桂林电子科技大学微电子制造课程设计论文.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报告目录一、 设计内容与要求二、 设计目的意义三、 PCB设计四、 焊盘设计五、 模板设计六、 工艺分析与设计七、 工艺实践方法与步骤八、 课程设计体会九、 参考文献十、 附录一、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080510片120610片SOT232片DIP142个SOIC2片通孔插装电阻5个PLCC484片通孔插装电容5个PLCC442片要求： PCB元件之间的连线总长不小于500mm，至少有2种不同的线宽，过孔不少于20个。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个方面的目标：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，以及独立思考的习惯。本综合设计将综合运用所学的基础和专业知识，较全面的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（ProtelDXP）,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布线设计和焊盘设计；（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指定该印制板的SMT工艺制定；（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简介根据电路层数分类：分为单面板、双面板和多层板。常见的多层板一般为4层板或6层板，复杂的多层板可达十几层。 PCB板有以下三种主要的划分类型： 单面板：在PCB上，零件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。因为导线只出现在其中一面，所以这种PCB叫作单面板。因为单面板在设计线路上有许多严格的限制，所以只有早期的电路才使用这类的板子。 双面板：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。 多层板：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。用一块双面作内层、二块单面作外层或二块双面作内层、二块单面作外层的印刷线路板，通过定位系统及绝缘粘结材料交替在一起且导电图形按设计要求进行互连的印刷线路板就成为四层、六层印刷电路板了，也称为多层印刷线路板。2、PCB的结构组成主要有：（1）元器件：完成电路功能的各种元器件。各元器件都包含若干引脚，电信号通过引脚引入元件内部，以完成相应的功能。（2）铜箔：在PCB上大致为导线、焊盘、过孔、覆铜等。导线连接元器件的引脚，完成各元器件之间的电信号连接；过孔连接各层线路；焊盘用于在PCB上固定元器件；覆铜在PCB上某个区域填充铜箔称为覆铜。有些安装板的安装孔也以焊盘形式出现。3、PCB设计（1）焊接方式与PCB整体设计一般来说，再流焊工艺适合于所有片式元器件的焊接及部分的插装元件，波峰焊工艺则只适合于矩形片式元件、圆柱形元器件、SOT、小型SOIC（管教数少于28、引脚间距1mm以上）和所有的插装器件。（2）PCB基板的选用对PCB板的性能要求主要有： 外观：基本外观应平整光滑，不可有翘曲或者翘曲度不能超出一定范围，及不能有表面裂纹、高低不平、锈迹等问题； 热膨胀系数：表面贴装元器件的组合状态会由于基板受热后的膨胀应力对器件产生影响，热膨胀系数不匹配时会由于应力很大而造成元器件链接部位电极的剥离，降低产品的可靠性。一般元件面积大于3.21.6mm2 时，就必须注意这个问题； 导热系数：集成电路工作时的热量主要通过基板扩散。在器件较多、线路密集、发热量较大时，基板必须有较高的导热系数。 耐热性：由于基板要经过数次焊接，则要求基板的耐焊接热达到260，10秒； 铜箔粘合强度：由于表面贴装元器件的焊区较小，因此要求基板与铜箔有良好的粘合强度，一般应达到1.5Kg/cm2以上； 弯曲强度：贴装后，由于元器件自身的质量和外部的应力作用，会使基板扰曲，这将增加焊点应力，使连接处产生微裂纹。因此要求基板的抗弯曲强度达到251.5Kg/cm2以上； 电性能：由于电路传输速度的高速化、要求基板的介电常数，介电正切要小，同时随着布线密度的提高，基板的电绝缘性能也要求达到相应的标准。