电子产品可制造性设计

1电子产品可制造性设计尹纪兵2016-05-2522可靠性高的产品设计·可靠性高的元器件与零配件·优良的工艺设计与工艺技术.PCB元件布局，.产品的，制造流程设计产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把制造系统用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。本文将以智能手机板，工业控制板，以及家电消费类电子产品为主对PCB的：1.拼板方式尺寸，2.插件元件的孔设计，3.贴片元件的焊盘设计，4.PCB的引线，测试点布局，5.元件的方向，间距布局要求，6.按IPC-610焊点要求设计钢网开孔。另外摘录了IPC-SM782上电子元件的焊盘标准封装库（0201到1210，QFN,QFP，BGA）电子产品工艺设计关键DFV—价格设计(designforValue)DFR—可靠性设计(DesignforReliability)DFM—可制造性设计(DesignforManufacturability)DFA—可装配性设计(DesignforAssembly)DFT—可测试性设计(DesignforTestability)DFS—可维护性设计(DesignforServicability)3目录1.PCBA工艺选择2.PCBA拼板设计3.元件布局需要考虑的因数4.PCBA元件焊盘\孔径设计5.焊盘出线方式设计6.SMT常见元件焊盘尺寸表7.焊盘设计常见问题8.手机板(MTK方案)中常见元件及其开孔4目录一.PCBA工艺选择六.SMD表贴元件焊盘推荐设计标准电阻/电容/电感/磁珠元件尺寸二.PCBA拼板设计PCB外形尺寸电阻/电容/电感/磁珠焊盘尺寸PCB四角三极管焊盘设计推荐对纯SMT板，允许有缺口IC（QFN）的焊盘推荐设计PCB工艺边要求IC（QFP）的焊盘推荐设计PCB连接V-CUT及邮票孔IC（BGA）的焊盘推荐设计PCB拼板带角度(小于90度)的处理方式IC焊盘设计说明MARK点设计七.CHIP，IC焊盘设计中常见问题焊盘结构尺寸V-cut限制通孔,阻焊三.元件布局需要考虑的因数元件封装选择材料，厚度，长宽比PCBA两面元件布局要求BGA常见问题波峰焊背面元件布局要八，BGA焊盘设计中常见问题通孔,阻焊BGA、QFN周围3mm内无器绿油接插件能合并尽量合并，减少插件数九.手机板(MTK方案)中常见元件及其开孔基带芯片较轻的器件布局中频芯片排针座连接器打K脚电源管理器,蓝牙芯片元件布局机械应力要求5.I/O接口(USB接口)定位孔、螺丝孔布局存储器元件布局热应力要求音频功放大面积电源区和接地区的设计触摸屏驱动芯片拖锡焊盘TF卡,SIM卡四.PCBA元件焊盘\孔径设计SMT焊盘设计B2B连接器DIP元件焊盘射频功放可测试性要求0201类元件,0402类元件五.焊盘出线方式设计屏蔽框类5单面贴装单面混装双面贴装双面混装一、PCBA工艺选择6拼板后PCB尺寸最大最小最佳长420.050.0200.0宽350.050.0150.0厚4.00.41.02.2、PCB四角建议倒圆角。半径R=2mm(如下图1)，有整机结构要求的可自定义，可以倒圆角R2mm;2.1、基于贴装设备的工作范围及PCB的变形PCB外形尺寸需要满足下述要求（单位mm)：2.3、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，如图2所示;有缺口大于1/3边长时要补空板来弥补图1PCB四角导半经为2.0MM的角图2PCB有缺口大于1/3边长时要补空板来弥补二、PCBA拼板设计72.4、PCB工艺边要求：2.4.1根据SMT贴装及回流设备,距PCB边缘3mm范围内不建议布局元件焊盘、MARK,如达不到要求需要加工艺边;2.4.2PCB连接V-CUT及邮票孔:V-CUT的残厚通常的标准是1/3的厚度，角度为：30°；如板厚1.0，则上下各CUT掉0.33,留下0