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高臻機械設備18-04-2016:01導讀 ：PCB（ Printed Circuit Board），中文名稱為印制電路板，又稱印刷線路板，是重要的電子部件，是電子元器件的支撐體，是電子元器件電氣連接的載體。由于它是采用電子印刷術制作的，故被稱為“印刷”電路板。隨著電子設備越來越復雜，對PCB尺寸的要求也越來越小，與此同時，PCB設計難度也越來越大 ; 電子制造各行各業的PCB控制板，如空調，液晶電視，汽車電子，智能手機，智能安防等等電子產品都要用到PCB電路板；今天本文就對此談談一款優秀PCB設計中要把握的幾大要點及案例。做產品設計的研發人員一定都聽說過一句話：成本是設計出來的。剛剛走上研發崗位的新手們對此可能不太理解，但做研發越久的人對這句話的理解越深刻。產品的物料成本、加工成本、生命周期維護成本等等，都是與設計息息相關的。當一個新產品的設計圖紙定稿的時候，它80%的成本也隨之確定了，因此對于成本敏感的產品，做好前期的設計就顯得尤為重要了。產品設計需要考慮的維度有很多很多，比如物料廠家的選擇、物料歸一化、降額設計、安規EMC設計、PCB工藝設計以及單板工藝路線設計等等。其中單板工藝路線設計就是影響產品成本的因素之一，好的工藝路線設計不但可以讓產品加工順暢，還能有效降低加工成本；反之，如果在設計時不考慮好工藝路線，就會給生產造成很多不必要的麻煩，隨之而來的就是產品質量的下降和加工成本的上升。這幾年接觸到的客戶的產品，這方面的案例很多，比如下面這幾個：1、設計不合理導致單板不滿足波峰焊要求，必須采用手工焊接。如下圖這款產品的雙面插件設計。手工焊接的成本是波峰焊的2-3倍，插件數越多，對加工成本的影響越顯著，更何況手工焊接還會帶來焊點質量不可靠的隱患。2、單板SMT加工效率低，比較常見的是小尺寸的單板不做拼板或是拼板數偏少，造成SMT加工資源的浪費。對于這一點，我自己有深切的體會，幾年前開發一款產品時，僅僅是講1*2的拼板改為2*2的拼板，就可以節省3塊多錢的加工成本，這款產品的年發貨量超百萬，帶來的成本收益相當可觀。3、單板未預留貼片機傳送邊，導致需要增加工藝輔助邊或者是SMT托盤。這種設計也是比較常見的，單板異形或者是板邊SMT器件根本不滿足傳送邊基本要求，就會導致SMT無法加工，而增加輔助邊就會帶來加工工序的增加，直接導致加工加工成本的上升。4、工藝路線不夠簡潔，增加了額外的工序。這種比較常見的是整塊單板只有一個或少數幾個插座選用了插件型號，其他的都是表貼器件，生產加工就必須得多安排一道DIP波峰焊的工序或人工補焊工序。或者是有一些產品本來可以做到單面SMT的，卻非要在背面布局幾顆電容，加工時就硬生生多出來一次SMT流程。PCB的元器件焊盤設計是一個重點，最終產品的質量都在于焊點的質量。因此，焊盤設計是否科學合理，至關重要。 對于同一個元 件，凡是對稱使用的焊盤（如片狀電阻、電容、SOIC、QFP等），設計時應嚴格保持其全面的對稱性，即焊盤圖形的形狀與尺寸應完全一致。以保證焊料熔融 時，作用于元器件上所有焊點的表面張力（也稱為潤濕力）能保持平衡（即其合力為零），以利于形成理想的焊點。以下分類講一下不同類型元器件的焊盤設計要求：一、片式（Chip）元件焊盤設計應掌握以下關鍵要素對稱性：兩端焊盤必須對稱，才能保證熔融焊錫表面張力平衡；對于小尺寸的元件0603、0402、0201等，兩端融焊錫表面張力的不平衡，很容易引起元件形成“立碑”的缺陷。焊盤間距：確保元件端頭或引腳與焊盤恰當的搭接尺寸；焊盤剩余尺寸：搭接后的剩余尺寸必須保證焊點能夠形成彎月面；焊盤寬度：應與元件端頭或引腳的寬度基本一致。