印制电路板设计规范及常见问题

SMT印制电路板的可制造性设计及审核2019/8/32019/8/3—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。2019/8/3•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。2019/8/3•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2019/8/3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#2019/8/3SMT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。2019/8/3•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。2019/8/3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2019/8/3一不良设计在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。2019/8/3二目前国内SMT印制电路板设计中的常见问题及解决措施2019/8/31.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。2019/8/3•(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2019/8/3•(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。2019/8/3•(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。2019/8/3深圳贴片网www.smt-bga.com•b没有按照波峰焊要求设计，波峰焊时造成阴影效应。2019/8/32019/8/3•(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。2019/8/3•(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2019/8/3•(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。2019/8/3•(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。2019/8/32．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。2019/8/3•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2019/8/3•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。2019/8/3•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2019/8/3•(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）2019/8/3•(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。2019/8/31.3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。2019/8/3•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）2019/8/3•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。2019/8/3•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。2019/8/32．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2019/8/3•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2019/8/3.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。2019/8/33．选择元器件2019/8/3•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；2019/8/3•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；2019/8/33.3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2019/8/3b)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。2019/8/3c)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。2019/8/3、4.SMC/SMD（贴装元器件）焊盘设计•2019/8/3PCB焊盘结构设计要