基板在清洗剂中浸渍5分钟，表面不能产生任何不良反映，且具有良好的冲裁性。基板的存储条件应该与SMD相同。（3）PCB外形设计 工艺夹持边：在组装以及插件波峰焊接过程中，PCB应留出5mm的夹持边，以便于设备夹持。在范围内不允许布放元器件及焊盘导线。 定位孔：为确保PCB的准确定位，需要设置若干个定位孔，其大小约为5+0.1mm。且为了能够迅速定位，其中一个孔可以设计成椭圆形，在定位孔周围1mm范围内不能有元器件。 PCB厚度：一般PCB厚度取0.54mm，常用的1.62mm。 PCB的翘曲度：其值应小于0.0075mm/mm,其中上翘曲0.5mm，下翘曲1.2mm；4、PCB制造工艺流程PCB生产工艺流程随着PCB类型（种类）和工艺技术进步不同而变化，同时也随着PCB制造商采用不同工艺技术而不同。这就是说可以采用不同的生产工艺流程与工艺技术来生产出相同或相近的PCB产品来。但是传统的单、双、多层板的生产工艺流程仍然是PCB生产工艺流程的基础。1）物理制板：指利用雕刻、铣刻的方法，把一张空白线路板上多余的不必要的敷铜部分铣去，只留下需要保留的线路和焊盘，以此来完成一张线路板的制作。2）化学制板：指利用化学方法（如感光、蚀刻等），把一张空白线路板上多余的不必要敷铜部分除去，只留下需要保留的线路和焊盘，以此来完成一张线路板的制作。单面板制板流程：裁板，打孔，刷板，出片，涂曝光油墨，烘干，加反片曝光，显影，酸性腐蚀，脱膜，涂阻焊油墨，烘干，加焊盘片曝光，显影，镀锡，做字符丝网，涂字符油墨，烘干。双面板制板流程：裁板，打孔，刷板，孑L金属化，出片，涂曝光油墨，烘干，加正片曝光，显影，镀铅，脱膜，碱性腐蚀，褪铅，涂阻焊油墨，烘干，加焊盘片曝光，显影，镀锡，做字符丝网，涂字符油墨，烘干。用ALtium designer制作印制电路板过程如下图所示：图1 印制电路板制作流程（1）工艺设计 全表面组装时，若电路板尺寸允许，可采用单表面组装。这样可以减少印刷焊膏和焊接的次数，缩短生产周期，降低成本。 电路中有表面贴装件也有插装件的应采用混合组装。如果只有表面贴装元件和小外形集成电路，应把这些元器件放在波峰面。这样可以用单面印制电路板，并只用一次波峰焊就可以完成组装。 混合组装时，若有四边引线的器件，如PLCC、QFP等时，不能采用波峰焊，因为用波峰焊容易产生焊接桥联，所以只可用再流焊，且这些器件和插装件应布局在同一面。 在PLCC 的下方不要放置片式元件，因为片式元件的厚度稍有变化就会抬起PLCC，使PLCC的引线不能直接和焊盘接触，从而影响焊接质量，且片式元器件的焊接质量不容易检测。 插装元器件应尽量采用“短插”工艺，避免使用浸焊工艺，以减少对元器件的热冲击。 若采用插装机对元器件的引脚进行剪短和打弯，则插装件和贴装件间应留下一定的空隙以便操作。 设计阶段应尽量不考虑采用手工焊接。（2）工艺步骤1）裁板一般购买的多面敷铜板，不是我们所需要的大小，或者板子的边缘不整齐。这时就要用裁板机对板子做简单的处理。这里需要提示的是，裁割的板材大小OF415必须比设计的成品板材周边要大一些，要做板材预留，一般4边各留1cm为宜。2）刷板敷铜板经过一段时间的放置后，会在表面产生一定的氧化层。有的板在搬运过程中，表面也会产生一定油污，基板处理的目的就是把表面的油污和氧化层处理干净。刷板在整个化学制板过程中是很重要的，直接影响做出板子的好坏。在打完孔后刷板是为了清洗板子及孔里的粉末；孔金属化后刷板可以使板子表面平整；腐蚀以后刷板可以使做出来的板子更有光泽。3）打孔打孔是为了把顶层和底层线路通过过孔的方式连接起来，同时，也为了安装分立元器件。钻孔机软件在工作时，会根据设计人员的设计图，自动把设计的孔的大小分类显示，使用人员只要选定不同大小的孔，更换相应大小的钻头，即可逐步把各种孔钻出。对于直径大于10mm的孔，AM-3030雕刻钻孔机还可提供挖孔功能，使用一把铣刀即可，避免用户需准备各种规格的钻头。这里我们用的是雕刻机打孔。雕刻机既可以在化学制板中打不同孔径的孑L，也可以在物理制板中雕刻线路板。AM-3030雕刻机还有“隔离”，“限宽隔离”，“局部镂空”等几个特有的功能。隔离可以把线路和敷铜隔离开，但线路外的敷铜可保留在基板上，只是和线路没有任何的连接。简单地说，在设计中没有敷铜的线路板能做有敷铜的线路板，这样比全部镂空要节省90%以上的时间。限宽隔离功能可以把线路和敷铜之间的隔离带，根据设定的宽度进行加工。