SMT印制电路板的可制造性设计及审核

SMT印制电路板的可制造性设计及审核—基板材料选择—布线—元器件选择—焊盘—印制板电路设计——————测试点PCB设计——可制造（工艺）性设计—导线、通孔—可靠性设计—焊盘与导线的连接—降低生产成本—阻焊—散热、电磁干扰等•印制电路板（以下简称PCB）设计是表面组装技术的重要组成之一。PCB设计质量是衡量表面组装技术水平的一个重要标志，是保证表面组装质量的首要条件之一。PCB设计包含的内容：•可制造性设计DFM（DesignForManufacture）是保证PCB设计质量的最有效的方法。DFM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。•HP公司DFM统计调查表明:产品总成本60%取决于产品的最初设计，75％的制造成本取决于设计说明和设计规范，70－80％的生产缺陷是由于设计原因造成的。•新产品研发过程方案设计→样机制作→产品验证•→小批试生产→首批投料→正式投产传统的设计方法与现代设计方法比较•传统的设计方法•串行设计重新设计重新设计生产•1#n#•现代设计方法••并行设计CE重新设计生产•及DFM1#SMT工艺与传统插装工艺有很大区别，对PCB设计有专门要求。除了满足电性能、机械结构、等常规要求外，还要满足SMT自动印刷、自动贴装、自动焊接、自动检测要求。特别要满足再流焊工艺的再流动和自定位效应的工艺特点要求。•SMT具有全自动、高速度、高效益的特点，不同厂家的生产设备对PCB的形状、尺寸、夹持边、定位孔、基准标志图形的设置等有不同的规定。•不正确的设计不仅会导致组装质量下降，还会造成贴装困难、频繁停机，影响自动化生产设备正常运行，影响贴装效率，增加返修率，直接影响产品质量、产量和加工成本，严重时还会造成印制电路板报废等质量事故。•又由于PCB设计的质量问题在生产工艺中是很难甚至无法解决的，如果疏忽了对设计质量的控制，在批生产中将会带来很多麻烦，会造成元器件、材料、工时的浪费，甚至会造成重大损失。内容•一不良设计在SMT生产制造中的危害•二目前国内SMT印制电路板设计中的常见问题及解决措施•三.SMT工艺对PCB设计的要求•四.SMT设备对PCB设计的要求•五.提高PCB设计质量的措施•六.SMT印制板可制造性设计（工艺性）审核一不良设计在SMT生产制造中的危害•1.造成大量焊接缺陷。•2.增加修板和返修工作量，浪费工时，延误工期。•3.增加工艺流程，浪费材料、浪费能源。•4.返修可能会损坏元器件和印制板。•5.返修后影响产品的可靠性•6.造成可制造性差，增加工艺难度，影响设备利用率，降低生产效率。•7．最严重时由于无法实施生产需要重新设计，导致整个产品的实际开发时间延长，失去市场竞争的机会。二目前国内SMT印制电路板设计中的常见问题及解决措施1.PCB设计中的常见问题（举例）•(1)焊盘结构尺寸不正确•以Chip元件为例：•a当焊盘间距G过大或过小时，再流焊时由于元件焊端不能与焊盘搭接交叠，会产生吊桥、移位。•焊盘间距G过大或过小•b当焊盘尺寸大小不对称，或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生吊桥、移位。•(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。•印制导线•不正确正确•导通孔示意图•(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。•(4)元器件布局不合理•a没有按照再流焊要求设计，再流焊时造成温度不均匀。•b没有按照波峰焊要求设计，波峰焊时造成阴影效应。•(5)基准标志(Mark)、PCB外形和尺寸、PCB定位孔和夹持边的设置不正确•a基准标志(Mark)做在大地的网格上，或Mark图形周围有阻焊膜，由于图象不一致与反光造成不认Mark、频繁停机。