限定的焊盘 22 3 4 2 3过回流焊的0805以及0805以下片式组件两端焊盘的散热对称性为了避免器件过回流焊后出现偏位 立碑现象 过回流焊的0805以及0805以下片式组件两端焊盘应保证散热对称性 焊盘两端走线均匀焊盘与铜箔间以 十 字形连接 除0201焊盘以外 十 字线宽均以 16mil定义 个别情况视电流大小可适当加粗 1oz80mil宽铜箔允许通过最大电流1A 23 3 4 2 4确定高热器件的安装方式易于操作和焊接 原则上当元器件的发热密度超过0 4W cm3 单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热 应采用散热网 汇流条等措施来提高过电流能力 汇流条的支脚应采用多点连接 尽可能采用铆接后过波峰焊或直接过波峰焊接 以利于装配 焊接 对于较长的汇流条的使用 应考虑过波峰时受热汇流条与PCB热膨胀系数不匹配造成的PCB变形 为了保证搪锡易于操作 锡道宽度应不大于等于2 0mm 锡道边缘间距大于1 5mm 3 4 2 5插件元件脚与大面积露铜需加阻焊油 24 3 4 3 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 注 贴片LED和绕线电感不能设计成为红胶工艺 25 3 4 6间距大于0 5MM的IC可选择波峰焊接工艺 小于0 5MM的间距摧荐用锡膏工艺 波峰焊接时要加适当的拖锡焊盘保证焊接质量 26 4 1 SMT焊盘设计4 1 1锡膏工艺的元件焊盘 需参考元件承认书摧荐尺寸设计 原则参考 IPC SM 782A 元件封装设计标准 4 1 2贴片红胶工艺的元件焊盘 4 1 2 1chip元件焊盘在锡膏工艺的基础上向外扩0 2MM 4 1 2 2二极管 三极管类元件焊盘在锡膏工艺的基础上向外扩0 3MM 4 1 2 3SOT等功率 稳压元件焊盘需向外扩0 3MM以上 具体按实际波峰焊接效果来定 四 PCBA元件焊盘 孔径设计 27 4 2 1 插件元件每排引脚较多 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 6mm 1 0mm时 推荐采用椭圆形焊盘或加偷锡焊盘 如下图 4 2 2单面板需后焊的元件焊盘需加破锡槽 宽度在0 5 1 0MM 不摧荐 建议 4 2 DIP元件焊盘及孔径 IPC SM 782A 元件封装设计标准 28 过波峰焊时 焊锡从通过冒出导致IC脚短路 4 2 3过波峰焊接的板 若元件面有贴板安装的器件 其底下不能孔或者过孔要盖绿油 4 2 4锁付孔需过波峰焊时 底面 焊接面 的形状为 米 字形 孔周边的铜箔离圆孔边0 2mm以上 不得使用覆铜孔 距鎖付孔中心5mm范围內不可有元件焊点 和线路 面积大于8 0mm 8 0mm的地线除外 29 4 2 5焊盘DIP后方有裸露铜箔时 焊盘周边必须加阻焊剂 阻焊剂宽0 2 0 5mm 4 2 6同一线路中的相邻零件脚或不同PIN间距的兼容器件 要有单的焊盘孔 特别是封装兼的继电器的各兼容焊盘之间要连线 如因PCBLAYOUT无法设置单独的焊盘孔 两焊盘周边必须用阻焊漆围住 30 4 3 1 测试点放置规则及限制4 3 1 1每一网路至少须留一个测试点 如无法100 放置ICT测试点 则以功能测试优先放置测试点 4 3 1 2测试点需放置在元件周围5mm之外 制止探针和元件撞击 4 3 可测试性要求 31 5 1 元件走线和焊盘连接要避免不对称走线 5 2 元器件出现应从焊盘端面中心位置引出 五 焊盘出线方式设计 32 5 3 当和焊盘连接的走线比焊盘宽时 走线不能覆盖焊盘 应从焊盘末端引线 密间距的SMT焊盘引脚需要连接时应从焊盘外部连接 不容许在焊脚中间直接连接 5 4 PCB导通孔的设计要求导通孔不允许设计在表面贴装焊盘上 不含盲导孔 以免回流焊时焊料流入孔内造成焊点不饱满或虚焊 33 BGA焊接过程 34 元件侧视图 元件反转视图 六 SMD表贴元件焊盘推荐设计标准 35 6 1 电阻 电容 电感 磁珠元件尺寸 公差为0 1mm 6 2 电阻 电容 电感 磁珠焊盘尺寸 