SMT 基础与工艺项目教程 课件 项目2 印制电路板PCB设计

SMT基础与工艺项目教程

印制电路板的设计是以电路原理图为根据，实现电路设计者所需要的功能。印刷电路板的设计主要指版图设计，需要考虑外部连接的布局。内部电子元件的优化布局、金属连线和通孔的优化布局、电磁保护、热耗散等各种因素。优秀的版图设计可以节约生产成本，达到良好的电路性能和散热性能。简单的版图设计可以用手工实现，复杂的版图设计需要借助电子设计自动化(EDA)实现。项目2印制电路板PCB设计任务2.1单片机电路PCB设计

印制电路板PCB设计是电子产品生产的基础性条件。PCB设计合理，才能为生产出合格的电子产品奠定基础，因此PCB设计是SMT生产前端非常重要的环节。通过本任务的学习，旨在让学者了解PCB文件的建立、掌握原理图文件导入PCB的方法、PCB布线基本流程以及PCB板优化和审核，同时通过该项目实施，强化对于EDA工具的使用。相关知识

电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation,EDA），指利用计算机辅助设计（ComputerAidedDesign,CAD）软件，来完成超大规模集成电路（VeryLargeScaleIntegration,VLSI）芯片的功能设计、综合、验证、物理设计（包括布局、布线、版图、设计规则检查等）等流程的设计方式。2.1.1计算机辅助设计EDA相关知识

目前具有广泛影响的EDA软件是系统设计辅助类软件和可编程芯片辅助设计软件。2.1.1计算机辅助设计EDA1.Protel2.AltiumDesigner3.Cadence4.Kicad5.OrCAD6.MATLAB7.EWB8.嘉立创EDA2.1.2电路设计流程相关知识1.需求分析2.原理设计3.参数设定4.电路仿真5.PCB布局设计6.PCB布线设计7.电路板制造8.电路调试和测试9.产品验证10.文档编写和备案2.1.3PCB布局相关知识1.一般布局2.元器件排列方向

（1）再流焊接

（2）波峰焊接2.1.2电路设计流程相关知识3.元器件的间距设计1）两个相邻导线之间的最小电气间隙为0.25mm。2）两个相邻焊盘之间的最小电气间隙为0.25mm。3）两个相邻贴片元件之间的最小电气间隙为0.25mm。4）两个相邻插件元件之间的最小电气间隙为1.0mm。2.1.2电路设计流程相关知识4.PCB外形设计和拼板设计外形:

一般为矩形，长宽比为3:2或4:3,厚度一般在0.5~2mm。为方便加工，单板板角或工艺边应为R型倒角，一般圆角直径为Φ5，小板可适当调整。定位孔:大小为4±0.1mm，为了定位迅速，其中一个孔可以设计成椭圆形状。PCB拼板内的每块小板至少要有三个定位孔。当单板尺寸小于100mm×70mm的PCB应进行拼板。2.1.2电路设计流程相关知识4.PCB外形设计和拼板设计2.1.2电路设计流程相关知识4.PCB外形设计和拼板设计2.1.2电路设计流程相关知识5.PCB拼板相关名词

（1）MARK点MARK点，也就是光学基准点。SMT厂贴片机进行贴装元件时，是需要对每个元件进行定位，它是以MARK点为基准点定位PCB板内的贴片元件。2.1.2电路设计流程相关知识5.PCB拼板相关名词

（2）工艺边

工艺边也称夹持边。工艺边就是在PCB两边各留出5mm，在这5mm以内不能有任何贴片元件，这是为了回流焊生产用的。2.1.2电路设计流程相关知识5.PCB拼板相关名词

