PCB的设计与生产工艺

1、致远电子有限公司作者：段小华 2004/7/12PCB的设计与生产工艺 合格PCB工程师必须注意的10个细节一个优秀的PCB设计工程师，必须综合生产工艺和测试工艺进行考虑，才能顺利地设计出好产品。这 也涉及PCB设计中的可制造性和可测试性。在实际设计中，这两点往往容易被忽略。笔者曾经在做 Bonding、SMT、THT工艺焊接的OEM时，经常遇到由于设计者不了解生产、测试工 艺，导致设计的PCB产品无法顺利加工，而遭到各 OEM厂商的拒绝，最后要么造成批量报废，要么以极 高的加工费向 OEM厂商求饶，甚至需要请客送礼；这也是部分客户为降低损失、达成合同交货期而不得 不实施的行为。记得在99年时

2、，曾接到中山客户的一个做手持对讲机项目，是 10,000多片对讲机板的SMT加工，此 板安装密集且为双面表贴，板上应用了大量的片状电感、小容量电容和片状可调电容。在加工打样后，发 现以下问题：1、 PCB为不规则图形，四周器件均靠近PCB外沿且无副边（工艺边），无法在贴片机上传输；2、 PCB上没有设置Fiducial Mark （机器视觉识别标志），只好利用PCB上的器件焊盘做为 Mark点, 但由于焊盘离阻焊层太近，阻焊层的反光使得机器识别率低，机器经常停机报警；3、个别过孔（Via）离焊盘太近，回流时造成焊锡流失，焊盘上锡少；4、可调电容的焊盘设置的太宽，由于可调电容面积大、重量轻，当锡

3、熔融时的浮力和表面的张力使 得所有可调电容均出现漂移。由于PCB存在以上问题，我们向客户表明无法承接此订单，但客户百般恳求，因为他们所接为国外订 单，签有严格的合同及违约责任，且之前已经找过两个加工单位均被拒绝，生产时间非常紧迫。最后，我 做了一个PCB的托模（将PCB嵌入式固定），才艰难的将此订单做完，为此客户也付出了近十倍的加工费。以下所写文字，多来自于笔者多年的经验与工作中的案例，也是在产品设计中的一点思考，希望能对 PCB设计工程师有所帮助。1.0 了解焊接工艺和设备很多的设计工程师并不了解组装工艺和设备，即认为产品的生产与自己无关；这样设计出的产品在组 装时往往容易出现这样那样的问题

4、，甚至直接影响到生产效率和成品率。这种问题在大批量生产时会尤为 突出。所以对工艺和设备的了解是必要的。例如：由于手工浸焊质量差、效率低、不能适应大生产和自动化作业的要求，取而代之的大都是波峰 焊。但是，包括波峰焊、切脚机、贴片机、自动印刷机在内的几乎所有自动化设备均采用轨道式传输方式， 而轨道式传输一般要求 PCB要有至少两个平行的对边， 且靠边的35mm不能有器件（要被压在轨道里）, 所以在PCB设计时，若安装密集元件，当需要将器彳放到靠近侧边时，就要考虑给PCB增加工艺边（即常说的“副边”）；若元件安装不是很密集，就应在设计时避免将器件放得太靠边。否则， PCB对于自动化 设备的适用性就会

5、受到限制。1.1 当前主要的PCB装联工艺有：SMT （Surface Mount Technology）表面安装工艺：适用于表贴元器件的焊接。THT （Through Hole Technology）通孔工艺：主要以波峰焊接工艺为主，应用于通孔元件的焊接 （少量场合，也有将其应用于表贴元器件）。Bonding （邦定）工艺：主要应用于裸片（Bare Die）与PCB的装联。1.2 本公司现有设备对PCB外形尺寸的要求:设备名称设备型号PCB SIZE (min)PCB SIZE (max)用途贴片机CP40LV+50X30X0.38460X400X4.2用于表贴元器件的安装邦定机BONDA1

