讓人頭疼的PCB可制造性問(wèn)題，今天一次性全解決！
[導(dǎo)讀]PCB設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)上的元器件和印制電路板的裝聯(lián)工藝性。對(duì)生產(chǎn)印制電路板的加工工藝性，一般的PCB制作廠家，由于受其制造能力的影響，會(huì)非常詳細(xì)的給設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)的要求，在實(shí)際中相對(duì)應(yīng)用情況較好。而根據(jù)筆者的了解，真正在...
PCB設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)上的元器件和印制電路板的裝聯(lián)工藝性。
對(duì)生產(chǎn)印制電路板的加工工藝性，一般的PCB制作廠家，由于受其制造能力的影響，會(huì)非常詳細(xì)的給設(shè)計(jì)人員提供相關(guān)的要求，在實(shí)際中相對(duì)應(yīng)用情況較好。而根據(jù)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(shè)計(jì)。
本文的重點(diǎn)也在于描述在PCB設(shè)計(jì)的階段，設(shè)計(jì)者必須考慮的可制造性問(wèn)題。
一、恰當(dāng)?shù)倪x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(duì)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(dāng)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(duì)PCB不同的裝聯(lián)密度，推薦的組裝方式有以下幾種：
作為一名電路設(shè)計(jì)工程師，應(yīng)該對(duì)所設(shè)計(jì)PCB的裝聯(lián)工序流程有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，這樣就可以避免犯一些原則性的錯(cuò)誤。在選擇組裝方式時(shí)，除考慮PCB的組裝密度，布線的難易外，必須還要根據(jù)此組裝方式的典型工藝流程，考慮到企業(yè)本身的工藝設(shè)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(jì)劃對(duì)焊接面實(shí)施波峰焊接工藝，應(yīng)避免焊接面上布置有少數(shù)幾個(gè)SMD而造成工藝復(fù)雜化。
2、元器件布局
PCB上元器件的布局對(duì)生產(chǎn)效率和成本有相當(dāng)重要的影響，是衡量PCB設(shè)計(jì)的可裝聯(lián)性的重要指標(biāo)。一般來(lái)講，元器件盡可能均勻地、有規(guī)則地、整齊排列，并按相同方向、極性分布排列。有規(guī)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)者要考慮對(duì)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(duì)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(duì)嚴(yán)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同時(shí)被浸焊，相鄰元件間的排列次序和間距也應(yīng)滿足波峰焊接的要求以避免“遮蔽效應(yīng)”，如圖1。當(dāng)采用波峰焊接SOIC等多腳元件時(shí)，應(yīng)于錫流方向最后兩個(gè)（每邊各1）焊腳處設(shè)置竊錫焊盤(pán)，防止連焊。
類(lèi)型相似的元件應(yīng)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(fù)極朝向板件的右面，使所有雙列直插封裝（DIP）的缺口標(biāo)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(xiàn)錯(cuò)誤。
如圖2所示，由于A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(duì)其制造的所有線路板元件方向進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，某些板子的布局可能不一定允許這樣做，但這應(yīng)該是一個(gè)努力的方向。
還有，相似的元件類(lèi)型應(yīng)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：
但筆者確實(shí)遇見(jiàn)過(guò)相當(dāng)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(xì)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(yīng)該在元件分布的盡可能集中，以適應(yīng)手工焊接。
另一種可能，就是元件面的穿孔元件應(yīng)盡可能分布在幾條主要的直線上，以適應(yīng)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(duì)元器件的位置進(jìn)行調(diào)整時(shí)，一定要注意元件和絲印符號(hào)一一對(duì)應(yīng)，若移動(dòng)了元件而沒(méi)有相應(yīng)的移動(dòng)該元件旁的絲印符號(hào)，將成為制造中的重大質(zhì)量隱患，因?yàn)樵趯?shí)際生產(chǎn)中，絲印符號(hào)是具有指導(dǎo)生產(chǎn)作用的行業(yè)語(yǔ)言。
二、PCB上必須布置用于自動(dòng)化生產(chǎn)的夾持邊、定位標(biāo)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(shè)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(zhǎng)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(biāo)記的作用在于對(duì)于目前廣泛使用光學(xué)定位的裝聯(lián)設(shè)備，需要PCB提供至少兩到三個(gè)定位標(biāo)記，以供光學(xué)識(shí)別系統(tǒng)對(duì)PCB進(jìn)行準(zhǔn)確定位并校正PCB的加工誤差。通常所使用的定位標(biāo)記中，有兩個(gè)標(biāo)記必須分布在PCB的對(duì)角線上。定位標(biāo)記的選擇一般使用實(shí)心圓焊盤(pán)等標(biāo)準(zhǔn)圖形，為便于識(shí)別，在標(biāo)記周?chē)鷳?yīng)該有一塊沒(méi)有其它電路特征或標(biāo)記的空曠區(qū)，尺寸最好不小于標(biāo)記的直徑（如圖4），標(biāo)記距離板子邊緣應(yīng)在5mm以上。