（3）拼板的连接方式1）V-CUT连接2.1.2电路设计流程相关知识5.PCB拼板相关名词

（3）拼板的连接方式2）空心加连接边的形式2.1.4PCB布线设计相关知识1.布线主要原则（略）2.布线工艺要求（略）2.1.5丝印和铺铜相关知识PCB布线优化完成之后，就可以铺铜了(Place->polygonPlane)。铺铜一般铺地线（注意模拟地和数字地的分离），多层板时还可能需要铺电源。对于丝印，要注意不能被器件挡住或被过孔和焊盘去掉。同时，设计时正视元件面，底层的字应做镜像处理，以免混淆层面。2.1.6DRC检查和结构检查相关知识首先，在确定电路原理图设计无误的前提下，将所生成的PCB网络文件与原理图网络文件进行物理连接关系的网络检查（NETCHECK)，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证布线连接关系的正确性；网络检查正确通过后，对PCB设计进行设计规则检查(Designruleschecking,DRC)检查，并根据输出文件结果及时对设计进行修正，以保证PCB布线的电气性能。最后需进一步对PCB的机械安装结构进行检查和确定。2.1.7审核与检查相关知识1.电源、地线的处理2.数字电路与模拟电路的共地处理3.信号线布在电（地）层上4.大面积导体中连接腿的处理5、布线中网络系统的作用6.注意事项(1)检查尺寸(2)检查有极性的元器件封装。(3)检查丝印(4)检查器件布局(5)检查线径(6)检查走线任务实施1.实训目的及要求1）熟悉PCB设计流程；2）了解PCB设计注意事项；3）掌握PCB板设计流程；

4）完成单片机PCB设计任务2.实训器材3.

设计要求

使用AltiumDesigner或者其他EDA软件绘制如图所示电路原理图的单片机电路双面板PCB设计。任务实施4.知识储备任务实施Altium

Designer

20集成了相当强大的开发管理环境，能够有效地对设计的各项文件进行分类及层次管理。关于该软件的使用这里不再赘述，读者可查阅相关文件进行自学。菜单栏工作面板绘制工作区层显示绘图工具栏4.知识储备任务实施

（1）PCB文件建立任务实施4.知识储备(2)原理图导入为了限定元器件布局和布线的范围，用禁止布线区来实现。任务实施4.知识储备(2)原理图导入①为了限定元器件布局和布线的范围，用禁止布线区来实现。②PCB文件建立之后，需要把编译好的原理图导入到PCB文件中任务实施4.知识储备(2)原理图导入③如果在PCB里面更改了封装，同步到原理图就执行工程变更命令。任务实施4.知识储备

（3）网表对比导入1）在工程目录下单击鼠标右键，执行“添加已有文档到工程”命令，把需要对比导入的网表添加到工程中任务实施4.知识储备

（3）网表对比导入2）选中加入工程的网表，右键选择执行“显示差异”命令，如图所示，进入网表对比窗口任务实施4.知识储备

（3）网表对比导入3）出现对比结果反馈窗口，把网表和PCB对比的相关所有结果准备导入进PCB。任务实施4.知识储备

（3）网表对比导入4)执行左下角的“创建工程变更单”命令，进入和直接导入法一样的导入执行窗口任务实施4.知识储备

（3）网表对比导入4)导入效果图如图所示。任务实施4.知识储备(4)PCB布局

完成元器件库调入之后，可以通过移动Room把所有元器件一次性移动到禁止布线区里面，当然有些器件可能超出禁止布线区域，需要我们手动把器件拖动到区域内，也可以直接删除Room，初步调整如图所示。任务实施4.知识储备(4)PCB布局

根据原理图的功能，按照就近原则把器件进行调整重新布局，如图所示。任务实施4.知识储备(4)PCB布局

布局的细节调整，使用元器件排列调整K1、K2、K3、K4。任务实施4.知识储备

调整元器件编号和外框之后，如图所示，调整元器件标注信息，使其不在元器件图形、焊盘、过孔下面。(4)PCB布局任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线

项目设定PCB双面布线，接地导线宽度为50mil，电源导线宽度为45mil，其它导线宽度为8mil，电气间距为8mil。1）调用规则界面2）设置一般线宽3）设置电源、接地导线的宽度4）设置布线宽度优先级5）线间距电气规则设置6）按布线规则设置进行自动布线7）手动修改布线任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线1）调用规则界面执行菜单命令“设计（Design）”/规则（Rules），将弹出一个对话框，左侧显示设计规则类型，本项目用到的是Electrical(电气类型)和Routing(布线)设计规则，右侧显示对应设计规则的具体属性界面。任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线2）设置一般线宽任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线3）设置电源、接地导线的宽度项目规定，电源和地线宽度分别为45mil、50mil。任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线4）设置布线宽度优先级任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线5）线间距电气规则设置

不同导线之间、焊盘之间、导线与焊盘之间要保持适当的距离，以免造成短路。系统默认为10mil(1mil-0.0254mm)。任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线6）按布线规则设置进行自动布线

执行菜单命令“布线（Route）自动布线”/（Auto

Route）/All系统将弹出布线策略对话框，选用默认的双面板选项，单击Route

All按钮，即可自动布线。没有完成的布线需要进行手动修改。布线结果提示任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线7）手动修改布线