可以方便器件的焊接。局部镂空功能可以对想要镂空的区域进行镂空可以是规则图形，也可以是任何不规则图形。4）孔金属化孔金属化是线路板制作中的一个重要环节，也是最容易出问题的一个环节。这个环节是把电路板两层之间用化学电镀的方式连接起来，保证两面线路的导通。使用高速换向脉冲恒流电镀机，有效提高电镀质量及厚径比，防止勾股现象。在孔金属化过程中，所用电流和脉冲大小都有相应的公式。孔金属化后可以清楚地看到板子的孔里发红发亮。5）出片出片最好用光绘机。因为它的精度和出片效果都比较好。底片质量的好坏，直接影响曝光质量。因此，要求底片图形线路清晰，不能有任何发晕、虚边等现象，要求无针孑L、沙眼，且稳定性好。同时，还要求底片黑白反差大，也可能用打印机打印。打印的胶片相对于光绘来说，主要有分辨率不高，胶片受热易产生形变，炭粉浓度不够造成底片对比度不够，易产生后期曝光过度等问题。6）丝印在涂曝光油墨、涂阻焊油墨、做字符丝网、涂字符油墨都要用到丝印机。丝网印刷方法基本相同，但所用丝网目数及所用油墨不同，因此丝印机要反复用到。丝网印刷是目前常用的一种涂敷方式，优点是其设备要求低，操作简单容易，成本低。丝印时，刮刀用力要均匀，丝网和板子之间最好保留1cm左右的空间。丝印后的油墨一定要平整均匀、无针孑L、气泡。刮完后不要用手去碰板子上面的油墨，否则会影响做出线路板的效果。7）烘干烘干机，同样也要反复用到。涂完油墨后要烘干才能覆片，因此在涂曝光油墨、涂阻焊油墨、做字符丝网、涂字符油墨都要烘干。烘干温度一般在80150，时间一般在38min。因为所用的油墨不同，所以烘干温度、时间也不同。控制好烘干的温度和时间很重要。温度过高或时间过长，显影困难，不易去膜；若温度过低或时间过短，干燥不完全，皮膜有感压性，易粘底片而致曝光不良，且易损坏底片。因此，预烘恰当，显影和去膜较快，图形质量好。预烘后，涂膜到显影搁置时间最多不超过12h湿度大时尽量在12h内曝光显影。在做完线路板后，还要在150再烘干一下，这样即可以使阻焊层和字符丝印层更牢固，也可以使做出来的线路板更有光泽，更好看。8）曝光曝光机，在整个制板过程中也是一个很关键的环节。它和丝印机、烘干机在做曝光油墨、阻焊油墨、字符丝网、字符油墨时要配合反复使用。曝光时胶片和板子上的孔要对齐。曝光取决于灯的光强和曝光时间，灯的光强与激发电压有关，与灯管使用时间有关；曝光时间为150s左右。影响曝光的因素：灯光的距离越近，曝光时间越短；液态光致抗蚀剂厚度越厚，曝光时间越长；空气湿度越大，曝光时间越长；预烘温度越高，曝光时间越短。当曝光过度时，易形成散光折射，线宽减小，显影困难。当曝光不足时，显影易出现针孔、发毛、脱落等缺陷，抗蚀性和抗电镀性下降。9）显影机显影机是在曝光后对没有曝光的区域进行显影，主要用于显影线路，焊盘及字符线路。显影液的配置：显影粉与水的比例为2%3%。显影温度在30左右。显影温度太高（35以上）或显影时间太长（超过90s以上），会造成皮膜质量、硬度和耐化学腐蚀性降低。显影液使用一段时间后，能力下降，应更换新液。实验证明，当显影液PH值降至10.2时，显影液已失去活性，为保证图像质量，PH=10.5时的制版量定为换缸时间。10）镀铅主要是在做双面板时需要铍铅。镀铅的主要目的是在双面板进行腐蚀时，镀的铅对孔里的铜进行保护。为了把这些线路部分保护起来的，我们采用电镀锡铅合金的方式。电镀的方式同前面的孔金属化直接电镀相似，只是使用的电镀原料不同。在这个过程，一般采用较小的电流密度（如0.51A/dm2）和较长的电镀时间(如30min)，来得到均匀致密的镀层。电镀上的镀层一般呈灰色，应注意检查有无漏镀的地方，有无砂眼和孔等缺陷。11）脱膜脱膜机主要用在双面板镀铅后和单面板腐蚀后。脱膜液的配置：脱膜粉和水的比例5%6%；显影温度在40左右；脱膜时间可设置为2min次。脱膜的操作方法与显影过程相同。12）腐蚀腐蚀机里的溶液分为碱性和酸性，分别用来做双面板和单面板。专业腐蚀机有上下水和排风；传送速度每次开机要从最小慢慢加大；腐蚀温度酸性在40左右，碱性为50。在喷淋蚀刻时，可以通过玻璃观察窗观察工作情况。当多余部分的铜都腐蚀掉后，应及时停止喷淋，防止过度蚀刻造成药水从线路侧面侵蚀而发生断线等情况。在温度较高的情况下，碱性蚀刻液会产生较大地氨水气味，因此，工作区域要做好通风换气工作。蚀刻液在长时间使用后蚀刻速度会变慢，这时酸性蚀刻液可以加双氧水和少量盐酸加以改良，碱性蚀刻液可以加氨水和氯化氨改良。