PCB板设计与制作的可靠性研究

1中南大学本科生毕业论文(设计)题目：PCB板设计与制作的可靠性研究学院：物理科学与技术专业班级：电子信息科学与技术070123内容摘要摘要：随着社会和科技的不断发展，PCB的布线布局也更趋向于精密化，这就对生产有了更高的要求，换句话来说，对生产的可靠性有了更大的要求，生产过程中的可靠性高了，生产出来的产品才会有更高的可靠性。本文通过对生产中一些问题的分析，来阐述设计对制造生产过程中的可靠性的影响，或者说，设计时要怎么考虑才能使得生产中有更高的可靠性。关键词：PCB;可靠性;设计;生产Abstract:Withthecontinuousdevelopmentofsocietyandtechnology,PCBwiringlayoutisalsomoreinclinedtoprecision,whichhavehigherrequirementsontheproduction,inotherwords,thereliabilityofproductionhaveagreaterRequirements,highreliabilityoftheproductionprocess,andtheproductsproducedwillhaveahigherreliability.Basedontheanalysisoftheproductionofanumberofissuestoillustratethedesignprocessonthereliabilityofmanufacturingeffects,orthatthedesignshouldconsiderhowtomaketheproductionofhigherreliability.Keyword:PCB;reliability;design;production4绪论1.印刷电路板的背景PCB（printedcircuitboard），即印制电路板是在绝缘基材上，按预定设计，制成印制线路，印制元件或有两者组合而成的导电图形后制成的板。它作为元器件的支撑，并且提供系统电路工作所需要的电气连接，是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用。它在整个电子产品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色。图1是电子构装层级区分示意。图1电子构装层级区分而近年来，随着科学技术的不断发展，电子产品日趋轻薄短小，使得PCB的制造面临了几个挑战：（1）薄板（2）高密度（3）高性能（4）高速(5)产品周期缩短（6）降低成本等。以往以灯桌、笔刀、贴图及照相机作为制前工具，现在已经被计算机、工作软件及激光绘图机所取代。过去，以手工排版，或者还需要Micro-Modifier来修正尺寸等费时耗工的作业，今天只要在CAM(ComputerAidedManufacturing)工作人员取得客户的设计资料，可能几小时内，就可以依设计规则或DFM(DesignForManufacturing)自动排版并变化不同的生产条件。同时可以输出如钻孔、成型、测试冶具等资料。而为了提高PCB生产的效率，提5升生产中的成品率，降低生产的成本，在生产设备允许的条件下，规范的、符合生产设备要求的PCB设计在其中占了很大比重。因此，在本文中将具体探究基于日常生产参数之上的PCB的设计规范问题。2.“可靠性”的来源第二次世界大战中，美国自己认为其军工技术是高超的，但事实上却相反，在许多地方都暴露了它的缺陷。例如，根据已公开的统计，在美军运到远东的武器中，60%的飞机不能使用，电子设备有50%在库存中就发生了故障，轰炸机的电子设备寿命仅有20h，海军用的电子设备70%是有故障的。而大部分故障都是发生在军用机器的心脏部分———电子设备。据说这些事实使美国政府感到震惊，因而军方和民用企业共同努力，开展了可靠性的研究。这就是可靠性问题真正受到重视的开始。