对于一些需要特殊考虑的电气性能，自动布线不能很好地解决，在这些情况下，可以在自动布线情况下进行手动修改，或者进行全部手动布线。

层显示控制

任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线7）手动修改布线

导线重叠，走线冗余

检查PCB布线情况，发现存在导线重叠，走线冗余问题，存在绕行直角问题，如图所示。

直角走线任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线7）手动修改布线

冗余走线的修改

任务实施4.知识储备

（5）PCB自动布线

最终布线效果图

任务实施5.实训结果及数据1）熟悉PCB设计流程；2）熟悉PCB设计注意事项；3）掌握PCB设计流程及设置要求；

4）能按要求完成单片机PCB设计任务。任务2.2PCB电路板设计检测任务描述PCB电路板的制造也是中国集成电路发展中重要的一环。本任务主要涉及到采用常州奥施特信息科技有限公司所设计的虚拟仿真软件。通过虚拟仿真检查和验证PCB电路板设计中存在的问题，提前加以修改和完善，使读者达到了解和熟悉PCB可制造性设计DFM设计知识、PCB设计检测(含PCB仿真、裸板检测、可装配性检测、可焊接性检测)等学习目标。相关知识2.2.1可制造性设计DFM概念可制造性设计DFM（DesignForManufacture）就是从产品开发设计时起，就考虑到可制造性和可测试性，使设计和制造之间紧密联系，实现从设计到制造一次成功的目的。DFM具有缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点，是企业产品取得成功的途径。相关知识2.2.1可制造性设计DFM概念1.现代设计DFX系列

作为一种科学的方法，DFX将不同团队的资源组织在一起，共同参与产品的设计和制造过程。通过发挥团队的共同作用，实现缩短产品开发周期，提高产品质量、可靠性和客户满意度，最终缩短从概念到客户手中的整个时间周期。PCB可制造性常用专业术语英文专业术语中文释义DFM:DesignforManufacturing可制造性设计DFT:DesignforTest可测试性设计DFD:DesignforDiagnosibility可分析性设计DFA:DesignforAssembly可装配性设计DFE:DesibnforEnviroment环保设计DFF:DesignforFabricationofthePCB可加工性设计DFS:DesignforSourcing物流设计DFR:DesignforReliability可靠性设计2.2.1可制造性设计DFM概念2.提高PCB设计质量的DFM措施1）首先管理层要重视DFM，认识DFM的必要性，编制本企业DFM规范文件。2）要求设计人员了解一些SMT工艺，熟悉可制造性设计（DFM）规范，自觉考虑组装、测试、检验、返修等整个产品制造成本和工艺流程，选择标准元器件和标准工艺，减少制具、工具的复杂性和成本。3）形成专门的DFM团队4）在设计阶段，工艺一开始就要介入5）建立假想分析模型6）通过反馈步骤来证实所有DFM的内容对生产的影响，起到的作用。7）制订审核制度（可利用DFM工具和软件）2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题1.焊盘结构尺寸不正确焊盘间距过大或过小焊盘尺寸大小不对称两个元件的端头在同一个焊盘上2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题2.通孔设计不正确导通孔设计在焊盘上，焊料会从导通孔中流出，会造成焊膏量不足。2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题3.阻焊和丝网不规范

阻焊和丝网加工在焊盘上，其原因：一是设计；二是PCB制造加工精度差造成的。其结果造成虚焊或电气断路。2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题4.元器件布局不合理

没有按照波峰焊要求设计，波峰焊时造成阴影效应；没有按照再流焊要求设计，再流焊时造成温度不均匀。2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题5.PCB外形设计不正确1）基准标志(Mark)做在大地的网格上，或Mark图形周围有阻焊膜，由于图像不一致与反光造成不认Mark、频繁停机。2）导轨传输时，由于PCB外形异形、PCB尺寸过大、过小、或由于PCB定位孔不标准，造成无法上板，无法实施机器贴片操作。3）在定位孔和夹持边附近布放了元器件，只能采用人工补贴。4）拼板槽和缺口附近的元器件布放不正确，裁板时造成损坏元器件。2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题5.PCB外形设计不正确5）PCB厚度与长度、宽度尺寸比不合适造成贴装及再流焊时变形，容易造成焊接缺陷，还容易损坏元器件。特别是焊接BGA时容易造成虚焊，如图所示。