.33PCB小于1.0的情况下要留下1/2防止回流后变形，如0.8的板CUT掉0.4，0.6的CUT掉0.3邮票孔间距为1.0，孔经为0.5元件距离板边小于3.0时要加工艺边8靠近板时可以铣到板边板与板拼时，可以加钻小孔2.5、PCB拼板带角度(小于90度)的处理方式：2.5.1处理靠边的铣槽到板边;2.5.2在拼板中间的在锐角加钻小圆孔，这样保证每片板的外型尺寸，不影响结构组装:2.6、MARK点设计：2.6.1光学对位记号规格有：方型、圆形、三角形,我司主要以圆形为主①:直径为1.0mmCupad/表面处理为化金/喷锡/化银/OSP.②:直径为3mmSoldermask/黑化或粗糙面.③:直径为4.5mm;线宽为1mmCucircle/铜箔加盖绿漆9工艺边对角Mark点三个，离板边距离要求大于3MM2.6.2光学定位基准符号布置原则：a）光学定位基准符号必须赋予坐标值（当作元件设计），不允许在PCB设计完后以一个符号的形式加上去,可以定义为MARK1,MARK2b)考虑到PCB在制做时有X板，单板应有局部MARK两个，拼板后要在工艺有贴片元器件的PCB面上，选设3个整板光学定位基准符号(贴装投板时防呆用）;c)焊盘中心距（间距）0.5mm（20mil）的QFP以及中心距≤0.8mm（31mil）的BGA等器件，应在通过该元件中心点对角线附近的对角设置局部光学定位基准符号，以便对其精确定位3.0MM工艺边102.7V-cut限制：2.7.1出于贴装时自动传输，及周转的需要，元器件的外侧距过轨道接触的两个板边距离≥3mm，对于达不到要求的，PCB应加工艺边，器件与V-CUT的距离≥2mm。2.7.2V-cut距离Trace边缘至少1mmV-cut距离零件或PAD边缘至少2mm若存在0402～1206电容、电感易裂的零件无法满足距V-cut3mm的距离要求，则应垂直于V-cut且在板边开孔易裂的零件无法满足距V-cut3mm的距离要求，则应垂直于V-cut且在板边开孔PCB应加工艺边，器件与V-CUT的距离≥2mm2.7.3此时需考虑到V-CUT的边缘到线路（或PAD）边缘的安全距离“S”，以防止线路损伤或露铜，一般要求S≥0.3mm。2.7.4对于需要机器自动分板的PCB，V-CUT线两面（TOP和BOTTOM面）要求各保留不小于1mm的器件禁布区，以避免在自动分板时损坏器件.11元件的物理特性元件的空间分配直接影响产品的质量与可靠性元件的电气特性元件的装配需求生产工艺的需求直接影响产品的生产效率测试需求维修需求三、元件布局需要考虑的因数：123.1、元件封装选择：a:应尽量使用SMD元件；布局采用单面混装设计。b:应尽量允许器件过波峰焊接。选择器件时尽量少选不能过波峰焊接的器件;c:元件种类尽量少，尽可能的选择标准件，定制元件减少d:能合并的元件尽量合并，减少元件数量（例：端子片、插座等）；e:手工焊接类元件尽量不增（线材类能打端子或插针类）；13出于可靠性的考虑：1、片式器件：A≦0.075g/mm22、翼形引脚器件：A≦0.300g/mm23、J形引脚器件：A≦0.200g/mm24、面阵列器件：A≦0.100g/mm2若有超重的器件必须布在BOTTOM面，则应通过验证。在BOTTOM面无大体积、太重的表贴器件。要求重量限制A=器件重量/引脚与焊盘接触面积2.2.1两面过回流焊的PCB3.2、PCBA两面元件布局要求14波峰焊加工的单板背面器件不形成阴影效应的安全距离已考虑波峰焊工艺的SMT器件距离要求如下L——焊盘间距（mm/mil）B——器件本体间距（mm/mil）3.2.2.1相同器件间的距离3.2.2.2不同类型器件间的距离B——器件本体间距（mm/mil）3.2.2、波峰焊背面元件布局要求153.2.3.1为了保证可维修性，BGA器件周围要有3mm禁布区，最佳为5mm。3.2.3.2一般情况下，BGA不允许放置在背面。当背面有BGA器件时，不能在正面BGA5mm禁布区的投影范围内布器件。