X为焊盘的长 Y为焊盘的宽 G为焊盘内距 Z为两个焊盘的总长 C为元件长度 一般元件的总长比两焊盘的总长要小0 2到0 35mm 36 6 2三极管焊盘设计推荐 SOT 723焊盘推荐设计 EM 6781焊盘推荐设计 37 对应焊盘设计表 说明 焊盘设计上依据元件尺寸对焊端外加至少为0 1 0 20mm 最多不能超过0 25mm 否则元件容易发生上锡不足导致元件与板开路 6 3IC QFN 的焊盘推荐设计 38 说明 1 对应钢网开孔时要缩窄加长 防止短路和假焊 一般外加0 25宽开焊盘的80 如0 5间距的开0 22 0 4间距的开0 185 网厚0 12MM 2 焊盘的长一般为元件接触长度 内加0 3 外加0 5 见上图 6 3IC QFP 的焊盘推荐设计 39 对应焊盘设计表 6 3IC BGA 的焊盘推荐设计 40 IC焊盘设计说明 41 42 安全间距 保证焊盘间不易短接的安全间距外还应考虑易受损元器件的可维护性要求 一般组装密度情况要求如下 1 片式元件之间 SOT之间SOIC与片式元件之间为 0 5mm 2 SOIC之间 SOIC与QFP之间1 0mm3 PLCC与片式元件 SOIC QFP之间为0 5mm 4 PLCC之间为4mm 43 七 焊盘设计中常见问题 44 45 46 八 BGA焊盘设计常见问题 8 1 绿油开窗要求对位精确 焊盘居于开窗中心 绿油开窗完全偏离焊盘中心 阻焊环不完整容易产生连锡 8 2 绿油开窗确保阻焊环完整且与焊盘保持单边1mil间距 如图 阻焊环单边宽度不足导致连锡 制板需针对焊盘做削减处理 以确保阻焊环完整 47 8 3 绿油桥尺寸焊盘之间绿油桥宽度控制在0 1mm 3 8mil 最小控制在0 075mm 3mil 8 4 激光孔尺寸控制8 4 1 激光孔尺寸要求 镀铜后孔径 90 8 4 2 激光孔打孔工艺建议 优先采用直接打铜工艺 尽量不采用largewindow工艺 如图 采用largewindow打孔工艺导致激光孔过大 造成贴片不良 48 8 5 不规则焊盘处理8 5 1 BGA焊盘完全位于大铜面上 焊盘大小由开窗尺寸决定 但是需调整开窗使开窗与焊盘等大 如图 PAD1 确保焊盘成品大小尽量一致 以孤立位的BGA焊盘大小为基准 如图PAD2 8 5 2 BGA焊盘大部分 50 位于铜面 焊盘大小由开窗尺寸决定 但是对焊盘需做局部削减处理 确保与相邻焊盘 非同网络 之间有阻焊环相隔 1mil 绿油不能上PAD 49 8 5 3 BGA焊盘设计为三线及以上多线连接 焊盘大小由开窗尺寸决定 但是对焊盘需做局部削减处理 确保与相邻焊盘 非同网络 之间有阻焊环相隔 1mil 绿油不能上PAD 8 5 4 破盘 8 字形焊盘处理焊盘局部削减后做出阻焊环 以不破坏激光孔的电性通路为限 绿油不能上PAD 50 1 九 手机板 MTK方案 中常见元件及其开孔 51 2 1 BGA类元件短路 主要在主芯片 音频功放 蓝牙芯片元件上出现 短路的同时还出现可靠性问题 此类问题与下锡效果有最大关系 一般开孔时做方形导脚处理 同时对边缘做外移处理 2 CSP QFN类元件短路 功能测试时大电流动 主要在射频功放 中频芯片元件上出现 此类问题解决应尽量减少下锡 QFN类外加不可超过0 25一般开孔时做方形导脚处理 同时对边缘做外移处理 3 连接器 卡座类假焊可靠性低 主要在I O接口 电池连接器 T卡SIM卡上出现 此问题问题解决应尽量加大锡量 特别是在元件脚的外三边 但此类元件一般为塑胶元件 要注意防锡珠处理 MTK方案手机中常用元件工艺问题可分为如下几类 52 3 MTK方案手机中常用元件及其开孔 开0 37方形 宽开0 24长外加0 15 开0 32方形 0 29方形 外排外移0 05 宽开0 24长外加0 25 0 45方形 0 29的方形 同时外圈8点外移0 05 0 24外加0 15 前加0 5后加0 3 前加0 3左右各加0 4 宽开0 19外加0 15内切0 1 外三边各加0 3大脚架0 15的桥 开0 35方形 按80 下锡 1 主芯片 基带 pitch为0 65的BGA2 中频芯片 pitch