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1、前言 隨著(zhù)通信﹑電子類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)競爭不斷加劇，產(chǎn)品的生命周期在不斷縮短，企業(yè)原有產(chǎn)品的升級及新產(chǎn)品的投放速度對該企業(yè)的生存和發(fā)展起到越來(lái)越關(guān)鍵的作用。而在制造環(huán)節，如何在生產(chǎn)中用更少的導入時(shí)間獲得更高可制造性和制造質(zhì)量的新產(chǎn)品越來(lái)越成為有識之士所追求的核心競爭力。 在電子產(chǎn)品的制造中，隨著(zhù)產(chǎn)品的微型化﹑復雜化，電路板的組裝密度越來(lái)越高，相應產(chǎn)生并獲得廣泛使用的新一代SMT裝聯(lián)工藝，要求設計者在一開(kāi)始，就必須考慮到可制造性。一旦在設計時(shí)考慮不周導致可制造性差，勢必要修改設計，必然會(huì )延長(cháng)產(chǎn)品的導入時(shí)間和增加導入成本，即使對PCB布局進(jìn)行微小的改動(dòng)，重新制做印制板和SMT焊膏印刷網(wǎng)板的費用高達數千甚至上萬(wàn)元以上，對模擬電路甚至要重新進(jìn)行調試。而延誤了導入時(shí)間可能使企業(yè)在市場(chǎng)上錯失良機，在戰略上處于非常不利的位置。但如果不進(jìn)行修改而勉強生產(chǎn)，必然使產(chǎn)品存在制造缺陷，或使制造成本猛增，所付出的代價(jià)將更大。所以，在企業(yè)進(jìn)行新產(chǎn)品設計時(shí)，越早考慮設計的可制造性問(wèn)題，越有利于新產(chǎn)品的有效導入。 2、PCB設計時(shí)考慮的內容 PCB設計的可制造性分為兩類(lèi)，一是指生產(chǎn)印制電路板的加工工藝性；二是指電路及結構上的元器件和印制電路板的裝聯(lián)工藝性。對生產(chǎn)印制電路板的加工工藝性，一般的PCB制作廠(chǎng)家，由于受其制造能力的影響，會(huì )非常詳細的給設計人員提供相關(guān)的要求，在實(shí)際中相對應用情況較好，而根據筆者的了解，真正在實(shí)際中沒(méi)有受到足夠重視的，是第二類(lèi)，即面向電子裝聯(lián)的可制造性設計。本文的重點(diǎn)也在于描述在PCB設計的階段，設計者必需考慮的可制造性問(wèn)題。 面向電子裝聯(lián)的可制造性設計要求PCB設計者在設計PCB的初期就考慮以下內容： 2.1 恰當的選擇組裝方式及元件布局 組裝方式的選擇及元件布局是PCB可制造性一個(gè)非常重要的方面，對裝聯(lián)效率及成本﹑產(chǎn)品質(zhì)量影響極大，而實(shí)際上筆者接觸過(guò)相當多的PCB，在一些很基本的原則方面考慮也尚有欠缺。 (1) 選擇合適的組裝方式 通常針對PCB不同的裝聯(lián)密度，推薦的組裝方式有以下幾種： 表1 推薦的組裝方式 作為一名電路設計工程師，應該對所設計PCB的裝聯(lián)工序流程有一個(gè)正確的認識，這樣就可以避免犯一些原則性的錯誤。在選擇組裝方式時(shí)，除考慮PCB的組裝密度，布線(xiàn)的難易外，必須還要根據此組裝方式的典型工藝流程，考慮到企業(yè)本身的工藝設備水平。倘若本企業(yè)沒(méi)有較好的波峰焊接工藝，那么選擇上表中的第五種組裝方式可能會(huì )給自己帶來(lái)很大的麻煩。另外值得注意的一點(diǎn)是，若計劃對焊接面實(shí)施波峰焊接工藝，應避免焊接面上布置有少數幾個(gè)SMD而造成工藝復雜化。 (2) 元器件布局 PCB上元器件的布局對生產(chǎn)效率和成本有相當重要的影響，是衡量PCB設計的可裝聯(lián)性的重要指標。一般來(lái)講，元器件盡可能均勻地、有規則地、整齊排列，并按相同方向、極性分布排列。有規則的排列方便檢查，有利于提高貼片/插件速度，均勻分布利于散熱和焊接工藝的優(yōu)化。另一方面，為簡(jiǎn)化工藝流程，PCB設計者始終都要清楚，在PCB的任一面，只能采用回流焊接和波峰焊接中的一種群焊工藝。這點(diǎn)在組裝密度較大、PCB的焊接面必須分布較多貼片元器件時(shí)，尤其值得注意。設計者要考慮對焊接面上的貼裝元件使用何種群焊工藝，最為優(yōu)選的是使用貼片固化后的波峰焊工藝，可以同時(shí)對元件面上的穿孔器件的引腳進(jìn)行焊接；但波峰焊接貼片元件有相對嚴格的約束，只能焊接0603及以上尺寸的片式阻容﹑SOT﹑SOIC（引腳間距≥1mm且高度小于2.0mm）。分布在焊接面的元器件，引腳的方向宜垂直于波峰焊接時(shí)PCB的傳送方向，以保證元器件兩邊的焊端或引線(xiàn)同時(shí)被浸焊，相鄰元件間的排列次序和間距也應滿(mǎn)足波峰焊接的要求以避免“遮蔽效應”，如圖1。當采用波峰焊接SOIC等多腳元件時(shí)，應于錫流方向最后兩個(gè)（每邊各1）焊腳處設置竊錫焊盤(pán)，防止連焊。 圖1 波峰焊接應用中的元件方向 類(lèi)型相似的元件應該以相同的方向排列在板上，使得元件的貼裝、檢查和焊接更容易。例如使所有徑向電容的負極朝向板件的右面，使所有雙列直插封裝(DIP)的缺口標記面向同一方向等等，這樣可以加快插裝的速度并更易于發(fā)現錯誤。如圖2所示，由于A(yíng)板采用了這種方法，所以能很容易地找到反向電容器，而B(niǎo)板查找則需要用較多時(shí)間。實(shí)際上一個(gè)公司可以對其制造的所有線(xiàn)路板元件方向進(jìn)行標準化處理，某些板子的布局可能不一定允許這樣做，但這應該是一個(gè)努力的方向。 圖2 A板設計很容易找到反向電容器 還有，相似的元件類(lèi)型應該盡可能接地在一起，所有元件的第一腳在同一個(gè)方向，如圖3所示。 圖3 相似元件的排列 但筆者確實(shí)遇見(jiàn)過(guò)相當多的PCB，組裝密度過(guò)大，在PCB的焊接面也必須分布鉭電容﹑貼片電感等較高元件和細間距的SOIC﹑TSOP等器件，在此種情況下，只能采用雙面印刷焊膏貼片后回流焊接，而插件元件，應該在元件分布的盡可能集中，以適應手工焊接，另一種可能就是元件面的穿孔元件應盡可能分布在幾條主要的直線(xiàn)上，以適應最新的選擇性波峰焊接工藝，可以避免手工焊接而提高效率，并保證焊接質(zhì)量。離散的焊點(diǎn)分布是選擇性波峰焊接的大忌，會(huì )成倍增加加工時(shí)間。 在印制板文件中對元器件的位置進(jìn)行調整時(shí)，一定要注意元件和絲印符號一一對應，若移動(dòng)了元件而沒(méi)有相應的移動(dòng)該元件旁的絲印符號，將成為制造中的重大質(zhì)量隱患，因為在實(shí)際生產(chǎn)中，絲印符號是具有指導生產(chǎn)作用的行業(yè)語(yǔ)言。 2.2 PCB上必須布置有用于自動(dòng)化生產(chǎn)做必需的夾持邊﹑定位標記﹑工藝定位孔。 目前電子裝聯(lián)是自動(dòng)化程度最高的行業(yè)之一，生產(chǎn)所使用的自動(dòng)化設備均要求自動(dòng)傳送PCB，這樣便要求在PCB的傳送方向（一般為長(cháng)邊方向）上，上下各有一條不小于3-5mm寬的夾持邊，以利于自動(dòng)傳送，避免靠近板子邊緣的元器件由于夾持無(wú)法自動(dòng)裝聯(lián)。 