13）镀锡镀锡器分为化学镀锡和热风整平。小型镀锡器是用化学镀锡的方法来做的。镀锡温度在25左右，喷淋20min左右。14）各环节样板各环节完成后的样板效果。5、元器件布局设计元器件布局应满足SMT生产工艺的要求，工艺设计所引起的质量的问题是比较难以克服的。因此，PCB设计人员应了解基本的SMT工艺特点，根据不同的工艺要求进行元器件布局，正确的设计可以将焊接缺陷降至最低，元器件布局设计主要考虑：l 遵照“先大后小，先难后易”布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。l 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。l 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。l 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。 l 发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。 l 需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属化孔。当安装孔需要接地时, 应采用分布接地小孔的方式与地平面连接。 l 焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容件轴向要与波峰焊传送方向垂直， 阻排及SOP（PIN间距大于等于1.27mm）元器件轴向与传送方向平行；PIN间距小1.27mm的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接。l BGA与相邻元件的距离5mm。其它贴片元件相互间的距离0.7mm；贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周围5mm内不能有插装元、器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元、器件。 l IC去偶电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。 l 元件布局时,应适当考虑用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源隔。 l 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。 串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。 匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。 l 贵重的器件不要布防在PCB边缘或靠近接插件、安装孔、槽、拼板的切割、豁口和拐角等处，以上这些位置都是印制板的高应力区，容易造成元器件和焊点的开裂和裂纹。波峰焊时，有极性的表面贴装元器件都应以相同的方向放置。l 排列元器件方向时应尽量做到：所有无源元件要相互平行，所有SOIC要垂直于无源元件的长轴；无源的长轴方向要垂直于PCB的传送方向。6、导通孔布局（1）避免在PCB抄板表面贴装焊盘以内或距表面贴装焊盘0.6mm以内设置导通孔。（2）无外引脚的PCB抄板元器件焊盘（如片状电阻电容、可调电位器及电容等），其焊盘之间不允许有通孔(即元件下面不开导通孔；若用阻焊膜堵死可以除外)，以保证清洗质量。（3）作为PCB抄板测试支撑用的导通孔，在设计布局时，需充分考虑不同直径的探针进行自动在线测试时的最小间距。（4）导通孔径与元件引线的配合间隙太大易虚焊。一般导通孔径比引线直径大0.050.2mm，焊盘直径为导通孔径的2.53倍时，易形成合格焊点。（5）导通孔与焊盘不能相连，以避免因焊料流失或热隔离。如导通孔确需与焊盘相连，应尽可能用细线（小于焊盘宽度1/2的连线或0.3mm0.4mm）加以互连，且导通孔与焊盘边缘间距离大于1mm。7、布线设计 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：VCUT 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）。（1）线宽/线距线宽和线间距的设置考虑的因素 ：1）单板的密度。