SMT环境下的PCB设计技巧与规则

QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,设计的目的及需要考虑的几项问题PCB基板选用原则导通孔及元器件布局的要求PCB拼板设计方案线路及焊盘设计基准点标记(FiducialMarks)制作的要求测试点设计要求设计不当造成的缺陷分析,刘巧花12-07-09,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,设计的目的,SMT工艺是利用钎料或焊膏在元件与电路板连接之间构成机械与电气两方面的连接，其主要优点在于尺寸小、重量轻、互连性好；高频电路的性能好，寄生阻抗显著降低；抗冲击力与振动性能好。采用SMT工艺时引线不需穿过电路板，可避免产生引线接受或辐射而得来的信号，进而提高电路的信噪比.设计的目的在于制造(若有一个糟糕的设计，可能每台产品都是修理出来的)：1、成品率高：投入产出比率99.7%。2、工艺性好：一个不熟练的操作工也能制造出合格的产品。3、一致性好：产品性能保持稳定。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,一个印制板组件，从印制板的装配、检验、结构装配、调试到整机装配、调试，直到使用维修，无不与印制板的合理与否息息相关，例如板子形状选得不好加工困难，余量太小装配困难，没留测试点调试困难，没有空间维修困难等等。每一个困难都可能导致成本增加，工时延长，产品的报废。没有绝对合理的设计，只有不断合理化的过程。它需要设计者的责任心以及实践中积累经验。,设计要考虑制造的全过程,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,评价SMT工艺性能的好坏，首先应使焊点能够正确成型；而正确成型的前提是必须合理设计PCB板上元器件的焊盘尺寸；其次在PCB板布局时要合理安排元件的密度，满足测试点的要求。进行电路板设计时，可通过DFM(可制造性设计)来完成。DFM是并行工程(CE)关键技术的重要组成部分，它从产品设计开始，考虑可制造性和可检测性，从设计到制造一次成功，是电路板设计的一种有效工具。,设计要考虑制造的全过程,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,设计的经济性考虑,使用便宜的材料不等于产品低成本。板材选低价，板子尺寸尽量小，连接用导线点到点直接焊接，表面涂覆用最便宜的，选择价格最低的加工厂等等，印制板装配的价格就会下降。但是不要忘记，这些廉价的选择可能造成工艺性，可靠性变差，返修率增加。使制造费用、维修费用上升，总体经济性可能更差。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,产品设计的基本要求,1、可制造性2、可靠性3、可测试性4、通用性5、继承性6、简约的设计,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,PCB基板的选用原则,印刷电路板基材主要有二大类：有机类基板材料和无机类基板材料，使用最多的是有机类基板材料。层数不同使用的PCB基材也不同，比如34层板要用预制复合材料，双面板则大多使用玻璃环氧树脂材料。无铅化电子组装过程中，由于温度升高，印刷电路板受热时发生弯曲的程度加大，故在SMT中要求尽量采用弯曲程度小的板材，如FR-4等类型的基板。由于基板受热后的胀缩应力对元件产生的影响，会造成电极剥离，降低可靠性，故选材时还应该注意材料膨胀系数，尤其在元件大于3.21.6mm时要特别注意。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,PCB基板的选用原则,表面组装技术中用PCB要求高导热性，优良耐热性(150，60min)和可焊性(260，10s)，高铜箔粘合强度(1.5kg/c以上)和抗弯强度(25kg/c)，高导电率和小介电常数、好冲裁性(精度0.02mm)及与清洗剂兼容性，另外要求外观光滑平整，不可出现翘曲、裂纹、伤痕及锈斑等。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,PCB基板的选用原则,印制电路板厚度有0.5mm、0.7mm、0.8mm、1mm、1.5mm、1.6mm、(1.8mm)、2.7mm、(3.0mm)、3.2mm、4.0mm、6.4mm，其中0.7mm和1.5mm板厚的PCB用于带金手指双面板的设计，1.8mm和3.0mm为非标尺寸。