二、BGA的焊盤設計原則1、PCB上的每個焊盤的中心與BGA底部相對應的焊球中心相吻合；2、PCB焊盤圖形為實心圓，導通孔不能加工在焊盤上；3、與焊盤連接的導線寬度要一致，一般為0.15mm~0.2mm；4、阻焊尺寸比焊盤尺寸大0.1mm~0.15mm；5、焊盤附近的導通孔在金屬化后，必須用阻焊劑進行堵塞，高度不得超過焊盤高度；6、在BGA器件外廓四角加工絲網圖形，絲網圖形的線寬為0.2mm~0.25mm。BGA 器件的焊盤形狀為圓形，通常PBGA焊盤直徑應比焊球直徑小20%。焊盤旁邊的通孔，在制板時須做好阻焊，以防引起焊料流失造成短路或虛焊。BGA焊盤間 距應按公制設計，由于元件手冊會給出公制和英制兩種尺寸標注，實際上元件是按公制生產的，按英制設計焊盤會造成安裝偏差。上面提到的PBGA是塑封體，有鉛PBGA的焊球的材料為63Sn37Pb，與有鉛焊料的成份是一致的，在焊接過程中與焊料同時融化，形成焊點。無鉛PBGA的焊球是SAC307或SAC305，與常用的無鉛焊料的成份也比較接近，在焊接中也會融化，形成焊點。但是還有一種BGA，封裝體是陶瓷，稱為CBGA，CBGA的焊球是高溫焊料，其熔點遠遠高于常見的焊料，在焊接中，CBGA的焊球是不融化的，因此，CBGA的焊盤設計與PBGA的焊盤設計是不一樣的。三、插裝元器件焊盤設計1、 孔距為5.08mm或以上的，焊盤直徑不得小于3mm；2、 孔距為2.54mm的，焊盤直徑最小不應小于1.7mm；3、 電路板上連接220V電壓的焊盤間距，最小不應小于3mm；4、 流過電流超過0.5A（含0.5A）的焊盤直徑應大于等于4mm；5、 焊盤以盡可能大一點為好，對于一般焊點，其焊盤直徑最小不得小于2mm。插裝元器件焊盤孔徑設計采用波峰焊接工藝時，元件插孔孔徑，一般比其引腳線徑大0.1 mm- 0.3mm為宜，其焊盤的直徑應大于孔徑的3倍。電阻、二極管的安裝孔距應設計為標準系列7.5mm、10mm、12.5mm、15mm，電解電容的安裝 孔距應與元件引腳距一致，三極管的安裝孔距應為2.54mm。四、采用波峰焊工藝時，貼片元件的焊盤設計采用波峰焊焊接片式元件時，應注意“陰影效應(缺焊)、‘橋接’(短路)”的發生，對于CHIP元件，應將元件的軸向方向垂直于PCB的傳送方向，小的元件應在大的元件前面，間距應大于2.5mm；采用波峰焊工藝時焊盤設計的幾個要點1、高密度布線時應采用橢圓焊盤圖形，以減少連焊；2、為了減小陰影效應提高焊接質量，波峰焊的焊盤圖形設計時對于SOT、鉭電容，延伸元件體外的焊盤長度，在長度方向應比正常設計的焊盤向外擴展0.3mm；3、對于SOP，為防止橋接，對SOP最外側的兩對焊盤加寬，以吸附多余的焊錫；或設置工藝焊盤（也稱為盜錫焊盤）。工藝焊盤是個空焊盤，作用就是吸收多余的焊錫，它的位置是在沿傳送方向的最后一個焊盤的后面。挑戰：消除原理圖設計錯誤原理圖是每個PCB設計的控制文件。它控制著設計目的，驅動著下游工藝流程，包括仿真、分析、布局、制造和組裝。因此，原理圖非常關鍵，它要準確反映出產品的電了要求和技術規格。在過去，驗證原理圖是否正確地傳達了設計意圖的所有關鍵任務是由一名或多名硬件工程師手動完成的。這種驗證方式通常是每次檢驗一張表或一個區塊，過程中會采用一些自動化技術輔助完成驗證，例如將物料清單和或網表導出到文本文件或電子表格。原理圖驗證是硬件工程師的一項常規職責，這就如同PCB布局驗證是PCB設計師的一項工作職責。但隨著如今的電路設計變得越來越復雜，對原理圖進行手動驗證，這種耗時的方法已經不再可行。手動驗證復雜的電路會帶來很大的風險，因為人工無法檢測出的原理圖設計錯誤，隨后可能會進入下游工藝流程，最終會影響到成品線路板。