板的密度越高，倾向于使用更细的线宽和更窄的间隙。 2）信号的电流强度。当信号的平均电流较大时，应考虑布线宽度所能承载的的电流。PCB线宽和电流关系公式 ：I=KT(0.44)A(0.75)（括号里面是指数）K为修正系数，一般覆铜线在内层时取0.024，在外层时取0.048；T为最大温升，单位为摄氏度；A为覆铜截面积，单位为MIL；I为容许的最大电流，单位为安培。一般 10mil为 1A，250mil为8.3A。 表二 PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表铜厚/35um铜厚/50um铜厚/70um电流(A)线宽(mm)电流(A)线宽(mm)电流(A)线宽(mm)4.52.55.12.562.5424.32.55.123.21.53.51.54.21.52.71.231.23.61.22.312.613.2120.82.40.82.80.81.60.61.90.62.30.61.350.51.70.520.51.10.41.350.41.70.40.80.31.10.31.30.30.550.20.70.20.90.20.20.150.50.150.70.15组装密度的提高要求导线密度增大、导线间隙减小。PCB层数的增加则要求使用更多的通孔来实现这些增加层之间的必要连接（见表三）。表三 引脚间距与PCB有关参数的影响关系有关参数 2.54mm间距 1.25mm间距 0.63mm间距引脚数 864 8124 84244组装公差 0.25mm 0.125mm 0.05mm导线/间隙 0.3mm 0.15mm 0.125焊盘 1.5mm 0.75mm 0.63mm孔 1.0mm 0.4mm 0.40mm圆环 0.25mm 0.2mm 0.125mm目前，0.15mm 的线宽/线距已基本取代0.3mm的线宽/线距而普遍使用见（见表四）。表四布线栅格最小线宽/线距制造公差0.63mm0.3/0.2mm0.1mm0.5mm0.2/0.2mm0.1mm0.4mm0.2/0.15mm0.05mm0.3mm0.15/0.1mm0.05mm0.25mm0.10/0.10mm0.05mm随着细间距元器件的发展，0.125mm的线宽/线距可能用于更多的PCB中，以减少层数。一般，0.3mm栅格和0.15mm线宽/线距的导线在焊盘之间有一条布线通道。0.25mm栅格和0.125mm线宽/线距的导线在通孔之间则有两个布线通道。（2）表面导线连接到焊盘区域的宽导线可能有偷锡的作用，将焊锡从焊盘上吸到导线上。而且，如果导线去到连接内层电源或地线板的通路孔，宽的导线可以起散热片的作用，在回流焊接期间将热量从焊盘/引脚区域带走，造成冷焊锡点。当导线进入焊盘区域时将它变窄。最大的导线宽度应该是0.25mm0.010。最小的导线长度应该是0.25mm。这个缩颈提供一个有效的焊锡堤档，消除使用阻焊来防止焊锡从元件焊盘迁移走的需要。按图2、图3所示的那样将导线布给焊盘。这防止分立元件在回流焊接期间的移动。在有源IC的情况中，这种布线几何形状将允许设计者为表面布线或焊盘帽（无表面布线）的印制板结构使用相同的库形状。另外，使用这个通用库形状允许在设计过程中两种结构中流之间的转换容易，不需要改变或编辑元件库。无任在哪一种情况，都保持了100%的测试点访问。如果要求较宽的导线，通路孔焊盘尺寸要相应地减小，以允许在导线和焊盘之间有足够的空隙。使用裸铜上的阻焊涂层(SMOBC, Solder Mask Over Bare Copper)或者已经选择性地去掉电镀层的铜。阻焊与裸铜提供焊锡迁移的一个有效障碍。这可能提供足够的保护，甚至如果选项A和B被忽视。 图2 导线布线 图3 表面布线几何形状本设计采用三种线宽，分别为：15mil,25mil,35mil（3）内层导线 使用0.2mm0.008的导线和间隙经常是层数增加，因为在1.27mm0.050中心上通路孔之间没有可用的布线通道。就是由于这个原因，SMT设计使用越来越多0.15mm0.006导线，大量使用FPT的设计也增加使用0.125mm0.005的导线和空隙。图3和4显示使用0.15mm和0.125mm0.006和0.005几何参数的焊盘之间可获得的布线通道数量。由于导线宽度控制在印制板外层上的维持困难得多，所以将这些细的几何形状只保持在多层印制板的内层会更好一点。这样做可以减少阻焊的需要，戏剧性的改善制造合格率。一般，选择使用较细的几何形状是由于要减少层数的需要所推动的。