印制电路板尺寸从生产角度考虑，最小单板不应小于250200mm，一般理想尺寸为(250-350mm)(200-250mm)，对于长边小于125mm或宽边小于100mm的PCB，易采用拼板的方式。表面组装技术对厚度为1.6mm基板弯曲量的规定为上翘曲0.5mm，下翘曲1.2mm。通常所允许的弯曲率在0.065%以下。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,PCB基板的选用原则,1.外观要求：基板外观应光滑平整，不可有翘曲或高低不平，基板表面不得出现裂纹，伤痕，锈斑等不良。2.热膨胀系数的关系：表面贴装元件的组装形态会由于基板受热后的胀缩应力对元件产生影响，如果热膨胀系数的不同。这个应力会很大，造成元件接合部电极的剥离，降低产品的可靠性，一般元件尺寸小于3.21.6mm时，只遭受部分应力，尺寸大于3.21.6mm时，就必须注意这个问题。3.导热系数的关系：贴装与基板上的集成电路等期间，工作时的热量主要通过基板给予扩散，在贴装电路密集，发热量大时，基板必须具有高的导热系数。4.耐热性的关系：由于表面贴装工艺要求，一块基板至组装结束，可能会经过数次焊接过程，通常耐焊接热要达到260，10秒的要求。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,5.铜箔的粘合强度：表面贴装元件的焊区比原来带引线元件的焊区要小，因此要求基板与铜箔具有良好的粘合强度，一般要达到1.5kg/c以上。6.弯曲强度：基板贴装后，由其元件的质量和外力作用，会产生扰曲，这将给元件和接合点增加应力，或者使元件产生微裂，因此要求基板的抗弯强度要达到25kg/cm2以上。7.电性能要求：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，基板的绝缘性能要达到规定的要求。8.基板对清洗剂的反应，在溶液中浸渍5分钟，其表面不产生任何不良，并具有良好的冲裁性。基板的保存性与SMD的保管条件相同。,PCB基板的选用原则,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,导通孔及元器件布局,导通孔布局(1)避免在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。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,导通孔及元器件布局,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,导通孔及元器件布局,元器件布局进行再流焊工艺时，元件排列方向应注意以下几点：(1)板面元件分布应尽可能均匀(热均匀和空间均匀)；(2)元器件应尽可能同一方向排列，以便减少焊接不良的现象；(3)元器件间的最小间距应大于0.5mm，避免温度补偿不够；(4)PLCC、SOIC、QFP等大器件周围要留有一定的维修、测试空间；(5)功率元件不宜集中，要分开排布在PCB边缘或通风、散热良好位置；(6)贵重元件不要放在PCB边缘、角落或靠近插件、贴装孔、槽、拼板切割、豁口等高应力集中区，减少开裂或裂纹。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,导通孔及元器件布局,元器件方向进行波峰焊工艺时，元件排列方向应注意以下几点：(1)所有无源元件要相互平行；(2)SOIC与无源元件的较长轴要互相垂直；(3)无源元件的长轴要垂直于板沿着波峰焊接机传送带的运动方向；(4)有极性的表面组装元件尽可能以相同的方向放置；(5)在焊接SOIC等多引脚元件时，应在焊料流方向最后两个焊脚处设置窃锡焊盘或焊盘面积加位，以防止桥连；(6)类型相似的元件应该以相同的方向排列在板上，使得元件贴装、检查和焊接时更容易；(7)采用不同组装工艺时，要考虑元件引脚及重量对再流焊或波峰焊工艺的适应性，防止掉件或漏焊，比如波峰焊接面上元件需能承受260高温，切不能是四边有引脚器件。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,波峰焊接应用中的元件方向,相似元件的排列,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,拼板设计要求:对PCB的拼板格式有以下几点要求：(1)拼板的尺寸不可太大，也不可太小，应以制造、装配和测试过程中便于加工，不产生较大变形为宜。(2)拼板的工艺夹持边和安装工艺孔应由印制板的制造和安装工艺来确定。(3)每块拼板上应设计有基准标志，让机器将每块拼板当作单板看待。(4)拼板可采用邮票版或双面对刻型槽的分离技术。