定位標記的作用在于對于目前廣泛使用光學(xué)定位的裝聯(lián)設備，需要PCB提供至少兩到三個(gè)定位標記，以供光學(xué)識別系統對PCB進(jìn)行準確定位并校正PCB的加工誤差。通常所使用的定位標記中，有兩個(gè)標記必須分布在PCB的對角線(xiàn)上。定位標記的選擇一般使用實(shí)心圓焊盤(pán)等標準圖形，為便于識別，在標記周?chē)鷳撚幸粔K沒(méi)有其它電路特征或標記的空曠區，尺寸最好不小于標記的直徑（如圖4），標記距離板子邊緣應在5mm以上。 圖4 推薦的標記空曠區設計 在PCB自身的制造中，以及在裝聯(lián)中的半自動(dòng)插件﹑ICT測試等工序，需要PCB在邊角部位提供兩到三個(gè)定位孔。 2.3 合理使用拼板以提高生產(chǎn)效率和柔性。 在對外形尺寸較小或外形不規則的PCB進(jìn)行裝聯(lián)時(shí)，會(huì )受到很多限制，所以一般采用拼板的方式來(lái)使幾個(gè)小的PCB拼接成合適尺寸的PCB進(jìn)行裝聯(lián)，如圖5。一般單邊尺寸小于150mm的PCB，都可以考慮采用拼板方式，通過(guò)兩拼﹑三拼﹑四拼等，將大PCB的尺寸拼至合適的加工范圍，通常寬150mm"250mm，長(cháng)250mm"350mm的PCB是自動(dòng)化裝聯(lián)中比較合適的尺寸。 圖5 拼板設計可提高生產(chǎn)效率 另外一種拼板方式是將雙面都布置有SMD的PCB一正一反的拼成一個(gè)大板，這樣的拼板俗稱(chēng)陰陽(yáng)拼，一般是出于節約網(wǎng)板費用的考慮，即通過(guò)這樣的拼板，原來(lái)需要兩面網(wǎng)板，現在只需要開(kāi)一面網(wǎng)板即可。另外技術(shù)人員在編制貼片機運行程序時(shí)，采用陰陽(yáng)拼的PCB編程效率也更高。 拼板時(shí)子板之間的連接可以采用雙面對刻V型槽﹑長(cháng)槽孔加圓孔等方式，但設計時(shí)一定要考慮盡可能使分離線(xiàn)在一條直線(xiàn)上，以利于最后的分板，同時(shí)還要考慮分離邊不可離PCB走線(xiàn)過(guò)近，而使分板時(shí)容易損傷PCB。 還有一種非常經(jīng)濟的拼板，并不是指的對PCB進(jìn)行拼板，而是對網(wǎng)板的網(wǎng)孔圖形進(jìn)行拼板。隨著(zhù)全自動(dòng)焊膏印刷機的應用，目前較為先進(jìn)的印刷機（比如DEK265）已經(jīng)允許在尺寸為790×790mm的鋼網(wǎng)上，開(kāi)設多面PCB的網(wǎng)孔圖形，可以做到一片鋼網(wǎng)用于多個(gè)產(chǎn)品的印刷，是一種非常節約成本的做法，尤其適合于產(chǎn)品特點(diǎn)為小批量多品種的廠(chǎng)家。 2.4 可測性設計的考慮 SMT的可測性設計主要是針對目前ICT裝備情況。將后期產(chǎn)品制造的測試問(wèn)題在電路和表面安裝印制板SMB設計時(shí)就考慮進(jìn)去。提高可測性設計要考慮工藝設計和電氣設計兩個(gè)方面的要求。 2.4.1 工藝設計的要求 定位的精度、基板制造程序、基板的大小、探針的類(lèi)型都是影響探測可靠性的因素。 (1) 精確的定位孔。在基板上設定精確的定位孔，定位孔誤差應在±0.05mm以?xún)�，至少設置兩個(gè)定位孔，且距離愈遠愈好。采用非金屬化的定位孔，以減少焊錫鍍層的增厚而不能達到公差要求。如基板是整片制造后再分開(kāi)測試，則定位孔就必須設在主板及各單獨的基板上。 (2) 測試點(diǎn)的直徑不小于0.4mm，相鄰測試點(diǎn)的間距最好在2.54mm以上，不要小于1.27mm。 (3) 在測試面不能放置高度超過(guò)*mm的元器件，過(guò)高的元器件將引起在線(xiàn)測試夾具探針對測試點(diǎn)的接觸不良。 (4) 最好將測試點(diǎn)放置在元器件周?chē)?.0mm以外，避免探針和元器件撞擊損傷。定位孔環(huán)狀周?chē)?.2mm以?xún)�，不可有元器件或測試點(diǎn)。 (5) 測試點(diǎn)不可設置在PCB邊緣5mm的范圍內，這5mm的空間用以保證夾具夾持。通常在輸送帶式的生產(chǎn)設備與SMT設備中也要求有同樣的工藝邊。 (6) 所有探測點(diǎn)最好鍍錫或選用質(zhì)地較軟、易貫穿、不易氧化的金屬傳導物，以保證可靠接觸，延長(cháng)探針的使用壽命。 (7) 測試點(diǎn)不可被阻焊劑或文字油墨覆蓋，否則將會(huì )縮小測試點(diǎn)的接觸面積，降低測試的可靠性。 2.4.2 電氣設計的要求 (1) 要求盡量將元件面的SMC/SMD的測試點(diǎn)通過(guò)過(guò)孔引到焊接面，過(guò)孔直徑應大于1mm。這樣可使在線(xiàn)測試采用單面針床來(lái)進(jìn)行測試，從而降低了在線(xiàn)測試成本。 (2) 每個(gè)電氣節點(diǎn)都必須有一個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)IC必須有POWER及GROUND的測試點(diǎn)，且盡可能接近此元器件，最好在距離IC 2.54mm范圍內。 (3) 在電路的走線(xiàn)上設置測試點(diǎn)時(shí)，可將其寬度放大到40mil 寬。 (4) 將測試點(diǎn)均衡地分布在印制板上。如果探針集中在某一區域時(shí)，較高的壓力會(huì )使待測板或針床變形，進(jìn)一步造成部分探針不能接觸到測試點(diǎn)。 (5) 電路板上的供電線(xiàn)路應分區域設置測試斷點(diǎn)，以便于電源去耦電容或電路板上的其它元器件出現對電源短路時(shí)，查找故障點(diǎn)更為快捷準確。設計斷點(diǎn)時(shí)，應考慮恢復測試斷點(diǎn)后的功率承載能力。 圖6所示為測試點(diǎn)設計的一個(gè)示例。通過(guò)延伸線(xiàn)在元器件引線(xiàn)附近設置測試焊盤(pán)或利用過(guò)孔焊盤(pán)測試節點(diǎn)，測試節點(diǎn)嚴禁選在元器件的焊點(diǎn)上，這種測試可能使虛焊節點(diǎn)在探針壓力作用下擠壓到理想位置，從而使虛焊故障被掩蓋，發(fā)生所謂的“故障遮蔽效應”。由于探針因定位誤差引起的偏晃，可能使探針直接作用于元器件的端點(diǎn)或引腳上而造成元器件損壞。 圖6 測試點(diǎn)設計示例 3、結束語(yǔ) 以上是一些PCB設計時(shí)應考慮的主要原則，在面向電子裝聯(lián)的PCB可制造性設計中，還有相當多的細節要求，比如合理的安排與結構件的配合空間﹑合理的分布絲印的圖形和文字﹑恰當分布較重或發(fā)熱較大的器件的位置，在合適的位置設置測試點(diǎn)和測試空間﹑考慮在使用拉鉚﹑壓鉚工藝安裝聯(lián)接器等器件時(shí)，工模具與附近所分布元件的干涉等等，都是在PCB的設計階段所應該考慮的問(wèn)題。一個(gè)優(yōu)秀的PCB設計者，不但要考慮如何獲得良好的電性能和美觀(guān)布局，還有同樣重要的一點(diǎn)那就是PCB設計中的可制造性，以求高質(zhì)量、高效率、低成本。 |