减少层数经常可以减少整个板的厚度，改善小孔钻孔的纵横比。图4 导线布线能力测试方案 图5 28引脚的SOIC焊盘图形下的布线通道（4）布线走线规则如下：布线是PCB设计工程师最基本的工作技能之一。走线的好坏将直接影响到整个系统的性能，大多数高速的设计理论也要最终经过Layout得以实现并验证，由此可见，布线在高速PCB设计中是至关重要的。下面将针对实际布线中可能遇到的一些情况，分析其合理性，并给出一些比较优化的走线策略。主要从直角走线，差分走线，蛇形线等三个方面来阐述。1）直角走线直角走线一般是PCB布线中要求尽量避免的情况，也几乎成为衡量布线好坏的标准之一，那么直角走线究竟会对信号传输产生多大的影响呢？从原理上说，直角走线会使传输线的线宽发生变化，造成阻抗的不连续。其实不光是直角走线，顿角，锐角走线都可能会造成阻抗变化的情况。直角走线的对信号的影响就是主要体现在三个方面：一是拐角可以等效为传输线上的容性负载，减缓上升时间；二是阻抗不连续会造成信号的反射；三是直角尖端产生的EMI。传输线的直角带来的寄生电容可以由下面这个经验公式来计算：C=61W(Er)1/2/Z0 在上式中，C就是指拐角的等效电容（单位：pF），W指走线的宽度（单位：inch），r指介质的介电常数，Z0就是传输线的特征阻抗。举个例子，对于一个4Mils的50欧姆传输线（r为4.3）来说，一个直角带来的电容量大概为0.0101pF，进而可以估算由此引起的上升时间变化量：T10-90%=2.2*C*Z0/2 = 2.2*0.0101*50/2 = 0.556ps通过计算可以看出，直角走线带来的电容效应是极其微小的。由于直角走线的线宽增加，该处的阻抗将减小，于是会产生一定的信号反射现象，我们可以根据传输线章节中提到的阻抗计算公式来算出线宽增加后的等效阻抗，然后根据经验公式计算反射系数：=(Zs-Z0)/(Zs+Z0)，一般直角走线导致的阻抗变化在7%-20%之间，因而反射系数最大为0.1左右。在W/2线长的时间内传输线阻抗变化到最小，再经过W/2时间又恢复到正常的阻抗，整个发生阻抗变化的时间极短，往往在10ps之内，这样快而且微小的变化对一般的信号传输来说几乎是可以忽略的。很多人对直角走线都有这样的理解，认为尖端容易发射或接收电磁波，产生EMI，这也成为许多人认为不能直角走线的理由之一。然而很多实际测试的结果显示，直角走线并不会比直线产生很明显的EMI。也许目前的仪器性能，测试水平制约了测试的精确性，但至少说明了一个问题，直角走线的辐射已经小于仪器本身的测量误差。 总的说来，直角走线并不是想象中的那么可怕。至少在GHz以下的应用中，其产生的任何诸如电容，反射，EMI等效应在TDR测试中几乎体现不出来，高速PCB设计工程师的重点还是应该放在布局，电源/地设计，走线设计，过孔等其他方面。当然，尽管直角走线带来的影响不是很严重，但并不是说我们以后都可以走直角线，注意细节是每个优秀工程师必备的基本素质，而且，随着数字电路的飞速发展，PCB工程师处理的信号频率也会不断提高，到10GHz以上的RF设计领域，这些小小的直角都可能成为高速问题的重点对象。2）差分走线差分信号（Differential Signal）在高速电路设计中的应用越来越广泛，电路中最关键的信号往往都要采用差分结构设计，什么另它这么倍受青睐呢？在PCB设计中又如何能保证其良好的性能呢？带着这两个问题，我们进行下一部分的讨论。何为差分信号？通俗地说，就是驱动端发送两个等值、反相的信号，接收端通过比较这两个电压的差值来判断逻辑状态“0”还是“1”。而承载差分信号的那一对走线就称为差分走线。差分信号和普通的单端信号走线相比，最明显的优势体现在以下三个方面：a.抗干扰能力强，因为两根差分走线之间的耦合很好，当外界存在噪声干扰时，几乎是同时被耦合到两条线上，而接收端关心的只是两信号的差值，所以外界的共模噪声可以被完全抵消。b.能有效抑制EMI，同样的道理，由于两根信号的极性相反，他们对外辐射的电磁场可以相互抵消，耦合的越紧密，泄放到外界的电磁能量越少。c.时序定位精确，由于差分信号的开关变化是位于两个信号的交点，而不像普通单端信号依靠高低两个阈值电压判断，因而受工艺，温度的影响小，能降低时序上的误差，同时也更适合于低幅度信号的电路。目前流行的LVDS（low voltage differential signaling）就是指这种小振幅差分信号技术。对于PCB工程师来说，最关注的还是如何确保在实际走线中能完全发挥差分走线的这些优势。