在采用邮票版时，应注意搭边应均匀分布于每块拼板的四周，以避免焊接时由于印制板受力不均导致变形。在采用双面对刻的形槽时，形槽深度应控制在板厚的1/6-1/8左右。(5)设计双面贴装不进行波峰焊的印制板时，可采用双数拼板正反面各半，两面图形按相同的排列方式可以提高设备利用率(在中、小批量生产条件下设备投资可减半)，节约生产准备费用和时间。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,线路及焊盘设计,线路工艺设计要求(1)印制电路板工艺夹持边最小为5mm。(2)避免导线与焊盘成一定角度相连，力求导线垂直于元器件的焊盘，且导线应从焊盘的长边中心与焊盘相连。(3)减小导线连通焊盘处的宽度，除非受电荷容量、加工极限等因素的限制，否则最大宽度为0.4mm或焊盘宽度的一半(以小焊盘为准)。一是为了防止散热太快，二是防止阻焊层精度不够，造成焊锡流动，形成不良焊接。(4)印制电路板导线结构：线宽与间距为0.6mm的正常刻蚀技术制作的走线；线宽与间距为0.3mm的细线刻蚀技术制作的细走线；线宽0.3mm，间距0.15mm的超细走线。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,线路及焊盘设计,(5)不同的组装方式，布线要求也不同。插装方式引线宽度为0.2mm以上，贴装方式引线宽度为0.10.2mm，精细间距组装引线宽度为0.050.1mm。(6)应尽量避免在其焊盘之间穿越互连线(特别是细间距的引脚器件)，凡穿越相邻焊盘之间的互连线，必须用阻焊膜对其加以遮隔。(7)对于多引脚元器件(如S0IC、QFP等)，引脚焊盘之间的短接处不允许直通，应由焊盘引出互连线之后再短接(若用阻焊膜加以遮隔可以除外)，以免产生位移或焊后被误认为发生了桥接。(8)对于有未封装的芯片(裸片)的PCB设计时，裸片的田字形焊盘应接地线而不宜悬空；另外为保证可靠键合，要求焊盘一定均匀镀金。对于有方向性的元器件，如三极管、芯片等在布线时应注意其极性。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,线路及焊盘设计,线路电气设计要求(1)引脚间距内过线原则：低密度要求在2.54mm引脚中心距内穿过2条线径为0.23mm的导线；中密度要求在1.27mm引脚中心距内穿过1条线径为0.15mm的导线；高密度要求在1.27mm引脚中心距内穿过23条更细导线。(2)印制板线条的宽度要求尽量一致，这样有利于阻抗匹配。从印制板制作工艺来讲，宽度可以做到0.3mm，0.2mm及0.1mm，但随着线条变细，间距变小，生产过程中质量将难以控制。除非有特殊要求，一般选用0.3mm线宽和0.3mm线间距的布线原则是比较适宜的。(3)尽量走短线，特别是对小信号电路来讲，线越短电阻越小，干扰越小，同时藕合线长度尽量减短。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,(4)多层板走线方向：按电源层，地线层和信号层分开，减少电源、地、信号之间的干扰。而且要求相邻两层印制板的线版权法应尽量相互垂直或走斜线、曲线，而不平行走线，以利于减少基板层间藕合和干扰。(5)电源线，地线设计原则：走线面积越大越好，以利于减少干扰，对于高频信号线最好是用地线屏蔽。大面积的电源层地线层要相邻，其作用是在电源和地之间形成一个电容，起到滤波作用。,线路及焊盘设计,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,线路及焊盘设计,焊盘尺寸对SMT产品的可制造性和寿命有着很大的影响，是PCB线路设计的极其关键部分，对焊点的可靠性、焊接过程中可能出现的缺陷、可测试性和检修量等都起着显著作用。目前表面组装元器件还没有统一标准，不同的国家，不同的厂商所生产的元器件外形封装都有差异，所以在设计焊盘尺寸时，应与自己所选用的元器件的封装外形、引脚等相适应，确定焊盘长度和宽度。常用的元件焊盘设计可以参考一些标准，如IPC-SM-782、IPC-7095、IPC-7525、IEC-TC52WG6、JISC-5010和电子行业工艺标准汇编。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,线路及焊盘设计,焊盘设计时应遵循以下几点：(1)对于同一个器件，凡是对称使用的焊盘，设计时应严格保持其全面的对称性，即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致；(2)对同一种器件，焊盘设计采用封装尺寸最大值和最小值为参数，计算焊盘尺寸，保证设计结果适用范围宽；(3)焊盘设计时，焊点可靠性主要取决于长度而不是宽度；(4)焊盘设计要适当：太大则焊料铺展面较大，形成的焊点较薄；较小则焊盘铜箔对熔融焊料的表面张力太小，当铜箔的表面张力小于熔融焊料表面张力时，形成的焊点为不浸润焊点；(5)焊盘与较大面积的导电区(如地、电源等平面)相连时，应通过一较细导线进行热隔离，一般宽度为0.20.4，长度约为0.6mm。