•b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。•c在定位孔和夹持边附近布放了元器件，只能采用人工补贴。•d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。•(6)PCB材料选择、PCB厚度与长度、宽度尺寸比不合适•a由于PCB材料选择不合适，在贴片前就已经变形，造成贴装精度下降。•bPCB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。••虚焊•(7)BGA的常见设计问题•a焊盘尺寸不规范，过大或过小。•b通孔设计在焊盘上，通孔没有做埋孔处理•c焊盘与导线的连接不规范•d没有设计阻焊或阻焊不规范。•(8)元器件和元器件的包装选择不合适•由于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。•(9)齐套备料时把编带剪断。•(10)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．消除不良设计，实现DFM的措施•(1)首先管理层要重视DFM，编制本企业的DFM规范文件。•(2)制订审核、修改和实施的具体规定，建立DFM的审核制度。•(3)设计人员要熟悉DFM设计规范，并按设计规范进行新产品设计。•(4)外协加工时，在新产品设计前就要与SMT加工厂建立联系，SMT加工厂应将本企业的DFM设计规范交给客户。必须按照SMT加工厂的DFM设计规范进行设计。以提高从设计到制造一次成功率，减少工程变更次数。•(5)工艺员应及时将制造过程中的问题反馈给设计人员，不断改进和完善产品的DFM设计。•1.印制板的组装形式及工艺流程设计•1.1印制板的组装形式•1.2工艺流程设计•1.2.1纯表面组装工艺流程•(1)单面表面组装工艺流程•施加焊膏贴装元器件再流焊。•(2)双面表面组装工艺流程•A面施加焊膏贴装元器件再流焊•翻转PCB•B面施加焊膏贴装元器件再流焊。•1.2.2表面贴装和插装混装工艺流程•(1)单面混装（SMD和THC都在同一面）•A面施加焊膏贴装SMD再流焊•A面插装THCB面波峰焊。•(2)单面混装（SMD和THC分别在PCB的两面）•B面施加贴装胶贴装SMD胶固化•翻转PCB•A面插装THCB面波峰焊。或：A面插装THC（机器）B面贴装再波峰焊•(3)双面混装（THC在A面，A、B两面都有SMD）•A面施加焊膏贴装SMD再流焊•翻转PCB•B面施加贴装胶贴装SMD胶固化•翻转PCB•A面插装THCB面波峰焊。•（应用最多）•(4)双面混装（A、B两面都有SMD和THC）•A面施加焊膏贴装SMD再流焊•翻转PCB•B面施加贴装胶贴装SMD胶固化•翻转PCB•A面插装THCB面波峰焊B面插装件后附。1.3选择表面贴装工艺流程应考虑的因素1.3.1尽量采用再流焊方式，再流焊比波峰焊具有以下优越性；•(1)元器件受到的热冲击小。•(2)能控制焊料量，焊接缺陷少，焊接质量好，可靠性高；•(3)焊料中一般不会混入不纯物，能正确地保证焊料的组分；•有自定位效应（selfalignment）•(4)可在同一基板上，采用不同焊接工艺进行焊接；•(5)工艺简单，修板量极小。从而节省了人力、电力、材料。•1.3.2一般密度的混合组装时•尽量选择插装元件、贴片元件在同一面。•当SMD和THC在PCB的同一面时，采用A面印刷焊膏、再流焊，B面波峰焊工艺；（必须双面板）•当THC在PCB的A面、SMD在PCB的B面时，采用B面点胶、波峰焊工艺。（单面板）•1.3.3高密度混合组装时•a)高密度时，尽量选择表贴元件；•b)将阻、容、感元件、晶体管等小元件放在B面，IC和体积大、重的、高的元件（如铝电解电容）放在A面，实在排不开时，B面尽量放小的IC；•c)BGA设计时，尽量将BGA放在A面，两面安排BGA元件会增加工艺难度。