也许只要是接触过Layout的人都会了解差分走线的一般要求，那就是“等长、等距”。等长是为了保证两个差分信号时刻保持相反极性，减少共模分量；等距则主要是为了保证两者差分阻抗一致，减少反射。“尽量靠近原则”有时候也是差分走线的要求之一。但所有这些规则都不是用来生搬硬套的，不少工程师似乎还不了解高速差分信号传输的本质。下面重点讨论一下PCB差分信号设计中几个常见的误区。误区一：认为差分信号不需要地平面作为回流路径，或者认为差分走线彼此为对方提供回流途径。造成这种误区的原因是被表面现象迷惑，或者对高速信号传输的机理认识还不够深入。从接收端的结构可以看到，晶体管Q3,Q4的发射极电流是等值，反向的，他们在接地处的电流正好相互抵消（I1=0），因而差分电路对于类似地弹以及其它可能存在于电源和地平面上的噪音信号是不敏感的。地平面的部分回流抵消并不代表差分电路就不以参考平面作为信号返回路径，其实在信号回流分析上，差分走线和普通的单端走线的机理是一致的，即高频信号总是沿着电感最小的回路进行回流，最大的区别在于差分线除了有对地的耦合之外，还存在相互之间的耦合，哪一种耦合强，那一种就成为主要的回流通路。在PCB电路设计中，一般差分走线之间的耦合较小，往往只占1020%的耦合度，更多的还是对地的耦合，所以差分走线的主要回流路径还是存在于地平面。当地平面发生不连续的时候，无参考平面的区域，差分走线之间的耦合才会提供主要的回流通路。尽管参考平面的不连续对差分走线的影响没有对普通的单端走线来的严重，但还是会降低差分信号的质量，增加EMI，要尽量避免。也有些设计人员认为，可以去掉差分走线下方的参考平面，以抑制差分传输中的部分共模信号，但从理论上看这种做法是不可取的，阻抗如何控制？不给共模信号提供地阻抗回路，势必会造成EMI辐射，这种做法弊大于利。误区二：认为保持等间距比匹配线长更重要。在实际的PCB布线中，往往不能同时满足差分设计的要求。由于管脚分布，过孔，以及走线空间等因素存在，必须通过适当的绕线才能达到线长匹配的目的，但带来的结果必然是差分对的部分区域无法平行，这时候我们该如何取舍呢？在下结论之前我们先看看下面一个仿真结果。从上面的仿真结果看来，方案1和方案2波形几乎是重合的，也就是说，间距不等造成的影响是微乎其微的，相比较而言，线长不匹配对时序的影响要大得多（方案3）。再从理论分析来看，间距不一致虽然会导致差分阻抗发生变化，但因为差分对之间的耦合本身就不显著，所以阻抗变化范围也是很小的，通常在10%以内，只相当于一个过孔造成的反射，这对信号传输不会造成明显的影响。而线长一旦不匹配，除了时序上会发生偏移，还给差分信号中引入了共模的成分，降低信号的质量，增加了EMI。可以这么说，PCB差分走线的设计中最重要的规则就是匹配线长，其它的规则都可以根据设计要求和实际应用进行灵活处理。误区三：认为差分走线一定要靠的很近。让差分走线靠近无非是为了增强他们的耦合，既可以提高对噪声的免疫力，还能充分利用磁场的相反极性来抵消对外界的电磁干扰。虽说这种做法在大多数情况下是非常有利的，但不是绝对的，如果能保证让它们得到充分的屏蔽，不受外界干扰，那么我们也就不需要再让通过彼此的强耦合达到抗干扰和抑制EMI的目的了。如何才能保证差分走线具有良好的隔离和屏蔽呢？增大与其它信号走线的间距是最基本的途径之一，电磁场能量是随着距离呈平方关系递减的，一般线间距超过4倍线宽时，它们之间的干扰就极其微弱了，基本可以忽略。此外，通过地平面的隔离也可以起到很好的屏蔽作用，这种结构在高频的（10G以上）IC封装PCB设计中经常会用采用，被称为CPW结构，可以保证严格的差分阻抗控制（2Z0）。差分走线也可以走在不同的信号层中，但一般不建议这种走法，因为不同的层产生的诸如阻抗、过孔的差别会破坏差模传输的效果，引入共模噪声。此外，如果相邻两层耦合不够紧密的话，会降低差分走线抵抗噪声的能力，但如果能保持和周围走线适当的间距，串扰就不是个问题。在一般频率（GHz以下），EMI也不会是很严重的问题，实验表明，相距500Mils的差分走线，在3米之外的辐射能量衰减已经达到60dB，足以满足FCC的电磁辐射标准，所以设计者根本不用过分担心差分线耦合不够而造成电磁不兼容问题。3）蛇形线蛇形线是Layout中经常使用的一类走线方式。其主要目的就是为了调节延时，满足系统时序设计要求。设计者首先要有这样的认识：蛇形线会破坏信号质量，改变传输延时，布线时要尽量避免使用。