焊接BGA时容易造成虚焊6）PCB外形不规则、PCB尺寸太小、没有加工拼板造成不能上机器贴装等等。2.2.2SMT印制电路板设计中的常见问题6.BGA的常见设计问题

焊盘尺寸不规范，过大或过小；通孔设计在焊盘上，通孔没有做埋孔处理；焊盘与导线的连接不规范；没有设计阻焊或阻焊不规范。

A面再流焊，B面波峰焊工艺时，BGA的导通孔应设计盲孔7.元器件和元器件的包装选择不合适没有按照贴装机供料器配置选购元器件和元器件的包装，造成无法用贴装机贴装。2.2.3热设计和抗干扰EMC设计1.热设计

热处理在SMT的应用上是很重要的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加，而在元件体形上不断缩小，造成单位体积内的热量不断提高。另一原因是SMT的元件和组装结构，对因尺寸变化引起的应力的消除或分散能力不佳。常见的故障是经过一定时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度)，焊点发生断裂的现象。2.2.3热设计和抗干扰EMC设计1.热设计

（1）热处理考虑的问题

一是半导体本身界面的温度，另一是焊点界面的温度。在分析热性能的时候，有两大注意方面。一是温度的变化幅度和速率，另一是处在高低温度下的时间。前者关系到和温差有关的故障，如热应力断裂等。后者关系到和时间长短有关的故障，如蠕变之类。产品在其寿命期间，尤其是在组装过程受到的热冲击(来自焊接和老化)，如果处理不当，将会大大的影响其质量和寿命。除了制造上的热冲击，产品在服务期间也会经历程度不一的热冲击，比如汽车电子在冷天气下启动而升温等等。2.2.3热设计和抗干扰EMC设计1.热设计

（2）散热处理和热平衡设计1）热较敏感的元件、较高的元件、以及上下游元件的分布规则2）高热器件应考虑放于出风口或利于对流的位置。散热器的放置应考虑利于对流。3）对于自身温升高于30℃的热源的要求4）大面积铜箔要求用隔热带与焊盘相连5）为了避免器件过回流焊后出现偏位、立碑现象，回流焊的0805以及0805以下片式元件两端焊盘应保证散热对称性，焊盘与印制导线的连接部宽度不应大于0.3mm。2.2.3热设计和抗干扰EMC设计2.抗干扰能力

没有按照EMC（电磁兼容）规格设计的电子设备，很可能会散发出电磁能量，并且干扰附近的电器。EMC对电磁干扰（EMI），电磁场（EMF）和射频干扰（RFI）等都有最大限制的规定，目的就是要防止电磁能量进入或由装置散发出。（1）电源线设计（2）地线设计（3）退耦电容配置（4）反射干扰2.2.4可测试设计DFT1.什么是可测试性?

可测试性的意义为测试工程师可以用尽可能简单的方法来检测某种元件的特性，看它能否满足预期的功能。简单地讲就是检测产品是否符合技术规范的方法简单化到什么程度？编制测试程序能快到什么程度？发现产品故障全面化到什么程度？在可制造性和可测试性之间应明确区别，因为这是完全不同的概念，从而构成不同的前提。2.2.4可测试设计DFT2.在线测试设计一般原则（1）测试点的选择1）测试点均匀分布于整个电子产品的装配印制板（PrintedBoard

Assembly，PBA）板上。2）器件的引出管脚，测试焊盘，连接器的引出脚孔均可作为测试点，贴片元件最好采用测试焊盘作为测试点，如图所示。2.2.4可测试设计DFT2.在线测试设计一般原则（1）测试点的选择3）布线时对每一条网络线上测试点的要求4）对电源和地应测试点要求5）测试点的添加时，附加线应该尽量短，见图所示2.2.4可测试设计DFT2.在线测试设计一般原则（1）测试点的选择6）测试焊盘表面与焊盘相同的表面处理，测试孔设置与再流焊导通孔要求相同。7）尽力采用一面测试，避免两面用针床测试。2.2.4可测试设计DFT2.在线测试设计一般原则（2）测试点要求1）导通孔的测试要求、探针测试的焊盘直径、面积、焊盘直径的要求2）测试点不能选择在元器件的焊点上，金手指不作为测试点，以免造成损坏。3）测试针周围的间隙，由装配工艺决定，最小间隙要求4）在PCB有探针的一面，零件高度不超过5.7mm，若超过5.7mm，测试工装必须让位，避开高元件，所以焊盘必须远离高元件5mm。5）套牢孔，呈对角线配置，定位精度为±0.05mm，直径精度为±0.076mm，相对于测试点的定位精度为±0.05mm，离开元件边缘距离至少为3mm。平台页面2.2.5仿真课程平台技术参数2.2.5仿真课程平台章节