开始时，可靠性问题是专门针对电子管的，并且是以军方的研究为主，并成立了一系列研究机构和组织。经过它们的研究，结果确定了高可靠度的规格，除电气特性之外，还提出了振动、冲击等环境因素。与此同时，振动和冲击的试验、测量等技术也进一步发展起来了。20世纪50年代，可靠性研究的范围从电子管扩大到整套电子设备，走上了轨道。1950年，美国国防部成立了电子设备研究小组，陆海空三军中也分别开展了电子设备和元器件的可靠性研究工作。1952年8月，美国国防部设立了著名的电子设备可靠性咨询小组（AGREE,Advisory,Group,onReliabilityofElectronicEquipment）。电子设备可靠性咨询小组于1957年7月提出了报告。报告以生产、试制时的可靠性测量方法为主提出了许多建议，成为以后军用品生产的规格和相继而来的许多研究工作的基础。依据这份报告可以认为，到这个时期为止，可靠性问题的方向已具体地确立了。63.可靠性的定义可靠性一词有狭义和广义两种解释。从广义上来说，可靠性是指消费者对产品满意的程度，或对企业信赖的程度。但是这些都是由主观上来判定的，如要对可靠性作出具体的定量判定，就有必要为可靠性作出更为客观的解释。这不是本书中要谈到的可靠性。狭义上的可靠性是有客观的科学定义的，现在工业界广泛地使用如下的定义：所谓可靠性，就是在给定条件下和规定时间内，元器件、设备或者系统完成规定功能的概率。可靠性定义是一个科学的概念，对这一定义有必要加以说明。1、可靠性具有定量性所谓可靠性，并不是平常所说的那种可靠或不可靠，它不用“非常可靠”或“相当可靠”之类的方式来表达，而是要求用概率（Probability）来作定量的、客观的表示。2、问题的对象“零件、器件、设备或系统”是可靠性问题的主要对象。3、完成规定的功能“完成规定的功能”是制造设备或者系统的目的。4、规定的时间“规定的时间”是通过合同来决定的，长短不一，短的如导弹那样只有几分钟，长的也有如光缆之类达几十年之久的。5、规定的条件“规定的条件”就是使用条件、环境条件等，它包括所有物理、化学及人一机工程学的因素。7第一章PCB板设计的工艺规范及参数1.1、总则PCB设计在整个硬设计中起着关键的连接作用，它不仅要考虑考虑电原理功能上的实现，也要考虑后续生产、测试、使用、维修、归档继承等方面的因素。1.2、基本工艺要求1.2.1组装形式PCB的设计首先应该确定SMD（贴装）与THC（插装）在PCB正反两面上的布局。不同的组装形式有不同的工艺流程，对生产线也有不同的要求。表1大致列出的几种组装形式是比较常见的。表1PCB的组装形式组装形式示意图PCB设计特征1、单面全SMD单面装有SMD2、双面全SMD双面装有SMD3、单面混装单面既有SMD又有THC4、A面混装B面仅贴简单SMD一面混装，另一面仅装简单SMD5、A面插件B面仅贴简单SMD一面装THC，另一面仅装简单SMD注1：简单SMD是指管脚间距或引线中心距大于1mm的SMD。注2：在波峰焊的板面上（4、5组装形式）避免出现仅几个SMD的现象，它增加了组装流程。1.2.2PCB尺寸在设计时，考虑到装焊以及生产的可行性，其最小的单板尺寸应不小于“宽120mmX长120mm”,一般最理想的尺寸范围是“宽（200mm-250mm）X长（250mm8-350mm）”。而表2列出其厚度与表面铜箔的厚度。表2PCB厚度及铜箔厚度PCB厚度0.50.81.01.51.62.02.43.03.26.4（单位:mm）铜箔厚度18（0.5oz/Ft2）35（1oz/Ft2）70（2oz/Ft2）105（3oz/Ft2）（单位m）1.2.3PCB外形1、对波峰焊，PCB的外形必须是矩形的（四角为R=1～2mm圆角更好，但不做严格要求）。偏离这种形状会引起PCB传送不稳、插件时翻板和波峰焊时熔融焊料汲起等问题。2、对纯SMT板，允许有缺口，但缺口尺寸须小于所在边长度的1/3，应该确保PCB在链条上传送平稳，见图2所示。图2PCB外形3、对于特殊情况，需要将PCB设计成非矩形，必须通过拼版方式将整体外形设计成矩形，有利于装焊，装焊后将附加的拼版部分掰去。