•d)当没有THC或只有及少量THC时，可采用双面印刷焊膏、再流焊工艺，及少量THC采用后附的方法；•e)当A面有较多THC时，采用A面印刷焊膏、再流焊，B面点胶、波峰焊工艺。•f)尽量不要在双面安排THC。必须安排在B面的发光二极管、连接器、开关、微调元器件等THC采用后附的方法。•注意：•在印制板的同一面，禁止采用先再流焊SMD，后对THC进行波峰焊的工艺流程。2．选择PCB材料•a)应适当选择Ｔg较高的基材——玻璃化转变温度Ｔg是聚合物特有的性能，是决定材料性能的临界温度，是选择基板的一个关键参数。环氧树脂的Tg在125~140℃左右，再流焊温度在220℃左右，远远高于PCB基板的Ｔg，高温容易造成PCB的热变形，严重时会损坏元件。•Tg应高于电路工作温度•b)要求CTE低——由于X、Y和厚度方向的热膨胀系数不一致，容易造成PCB变形，严重时会造成金属化孔断裂和损坏元件。•c)要求耐热性高——一般要求PCB能有250℃/50S的耐热性。•d）要求平整度好.e)电气性能要求•——高频电路时要求选择介电常数高、介质损耗小的材料。——绝缘电阻，耐电压强度，抗电弧性能都要满足产品要求。3．选择元器件•3.1元器件选用标准•a元器件的外形适合自动化表面贴装，元件的上表面应易于使用真空吸嘴吸取，下表面具有使用胶粘剂的能力；•b尺寸、形状标准化、并具有良好的尺寸精度和互换性；•c包装形式适合贴装机自动贴装要求；•d具有一定的机械强度，能承受贴装机的贴装应力和基板的弯折应力；•e元器件的焊端或引脚的可焊性要符合要求；•235℃±5℃，2±0.2s或230℃±5℃，3±0.5s，焊端90%沾锡。•f符合再流焊和波峰焊的耐高温焊接要求；•再流焊：235℃±5℃，2±0.2s。•波峰焊：260℃±5℃，5±0.5s。•g可承受有机溶剂的洗涤；3.3选择元器件要根据具体产品电路要求以及PCB尺寸、组装密度、组装形式、产品的档次和投入的成本进行选择。a）SMC的选择注意尺寸大小和尺寸精度，并考虑满足贴片机功能。钽和铝电解电容器主要用于电容量大的场合薄膜电容器用于耐热要求高的场合云母电容器用于Q值高的移动通信领域波峰焊工艺必须选择三层金属电极焊端结构片式元件b)SMD的选择•小外形封装晶体管：SOT23是最常用的三极管封装，SOT143用于射频•SOP、SOJ：是DIP的缩小型，与DIP功能相似•QFP：占有面积大，引脚易变形，易失去共面性；引脚的柔性又能帮助释放应力，改善焊点的可靠性。QFP引腿最小间距为0.3mm，目前0.5mm间距已普遍应用，0.3mm、0.4mm的QFP逐渐被BGA替代。选择时注意贴片机精度是否满足要求。•PLCC：占有面积小，引脚不易变形，但检测不方便。•LCCC：价格昂贵，主要用于高可靠性的军用组件中，而且必须考虑器件与电路板之间的CET问题•BGA、CSP：适用于I/O高的电路中。c)片式机电元件：用于高密度、要求体积小、重量轻的电子产品。对于重量和体积大的电子产品应选用有引脚的机电元件。d)THC（插装元器件）•大功率器件、机电元件和特殊器件的片式化尚不成熟，还得采用插装元器件•从价格上考虑，选择THC比SMD较便宜。、4.SMC/SMD（贴装元器件）焊盘设计•PCB焊盘结构设计要满足再流焊工艺特点“再流动”与自定位效应•从再流焊与波峰焊工艺最大的差异是：•波峰焊工艺是通过贴片胶粘接或印制板的插装孔事先将贴装元器件及插装元器件固定在印制板的相应位置上，焊接时不会产生位置移动。•而再流焊工艺焊接时的情况就大不相同了，元器件贴装后只是被焊膏临时固定在印制板的相应位置上，当焊膏达到熔融温度时，焊料还要“再流动”一次，元器件的位置受熔融焊料表面张力的作用发生位置移动。••如果焊盘设计正确（焊盘位置尺寸对称，焊盘间距恰当），元器件端头与印制板焊盘的可焊性良好，元器件的全部焊端或引脚与相应焊盘同时被熔融焊料润湿时，就会产生自定位或称为自校正效应（selfalignment）——当元器件贴放位置有少量偏离时，在表面张力的作用下，能自动被拉回到近似目标位置。•但是如果PCB焊盘设