技术参数和功能

PCB设计PCB设计课件，视频

，作业

PCB设计检测工程1.PCB设计检测：文件提取：AD（Protel软件）；静态3D仿真：PCB基板（正反面）、钻孔、贴片器件；

物理加密算法参数检测：通孔Via、焊盘Pin、线段Track；可装配性检测：PCB尺寸、Mark标号、工艺边、定位孔、机插间距；可焊接性检测：再流焊/波峰焊元器件排列检测、SMT焊盘宽度设计检测；可视化检测：可3D可视化显示PCB上具体错误位置和类型

微电子SMT组装技术

SMT组装工艺实验1.BGA电脑工艺流程设计和仿真：根据组装类型，下拉选择工艺流程每个工序，选择工艺流程的每道工序的设备；3D仿真显示所设计的工艺流程.实验2.QFP家电工艺流程设计和仿真：根据组装类型，下拉选择工艺流程每个工序，选择工艺流程的每道工序的设备；3D仿真显示所设计的工艺流程.实验3.BGA/QFP工控工艺流程设计和仿真：根据组装类型，下拉选择工艺流程每个工序，选择工艺流程的每道工序的设备；3D仿真显示所设计的工艺流程.实验4.BGA/QFN汽车电子工艺流程设计和仿真：根据组装类型，下拉选择工艺流程每个工序，选择工艺流程的每道工序的设备；3D仿真显示所设计的工艺流程.工程2.BGA电脑工艺参数设计

微电子组装工艺实验5.FC智能卡工艺流程设计和仿真实验6PoP手机组装工艺流程设计实验7.MCM军工组装工艺流程设计和仿真

SMT组装设备和工厂

SMT组装设备工程3.丝印机CAM程式编程和VR操作工程4.点胶机CAM程式编程和VR操作工程5.贴片机PCB正反面CAM程式编程，并进行设备交互式VR操作.工程6.回流焊PCB正反面CAM程式编程和温度曲线仿真,并进行设备交互式VR操作.

SMT组装工厂工程7.QFP家电组装VR工厂：在虚拟VR制造工厂中，按照电子产品类型的工艺流程，漫游找到每步工序的设备，完成生产模拟运行；查看每个工序的设备加工完成前后产品的结构变化，模拟产品生产真实过程.工程8.QFP家电生产准备工程9.QFP家电故障处理工程10.FC智能卡组装VR工厂工程11.BGA电脑组装VR工厂工程12.BGA/QFP工控组装VR工厂工程13.BGA/QFN汽车电子组装VR工厂工程14.PoP手机组装VR工厂工程15.MCM军工组装VR工厂

质量控制和维修

SMT质量控制工程16.生产故障VR处理：针对每个生产故障（缺焊膏、网板塞孔、贴片缺料、贴装飞件等）的原因，正确选择相应处理方法；再在虚拟工厂中漫游到相应设备并撞击，查看所选方法的对应动画工程17.产品质量VR控制：针对每个产品质量（元件移位、桥接、虚焊、立碑、焊料球）缺陷的原因，正确选择相应处理方法；再在虚拟工厂中漫游到相应设备并撞击，查看所选方法的对应动画

SMT设备维修工程18.丝印机维修维护：针对每个设备故障的原因，正确选择相应处理方法；再在虚拟工厂中漫游到相应设备并撞击相应故障的部位，查看所选方法的对应动画或图片工程19.贴片机设备维修维护：针对每个设备故障的原因，正确选择相应处理方法；再在虚拟工厂中漫游到相应设备并撞击相应故障的部位，查看所选方法的对应动画或图片工程20.点胶机设备维修维护：针对每个设备故障的原因，正确选择相应处理方法；再在虚拟工厂中漫游到相应设备并撞击相应故障的部位，查看所选方法的对应动画或图片工程21.回流炉设备维修维护：针对每个设备故障的原因，正确选择相应处理方法；再在虚拟工厂中漫游到相应设备并撞击相应故障的部位，查看所选方法的对应动画或图片

考评和教师系统课程大纲学生可查询课程大纲。课程考试出题基于课程大钢选择出题，