(6)波峰焊时焊盘设计一般比再流焊时大，因为波峰焊中元件有胶水固定，焊盘稍大，不会危及元件的移位和直立，相反却能减少波烽焊“遮蔽效应”。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,焊盘设计尺寸参考标准,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,基准点标记(FiducialMarks)的制作要求,基准标志常用图形有：等，推荐采用的基准点标记是实心圆，直径1mm。基准点标记最小的直径为0.5mm0.020。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。一般置23个直径为1mm的实心圆于板对角线上作为基准标志。如是拼板，则每块拼板应设计有基准标志.基准点可以是裸铜、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5-10微米0.0002-0.0004。焊锡涂层不应该超过25微米0.001。,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,基准点标记的表面平整度应该在15微米0.006之内。基准点离印制板边缘至少5mm，形状不规则的板应该另外加5mm的板边。放置位于板和元器件的对角线，基准点标记周围不能有其它电路特征，其空旷区尺寸最好等于标记直径；引脚间距在0.65mm以下的细间距贴装IC，应在其焊盘图形附近增设基准标志，一般在对角线上设置两个对称基准点作为贴片机光学定位和校准用。当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。,基准点标记(FiducialMarks)的制作要求,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,图6推荐的空旷区,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,关键性元件需要在PCB上设计测试点。用于焊接表面组装元件的焊盘不允许兼作检测点，必须另外设计专用的测试焊盘，以保证焊点检测和生产调试的正常进行。用于测试的焊盘尽可能的安排于PCB的同一侧面上，即便于检测，又利于降低检测所花的费用。测试点设计工艺要求(1)测试点距离PCB边缘需大于5mm；(2)测试点不可被阻焊剂或文字油墨覆盖；(3)测试点最好镀焊料或选用质地较软、易贯穿、不易氧化的金属，以保证可靠接地，延长探针使用寿命,测试点制作要求,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,(4)测试点需放置在元件周围1mm以外，避免探针和元件撞击；(5)测试点需放置在定位孔(配合测试点用来精确定位，最佳用非金属化孔，定位孔误差应在0.05mm内)环状周围3.2mm以外；(6)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，但不要小于1.27mm；(7)测试面不能放置高度超过6.4mm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；(8)测试点中心至片式元件端边的距离C与SMD高度H有如下关系：SMD高度H3mm，C2mm；SMD高度H3mm，C4mm。(9)测试点焊盘的大小、间距及其布局还应与所采用的测试设备有关要求相匹配。,测试点制作要求,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,PCB设计方法与技巧,测试点电气设计要求(1)尽量将元件面的SMC/SMD测试点通过过孔引到焊接面，过孔直径大于1mm，可用单面针床来测试，降低测试成本；(2)每个电气接点都需有一个测试点，每个IC需有电源和接地测试点，且尽可能接近元件，最好在2.54mm以内；(3)电路走线上设置测试点时，可将其宽度放大到1mm；(4)测试点应均匀分布在PCB上，减少探针压应力集中；(5)PCB上供电线路应分区域设置测试断点，以便电源去耦合或故障点查询。设置断点时应考虑恢复测试断点后的功率承载能力。,测试点制作要求,QINGDAOTOPJOINELECTRONICSCO.,Ltd.,P