1.2.4传送边、挡条边、定位孔PCB应该留出两条5mm宽度的传送边，一边在流水线上传送。如果元件较多，安装面积不够，可以将元件安装到边，但必须加上工艺传送边（通过拼板方式）。另外，距边1mm范围内不得有导体，否则在PCB制作时将进行刮铜处理，可能造成缺陷。每一块PCB必须在其角部位置设计三个定位孔，以便在线测试和PCB本9身加工时进行定位，定位孔直径为φ3.2mm。定位孔、非接地安装孔均应设计成非金属化孔，非金属化孔周围需留出0.3mm宽的非铜箔区（即留出封孔圈），以便PCB制作时能封住孔使之不金属化。1.2.5光学定位标志对采用光学定位的贴装设备应该设计出光学定位标志。光学定位标志用于贴片机整体自动定位，要求统一使用圆形定位标志。光学定位标志应该在贴片机的光源照射下有高的对比度。1.2.6PCB拼板设计拼板设计首先要考虑的就是小板如何摆放，拼成较大的板。建议以拼板后最终尺寸接近理想的尺寸为拼板设计的依据。拼板的连接方式主要有双面对刻V形槽、长槽孔加圆孔和长槽孔三种，视PCB的外形而定。具体见表3所示。表3拼板连接方式拼板方式试用范围特点双面对刻V形槽方形PCB分离后边缘整齐、加工成本低长槽孔加圆孔各种外形的子板（小PCB，相对于拼后大的板而言）之间的拼板分离后边缘不整齐，不适用导槽固定的PCB同时为了分离方便以及满足插装时的刚度需要需设计连接桥，连接桥位置和数量的设置应该根据此板的组装工艺具体考虑。1.2.7孔位图和非金属化孔的表示在PCB的设计中应区分金属化和非金属化孔。非金属化孔周围应该设禁止布线区，以免紧固件接触电路，直径大小根据紧固件的尺寸决定。1.2.8铜箔与边框的间距边框露铜容易造成一系列的问题，边缘腐蚀，与机壳短路等等。因此要求，在PCB板覆铜时要离开板边缘最少1mm。如果有电源、地层，则在电源、地层应沿PCB外框线画一条2mm宽的隔离线。如图3所示。同时地层的边框应比电源层的边框宽5mm。10图3为保证边框不露铜使用的隔离线1.3、布线1.3.1布线的基本原则1、布线面的选择顺序应是单面、双面和多层，布线密度应综合结构要求、加工条件限制和电性能要求等各项因素合理选区。在布线密度允许的条件下，应适当放宽导线宽度和间距。2、两相邻面的印制导线应采取相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免互相平行，以减小寄生耦合。在同一面布设高频电路的印制导线，也应避免相邻导线平行段过长，以免发生信号反馈或串扰。3、线拐弯处的外拐角应成圆形或圆弧形,以免在高频电路中造成辐射干扰和衰减。避免使用直角拐角或45度拐角，推荐使用135度拐角和圆弧形拐角。1.3.2布线密度设计在组装密度许可的情况下，选用较低密度布线设计，以提高无缺陷和可靠性的制造能力，常用布线密度设计参考表4。表4布线密度说明（单位mm）布线密度一般较密高密度甚高密2.54mm网格通孔间布线示意图线宽0.30.250.20.15线间隔0.30.250.20.15焊盘外径1.781.671.541.51.3.3焊盘与印制线的连接焊盘与印制线的连接设计主要是针对再流焊时元件处于浮动状态，为防止元件位置变动、防止每个焊盘上焊膏不同时熔化情况的产生而考虑的。111、对于两个焊盘安装的元件，如电阻、电容，与其焊盘连接的印制线最好从焊盘中心位置对称引出，且与焊盘连接的印制线必须具有一样宽度，如图4所示。图4阻容元件焊盘与印制线的连接2、与较宽印制线连接的焊盘，中间最好通过一段窄的印制线过渡，这一段窄的印制线通常被称为“隔热路径”，否则，对2125(英制即0805)及其以下CHIP类SMD，焊接时极易出现“立片”缺陷。具体要求如图5所示。图5隔热路径的设计3、对焊盘、过孔与连线的连接，采用水珠连接方式，可有效解决连线与焊盘、过孔的连接牢固问题，这一点在生产过程中尤为重要，一般工厂的工程部会的对非水珠连接方式的电路图进行修改。1.3.4过孔位置的设计过孔的位置主要与