6、01170 X170用于裸片的焊接回流焊MA-300R460X280用于表贴元器件的回流/再流焊接切脚机BT-6A380X230用于通孔元器件的切脚洗板机PTO/3006260X160用于PCA的清洗小锡炉270X220用于通孔元器件的手工浸焊大锡炉460X315用于通孔元器件的手工浸焊2.0再流焊接工艺要求元件的最小间距再流焊接工艺有可能造成元件或引线之间的短路。究其原因，可能是因为以下几种情况：钢网印刷的焊膏印象图形与焊盘图形未能完全吻合；焊膏粘度偏低或触变性差，导致焊膏坍塌，形成焊膏连条，载流焊后形成小锡珠或桥接。泳动效应。焊膏熔化时，元件受本身重力、焊锡润滑力、熔融焊膏表面张力的作用，

7、可能偏离焊 盘，与邻近焊盘搭接。因此，放置的各元件之间必须有一定间距，以避免形成短路与桥接。一般情况下，相邻元件的安全间 距应26mil。3.0波峰焊接工艺要求元件的最小间距波峰焊接时，由于熔融焊锡张力、金属表面润滑等诸多因素，在间距过小的焊盘或通孔之间可能产生 焊锡桥接。为了减少这种焊接缺陷，设计时应预保留元件间的合理间距。一般情况下，相邻元件（通孔元 件）的安全间距应50mil。4.0 Bonding （邦定）工艺对PCB的要求4.1 邦定板的外形尺寸邦定电路板的外形尺寸不宜设置得太大，一般情况下，建议小于100 mnx 100mm。因为太大的PCB会对Bonding （邦定）工艺提出很高

8、的要求，例如Bonder、邦定精度、铝盒等，且会使烘箱的使用效率降低。如果是外协加工的话，还可能导致加工费用增高。除非您具有相当于“ ASM AB559A ”的加工能力。如果 需要应用于较大面积的 PCB,建议先设计成模块化的小板，然后再进行组装，这样会具有更好的灵活性。4.2 Bonding工艺对PCB镀层的要求PCB的表面处理主要有裸铜（不镀）、镀银、镀金、镀锡等几种，其中裸铜（不镀）和镀锡的 PCB不 能应用于Bonding工艺。所以，在设计 Bonding板时，应避免采用裸铜（不镀）和镀锡工艺。4.3 邦定位的布线宽度邦定位的布线宽度允许在 4mil 10mil之间变化，通常设计取 5

9、mil 6mil。4.4 邦定位的阻焊设置由于电路板的生产误差， 可能导致金手指上附着部分油墨，导致邦定工艺打线不良。为避免这一问题,在阻焊层的邦定位置，应根据邦定位尺寸放置一个尺寸为？200mil？500mil的实心圆。同时，这样也可以提高邦定胶与基板的附着力。4.5 载片岛（衬底）的设计载片岛的尺寸一般稍大于裸片的管芯尺寸或等于管芯尺寸。注意：载片岛上一般不可设置通孔，通孔 会使粘片胶流失，从而造成固晶不良。4.6 载片岛周围的距离在载片岛与金手指之间，必须设置合理的间距，以适应邦定的生产工艺，便于邦定线弧的形成。目前，国内邦定行业中，几乎均采用手工固晶，比较容易产生偏差或管芯偏移。因此，

10、载片岛与金手 指的间距设置十分重要。若此间距过小，可能会导致金手指与管芯衬底短路，或者形成一个固定阻值，导 致芯片工作异常；若此距离过大，就会使邦定的线弧变长，胶点变大，可靠性降低。一般的设置标准是，对于对于127xi29mil 48线的管芯，此间距应32mil ,在32mil48mil之间。5.1 PCB的拼板拼板就是有意识的将若干个单元印制板进行规则的排列组合，把它们拼成长方形或正方形。拼板的数 量一般为2、4、6、8、9、15、16拼，拼板之间一般采用 V型槽，待加工工序结束后再将其分离。5.1 何时需要拼板1） 为了充分利用贴片机的贴装速度，提高效率，或为适应大批量、自动化生产；尤其是