其后果就是重新設計，導致成本增加、上市時間延長。最近，一項由Aberdeen集團完成的調查表明，65%的受訪公司認為不斷增加的產品復雜程度已經成為PCB設計的主要挑戰（圖1）。圖1：PCB設計面臨的主要挑戰（來源：Aberdeen集團）Aberdeen Group的調查結果強調了確保原理圖設計在整個產品開發過程中零錯誤的重要性。一個高效的全自動原理圖審查流程可以幫助設計團隊消除原理圖設計錯誤，從而減少費用高昂的重新設計，并縮短上市時間。上面只是簡單舉了幾個例子，工藝路線的設計其實并不復雜，只要在產品開發的過程中有工藝人員把把關，上面這幾個問題都是可以規避掉的。難就難在現在大多數的企業，并沒有工藝人員參與到研發設計，生產與研發處于脫節的狀態，就會導致一些本來可以避免的問題遺留到生產環節來解決，而生產在解決這些遺留問題的時候，往往需要投入大量額外的時間、人力以及物力。這些，都是造成加工成本上升的原因。所以，研發階段的評審是非常有必要的，讓各個維度的專業工程師對產品做全方位的審核把關，才是最有效的提高質量、降低成本的方法。當一塊PCB板完成了布局布線，又檢查連通性和間距都沒有報錯的情況下，一塊PCB是不是就完成了呢？答案當然是否定。很多初學者也包括一些有經驗的工程師，由于時間緊或者不耐煩亦或者過于自信，往往草草了事，忽略了后期檢查。結果出現了一些很基本的BUG，比如線寬不夠，元件標號絲印壓在過孔上，插座靠得太近，信號出現環路等等。從而導致電氣問題或者工藝問題，嚴重的要重新打板，造成浪費。所以，當一塊PCB完成了布局布線之后，很重要的一個步驟就是后期檢查。PCB在設計后需要做哪些檢查？在電子制造行業，工藝設計師設計完PCB后，是否需要對設計成果進行檢查？回答是肯定的，而且檢查方式不止一種。第一種是DRC檢查。DRC檢查也叫設計規則檢查，是PCB設計軟件(EDA)中用于在PCB Layout過程中實時檢查和發現與預定設計規范不符的設計。用于保證設計正確性和滿足常規設計規范為出發點，是PCB設計中不可缺少的部分。基于DRC的作用和目的，它的檢查項目一般不超過100個檢查細項。第二種則是DFM檢查。DFM檢查也叫可制造性設計分析，是依據PCB設計數據通過真實三維元件模型和實際制造工藝進行仿真，在制造前對PCB和PCBA進行全面的可制造性設計評審，第一時間發現設計的缺陷或不足、工藝難點、制造風險、設計和工藝的不匹配因素等，確保設計與工藝能力完全匹配，從實質上減少產品試產次數，節約生產成本，提升產品可靠性。這兩種檢查是設計在不同階段的不同檢驗，缺一不可。DRC是PCB設計軟件用于確保不違反自身設計的規范（約束條件），滿足DRC檢查是PCB設計的最基本要求，滿足DRC不代表就一定滿足了可制造性要求。DFM是PCB設計和制造工藝之間的橋梁，屬于工藝設計范疇，通過它可以發現設計和制造工藝的不匹配因素、評估出制造難度、制造風險等等，這些都是PCB設計軟件中的DRC不能涵蓋的。DFM本身和DRC檢查沒有沖突，二者解決的問題不同、階段不同、最終的目的也不同。所以，區別也是非常明顯。1、 DRC和DFM的區別2. 元器庫區別EDA元件庫=焊盤封裝庫DFM元件庫=三維實物模型3、DFM：PCB+元件模型+工藝=裝配仿真4、DFM：真實的三維模擬裝配仿真分析5. DFM：全面的分析規則因此，在PCB設計后的檢驗中，應該在不同階段，進行不同的檢驗，才能確保產品達到預期效果。以上內容摘自smt頂級人脈圈，由高臻機械整合而成。高臻機械設備最近更新：18-04-2016:01簡介:高臻,3C裝備,灌裝包裝生產線,貼標,專業廠家

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