但实际设计中，为了保证信号有足够的保持时间，或者减小同组信号之间的时间偏移，往往不得不故意进行绕线。那么，蛇形线对信号传输有什么影响呢？走线时要注意些什么呢？其中最关键的两个参数就是平行耦合长度（Lp）和耦合距离（S）。很明显，信号在蛇形走线上传输时，相互平行的线段之间会发生耦合，呈差模形式，S越小，Lp越大，则耦合程度也越大。可能会导致传输延时减小，以及由于串扰而大大降低信号的质量，其机理可以参考对共模和差模串扰的分析。8、准点标记（Fiducial Marks）（1）基准点分类基准点是组装工艺中各工序的共同测量点，是各组装设备精确定位的电路图形，是电路布线图中同一工艺的印制图特征，和电路引线同时腐蚀。基准点主要有以下两种类型：全局基准点(Global Fiducials)基准点标记用于在单块板上定位所有电路特征的位置。当一个多重图形电路以组合板的形式处理时，全局基准点叫做组合板基准点。（见图6）局部基准点(Local Fiducials)用于定位单个元件的基准点标记。（见图7） 图6 拼板/全局基准点 图7 局部/全局基准点 一般，至少应有两个全局基准点标记来纠正平移偏移（X、Y）和旋转偏移（）。这些基准点在电路板上应该位于对角线的相对位置，并尽量可能远距离分开。 同时，至少应有两个局部基准点标记来纠正平移偏移（X、Y）和旋转偏移（）。它可以是两个焊盘对角线相对应的两个标记。如果空间有限，则至少应用一个基准点来纠正正平移偏移（X、Y）。单基准点应该位于焊盘图案范围内，作为中心参考点。局部、全局或组合板基准点的最小尺寸1.0mm。一些公司已经为组合板基准点选用较大的基准点（达到1.5mm）。保持所有的基准点为同一尺寸是个很好的方法。（2）基准点的制作形状：佳的基准点标记是实心圆。见图8。尺寸：准点标记最小的直径为1mm0.040。最大直径是3mm0.120。基准点标记不应该在同一块印制板上尺寸变化超过25微米0.001。空旷度(clearance)：基准点标记周围，应该有一块没有其它电路特征或标记的空旷面积。空旷区的尺寸要等于标记的半径。标记周围首选的空地等于标记的直径。（见图9）图8 视觉系统的基准点类型 图9 基准点空旷度要求材料：准点可以是裸铜、由清澈的防氧化涂层保护的裸铜、镀镍或镀锡、或焊锡涂层（热风均匀的）电镀或焊锡涂层的首选厚度为510微米0.00020.0004。焊锡涂层不应该超过25微米0.001。如果使用阻焊(solder mask)，不应该覆盖基准点或其空旷区域。应该注意，基准点标记的表面氧化可能降低它的可读性。平整度(flatness)：准点标记的表面平整度应该在15微米0.0006之内。边缘距离：准点要距离印制板边缘至少5.0mm0.200(SMEMA的标准传输空隙)，并满足最小的基准点空旷度要求。对比度：基准点标记与印制板的基质材料之间出现高对比度时可达到最佳的性能。所有的密间距元件都应该有两个局部基准点系统设计在该元件焊盘图案内，以保证每次当元件在板上贴装、取下和/或更换时有足够的基准点。所有基准点都应该有一个足够大的阻焊(soldermask)开口，以保持光学目标绝对不受阻焊的干扰。如果阻焊要在光学目标上，那么一些视觉对中系统可能造成由于目标点的对比度不而不起作用。9、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。分析如下：(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PCB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SMT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。 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。图10 测试点设计示例图10所示为测试点设计的一个示例。通过延伸线在元器件引线附近设置测试焊盘或利用过孔焊盘测试节点，测试节点严禁选在元器件的焊点上，这种测试可能使虚焊节点在探针压力作用下挤压到理想位置，从而使虚焊故障被掩盖，发生所谓的“故障遮蔽效应”。由于探针因定位误差引起的偏晃，可能使探针直接作用于元器件的端点或引脚上而造成元器件损坏。四、焊盘设计焊盘设计是PCB设计中的关键部分，它将确定元器件在PCB上的焊接位置，对焊点的可靠性、焊接过程中可能的出现的焊接缺陷、可清洗性、可测试性和检修都有很大影响。1