11、对较小尺寸的 PCB,拼板与单片板的生产贴装效率相差很大，它将直接影响到组装效率。在大批量生产时，拼板 的意义将得到充分的体现。2） 当PCB外形尺寸小于50Momm时，必须进行拼板，否则将无法采用机器贴装元件。5.2 拼板的注意事项1） 注意拼板后的长宽比不要失调，过长或过宽都将容易让PCB折断。2） 若采用手工印刷，拼板后的尺寸建议不要大于250X180mm （手工印刷的钢网一般为 470M70mm,拼板后的图形区域以小于 250X180mm最为合适）。3） 当PCB图形为不规则图形时（无可用的平行边），必须进行拼板，以及增加工艺边。6.0定位孔、工艺边、Fiducial Mark （机器

12、视觉识别标志）的设置定位孔、工艺边、图形识别标志是保证印制板适用于自动化生产不可或缺的标志。6.1 定位孔的设置有些贴片机、自动印刷机等设备是采用孔定位方式，这时，需要在工艺边上四角设置定位孔，孔径一 般为？3.2mm。（本公司暂无此要求）。6.2 工艺边的设置目前，包括波峰焊、切脚机、贴片机、自动印刷机在内的几乎所有自动化设备均采用轨道式传输，而轨道式传输一般要求 PCB要有至少两个平行的对边, 若PCB两边35mm内不安装器件（包括通孔器件） 正常生产需要。且靠边的3 5mm内不能有器件（要被压在轨道里）,可以不设专用工艺边，即可借用PCB的两边来满足6.2.1 何时需设工艺边1） 当用到

13、孔定位设备时。2） 当器件布置的太靠边时（无可用的平行边），必须增加工艺边，否则， PCB上靠近轨道35mm距离内的表贴元器件将无法采用设备安装；若在此区域内有通孔元件， 则可能导致无法进行轨道传输（如波峰焊、切脚机等）。3） 当PCB图形为不规则图形时（无可用的平行边），则必须考滤增加工艺边和拼板6.2.2 工艺边设置的注意事项1） 工艺边的设置一般为 58mm宽，待加工工序结束后再去掉工艺边。2） 若设有工艺边，则应在工艺边上设置定位孔和图形识别标志。6.3 Fiducial Mark （机器视觉识别标志）的设置为提高器件的贴装精度，在 PCB上必须设置图形识别标志，以便于机器视觉识别（在

14、 PCB上无图形 识别标志时，也可选用焊盘或过孔等作为图形识别标志，但这样会导致识别精度和识别率降低）。图形识别标志又可分为印制板图形识别标志、器件图形识别标志。印制板图形识别标志最为常见，一般设在PCB的对角。当PCB有工艺边时，在工艺边上也应设有印制板图形识别标志；器件图形识别标志 一般用于QFP、BGA等一些高密度器件，为进一步消除印制板的制造、贴片和安装时的综合误差。器件图 形识别标志一般放置在相关元器件的对角。图形识别标志可设为圆形、等腰三角形、方形、十字形、菱形等，但最通用的为圆形、等腰三角形和正方形。一般Fiducial Mark图形的大小为：直径或边长为 1mm,但在2mm大的

15、图形范围以内不允许有阻 焊涂料，否则可能导致识别精度和识别率降低。7.0焊盘图形设计标准在SMT （Surface Mount Technology）工艺高速发展的今天， 表面组装标准落后于表面组装设计的发展， 组装工艺标准更加落后于其它标准，特别是缺乏统一的焊盘图形设计标准。在这种情况下，应遵循以下原 则：1） 焊盘图形设计首先要掌握和考虑国际上有关标准机构的SMT焊盘图形设计标准，同时，根据选择使用元器件的封装形式和制造厂商，参考其产品手册，确定焊盘图形设计的主要数据。2） 焊盘图形设计与组装工艺特别是焊接工艺有密切关系，所以在进行焊盘图形设计时必须考虑不同焊接工艺对焊盘图形的要求，尤其是