在PCB自身的制造中，以及在裝聯(lián)中的半自動(dòng)插件、ICT測(cè)試等工序，需要PCB在邊角部位提供兩到三個(gè)定位孔。
三、合理使用拼板，提高生產(chǎn)效率和柔性
在對(duì)外形尺寸較小或外形不規(guī)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所示。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(zhǎng)250mm~350mm的PCB是自動(dòng)化裝聯(lián)中比較合適的尺寸。
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(jié)約網(wǎng)板費(fèi)用的考慮，即通過(guò)這樣的拼板，原來(lái)需要兩面網(wǎng)板，現(xiàn)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(jī)運(yùn)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(duì)刻V型槽﹑長(zhǎng)槽孔加圓孔等方式，但設(shè)計(jì)時(shí)一定要考慮盡可能使分離線在一條直線上，以利于最后的分板，同時(shí)還要考慮分離邊不可離PCB走線過(guò)近，而使分板時(shí)容易損傷PCB。
還有一種非常經(jīng)濟(jì)的拼板，并不是指的對(duì)PCB進(jìn)行拼板，而是對(duì)網(wǎng)板的網(wǎng)孔圖形進(jìn)行拼板。隨著全自動(dòng)焊膏印刷機(jī)的應(yīng)用，目前較為先進(jìn)的印刷機(jī)已經(jīng)允許在尺寸為790×790mm的鋼網(wǎng)上，開(kāi)設(shè)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(jié)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家。
四、可測(cè)性設(shè)計(jì)的考慮
SMT的可測(cè)性設(shè)計(jì)主要是針對(duì)目前ICT裝備情況。將后期產(chǎn)品制造的測(cè)試問(wèn)題在電路和表面安裝印制板SMB設(shè)計(jì)時(shí)就考慮進(jìn)去。提高可測(cè)性設(shè)計(jì)要考慮工藝設(shè)計(jì)和電氣設(shè)計(jì)兩個(gè)方面的要求。
1、工藝設(shè)計(jì)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(cè)可靠性的因素。
●?精確的定位孔。在基板上設(shè)定精確的定位孔，定位孔誤差應(yīng)在±0.05mm以?xún)?nèi)，至少設(shè)置兩個(gè)定位孔，且距離愈遠(yuǎn)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(dá)到公差要求。如基板是整片制造后再分開(kāi)測(cè)試，則定位孔就必須設(shè)在主板及各單獨(dú)的基板上。
●?測(cè)試點(diǎn)的直徑不小于0.4mm，相鄰測(cè)試點(diǎn)的間距最好在2.54mm以上，不要小于1.27mm。
●?在測(cè)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測(cè)試夾具探針對(duì)測(cè)試點(diǎn)的接觸不良。
●?最好將測(cè)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)?nèi)，不可有元器件或測(cè)試點(diǎn)。
●?測(cè)試點(diǎn)不可設(shè)置在PCB邊緣5mm的范圍內(nèi)，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(shè)備與SMT設(shè)備中也要求有同樣的工藝邊。
●?所有探測(cè)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(dǎo)物，以保證可靠接觸，延長(zhǎng)探針的使用壽命。
●?測(cè)試點(diǎn)不可被阻焊劑或文字油墨覆蓋，否則將會(huì)縮小測(cè)試點(diǎn)的接觸面積，降低測(cè)試的可靠性。
2、電氣設(shè)計(jì)要求
●?要求盡量將元件面的SMC/SMD的測(cè)試點(diǎn)通過(guò)過(guò)孔引到焊接面，過(guò)孔直徑應(yīng)大于1mm。這樣可使在線測(cè)試采用單面針床來(lái)進(jìn)行測(cè)試，從而降低了在線測(cè)試成本。
●?每個(gè)電氣節(jié)點(diǎn)都必須有一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)IC必須有POWER及GROUND的測(cè)試點(diǎn)，且盡可能接近此元器件，最好在距離IC 2.54mm范圍內(nèi)。
●?在電路的走線上設(shè)置測(cè)試點(diǎn)時(shí)，可將其寬度放大到40mil寬。
●?將測(cè)試點(diǎn)均衡地分布在印制板上。如果探針集中在某一區(qū)域時(shí)，較高的壓力會(huì)使待測(cè)板或針床變形，進(jìn)一步造成部分探針不能接觸到測(cè)試點(diǎn)。
●?電路板上的供電線路應(yīng)分區(qū)域設(shè)置測(cè)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(xiàn)對(duì)電源短路時(shí)，查找故障點(diǎn)更為快捷準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)斷點(diǎn)時(shí)，應(yīng)考慮恢復(fù)測(cè)試斷點(diǎn)后的功率承載能力。
圖6所示為測(cè)試點(diǎn)設(shè)計(jì)的一個(gè)示例。通過(guò)延伸線在元器件引線附近設(shè)置測(cè)試焊盤(pán)或利用過(guò)孔焊盤(pán)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，測(cè)試節(jié)點(diǎn)嚴(yán)禁選在元器件的焊點(diǎn)上，這種測(cè)試可能使虛焊節(jié)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(yīng)”。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。
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