3.2.3.3有极性的元件方向尽量统一电容极性各个方向都有元件方向统一3.2.3、BGA、QFN周围3mm内无器件16插座种类多插座合并3.2.5、接插件能合并的尽量合并，减少插件数量173.2.6较轻的器件如二级管和1/4W电阻等，布局时应使其轴线和波峰焊方向垂直。这样能防止过波峰焊时因一端先焊接凝固而使器件产生浮高现象。3.2.7单排针座连接器为防止过波峰焊浮高,料件两边引脚需打K脚(元件订制时说明形状）.183.3.1布局时尽量靠近传送边或受应力较小区域，其轴向尽量与进板方向平行（图4），3.3.2经常插拔器件或板边连接器周围3MM范围内尽量不布置SMD，以防止连接器插拔时产生的应力损坏器件;3.0MM3.3、元件布局机械应力要求193.3.3定位孔、螺丝孔、铆钉孔等周围按以下要求进行布局;类型紧固件的直径规格（单位：mm）表层最小禁布区直径范围（单位：mm）内层最小无铜区(单位：mm)金属化孔孔壁与导线最小边缘距离电源层、接地层铜箔与非金属化孔孔壁最小边缘距离螺钉孔27.10.40.632.57.638.6410.6512铆钉孔47.62.862.56定位孔、安装孔等≥2安装金属件最大禁布区面积+A(注)间距空距20风向热敏器件高大元件3.4.1需安装散热器的SMD应注意散热器的安装位置，布局时要求有足够大的空间，确保不与其它器件相碰。确保最小0.5mm的距离满足安装空间要求。说明：1、热敏器件（如电阻电容器、晶振等）应尽量远离高热器件。2、热敏器件应尽量放置在上风口,高器件放置在低矮元件后面，并且沿风阻最小的方向排布放置风道受阻3.4、元件布局热应力要求21图一图二3.4.2大面积电源区和接地区的设计3.4.2.1超过φ25mm（1000mil）范围电源区和接地区，应根据需要一般都应该开设20MIL间距网状窗口或采用实铜加过孔矩阵的方式，以免其在焊接时间过长时，产生铜箔膨胀脱落现象;如图13.4.2.2大面积电源区和接地区的元件连接焊盘，应设计成如图2所示形状，以免大面积铜箔传热过快，影响元件的焊接质量，或造成虚焊；对于有电流要求的特殊情况允许使用阻焊膜限定的焊盘.223.4.2.3过回流焊的0805以及0805以下片式组件两端焊盘的散热对称性为了避免器件过回流焊后出现偏位、立碑现象，过回流焊的0805以及0805以下片式组件两端焊盘应保证散热对称性，焊盘两端走线均匀焊盘与铜箔间以“十”字形连接.除0201焊盘以外，“十”字线宽均以≤16mil定义，个别情况视电流大小可适当加粗（1oz80mil宽铜箔允许通过最大电流1A）。233.4.2.4确定高热器件的安装方式易于操作和焊接：原则上当元器件的发热密度超过0.4W/cm3，单靠元器件的引线腿及元器件本身不足充分散热，应采用散热网、汇流条等措施来提高过电流能力，汇流条的支脚应采用多点连接，尽可能采用铆接后过波峰焊或直接过波峰焊接，以利于装配、焊接；对于较长的汇流条的使用，应考虑过波峰时受热汇流条与PCB热膨胀系数不匹配造成的PCB变形。为了保证搪锡易于操作，锡道宽度应不大于等于2.0mm，锡道边缘间距大于1.5mm.3.4.2.5插件元件脚与大面积露铜需加阻焊油,243.4.3、设计多层板时要注意，金属外壳的元件，插件时外壳与印制板接触的，顶层的焊盘不可开，一定要用绿油或丝印油盖住（例如两脚的晶振、3只脚的LED）注：贴片LED和绕线电感不能设计成为红胶工艺3.4.5、功率电阻或大于1A电流的二极管都必需浮高3MM插装，以便于利用引脚散热，如还不够需要在走线上露铜上锡散热。物料成型时打K脚253.4.6间距大于0.5MM的IC可选择波峰焊接工艺,小于0.5MM的间距摧荐用锡膏工艺.波峰焊接时要加适当的拖锡焊盘保证焊接质量.不建议建议建议264.1、SMT焊盘设计4.1.1锡膏工艺的元件焊盘：需参考元件承认书摧荐尺寸设计，原则参考《IPC-SM-782A(元件封装设计标准)》4.1.2贴片红胶工艺的元件焊盘：4.1.2.1chip元件焊盘在锡膏工艺的基础上向外扩0.2MM;4.1