16、在 BGA、CSP、pBGA等高密度器件大行其道的今天。3） 对一些新型的焊盘图形设计，还应该进行生产性和可靠性验证。8.0测试点与通孔测试点，主要用于调试或生产中的功能测试。测试点的放置也非常重要。比如：一个在生产中必须进行测试的信号线，其一端连接着TSSOP封装元件的一个引脚，另一端连接着一个邦定引脚，当这条信号线上没有其他的通孔或焊盘时，必须放置相应的 测试焊盘；否则，一旦投入生产，该信号的测试工作将会令人十分苦恼。一般情况下，测试焊盘的最小直径应35mil,且尽量设置在2.54mm网格上，在组装密度高时也可设在1.27mm的网格上。这样做的好处是：1 .钻孔的精度可以得到保证；2 .若

17、进ICT测试的话将很有必要。在很多场合下，通孔也会用作为探针测试点。因此，建议将探针测试的通孔规格设置如下：外径为35mil、内径为18mil。考虑通孔的镀层为 2mil,那么通孔的实际直径将为 14mil。通孔不宜设置得过大， 否则，焊剂和熔融焊锡可能会经通孔冲至电路板元件面；通孔不宜设置得过小，否则，电路板加工难度将增大，导通率也将降低。9.0阻焊层的应用在电路板的阻焊层上涂覆阻焊膜，可以防止因焊锡迁移而造成的各类焊接缺陷。另外，阻焊膜可以涂 覆通孔，防止在波峰焊接时焊剂和熔融焊锡经由通孔冲至电路板元件面上；而且，便于形成真空，以方便 进行印刷贴片胶和焊膏、针床测试等操作工序。10.0 P

18、CB设计中应注意的一些问题10.1 关于铜柱的放置在需要使用铜柱彳为元器件或PCB的固定支撑或当作为脚钉时，必须注意：由于设计习惯，在 PCB的Bottom Layer放置屏蔽层（Polygon Plane）并使其接地，所以在 Top Layer铜柱的最大旋转范围内不可布 线，否则在安装铜柱后，Top Layer铜柱旁的布线就会透过铜柱与 GND短路；尽管Top Layer有阻焊层覆 盖，在铜柱旋转时阻焊层一般将被破坏。铜柱的旋转时的最大直径范围为？6mm,建议在?8mm的范围内不可布线，最少在 ？7mm范围内是不允许布线的。10.2 关于屏蔽层的接地为提高PCB的EMC特性，在电路设计时，习

19、惯上都会在PCB的空旷地方放置屏蔽层（Polygon Plane）, 通常我们都会采用 510mil的安全间距。而当 PCB上有大热容量的焊盘，而这些焊盘又处于同一网络时（例如串口座的两固定脚一般都连接到GND ）,此时我们应该适当的放大安全间距（例如 20mil）,来满足热管理的需要；否则在焊接或拆卸时，会由于热散失快而导致此焊点很难达到所需的液相（表贴焊盘亦是 如此），使得焊接和拆卸会比较困难（给焊盘加热时，由于连接的导线过粗或离Polygon Plane太近而使温度散失）。且连接这些网络的焊盘宜采用十字交叉连接，十字交叉线不宜过粗，一般为 810 mil。注：以上主要涉及到PCB热管理的

20、问题，同样适用于SMT工艺，若设计不良有时会造成焊接缺陷。10.3 放置串口座的放置串口座都有两个固定脚，且这两个固定脚习惯上都会连接到 GND,在串口座上还有一个金属的外框， 它通过两只镶丝与固定脚相连（并口座亦是如此），也就是说串口座的金属外框也将连接到 GNDo此时在顶层布线时，就应避开此金属外框的下截面，否则可能引起金属外框下的布线与GND短路（因为在安装串口座后，金属外框的下截面与底下的布线只是隔了一层阻焊膜）。10.4 定位孔的设置在做一些小PCB板的设计时，有时在安装上没有安装孔的要求，这时应考虑在PCB上放置定位孔；否则，投入生产时，测试治具只能依靠外形定位，会由于PCB的生产误差、测试治具的制作误差使得测试精度降低，给测试和测试治具的制作带来很多不便。例如：有些客户订制的LCM模块，由于客户采用塑料外壳卡口式安装，没有安装孔的要求，这时就应考虑增加定位孔以便于测试。定位孔的直径一般设在 ?1.83