PCB的可制造性设计规范

   

　　11.1.3 PCB的可制造性设计规范

　　不同的PCB制造工艺对PCB的可制造性设计具有不同的要求，通常可分为通孔插装元器件的可制造性和表面贴装元器件的可制造性两类。

　　1、通孔插装元器件的可制造性设计规范

　　目前通孔插装技术(Through Hole Technology， THT)仍在使用当中，在这种技术中采用可制造性设计可以大大地提高通孔插装制造的效率和可靠性。DFM的设计方法能有助于通孔插装制造商降低产品缺陷并保持竞争力。对于这些用通孔插装技术进行线路板组装的制造商来说，DFM是一个极为有用的工具，它可节约大量费用并减少很多麻烦。使用DFM方法还能减少工程更改，并减少将来在设计上做出让步，这些好处都是非常直接的。

　　这里介绍一些和通孔插装有关的DFM方法，这些原则不一定在任何情况下都适用，但从本质上来讲具有普遍性。PCB的设计人员和工程师在实际的应用当中，可以把这些原则作为可制造性设计的文件框架，然后加入自己具体的设备配置及冗余量要求。这些原则的熟悉可以帮助PCB设计工程师以一种更加专业的态度来做出具体的设计。

　　(1)排版与布局的原则 在PCB的设计中，首先就是要做好排版和布局的工作。并且，排版和布局工作的好坏直接影响着后续的工作进程。如果排版得当的话，可以避免很多在制造过程中遇到的麻烦。相反，排版和布局不好，会使后续的工作事倍功半。因此，PCB设计工程师对此必须予以高度重视。

　　1)在PCB的尺寸上，大的板子可以节约材料，但是因为翘曲和重量等原因使它在生产和运输中都比较困难，需要用特殊的夹具才能进行固定，因此原则上不使用大于23cm x 30cm的板面。此外，所有板子的尺寸应控制在两三种之内，否则在产品更换时调整导轨、重新摆放条形码阅读器位置等会导致较长的停机时间，而且板面尺寸种类少还可以减少波峰焊温度曲线的数量。对于较大的板子，要在中心留出一条为波峰焊时对线路板进行支撑的通路，以防止板子下垂和焊锡溅射，这样有助于使PCB的版面焊接一致。

　　2)采用拼板技术，能充分发挥自动化生产的优势，但是组成大的PCB的所有子PCB在生产工艺要求上必须一致。

　　3)在PCB的周围要预留至少6mm的区域，尤其在板边缘有元件时，在板子的周围应提供一些边框，因为生产过程都是通过板边进行抓持的，边上的线路和元件会被波峰焊设备的卡爪或边框传送器损坏。另外，大多数自动装配设备也要求板边至少要预留5mm的区域，以在自动装配设备时用于固定PCB。

　　4)尽量在板子的顶面(元件面)进行布线，因为在线路板底面(焊接面)的布线容易受到损坏，不要在靠近板子的边缘的地方布线。

　　5)对于具有较高引脚数的器件(如接线座或扁平电缆)，应使用椭圆形焊盘，圆形焊盘在波峰焊时容易出现锡桥。

　　6)定位孔之间应保持一定的距离，并应尽可能使定位孔间距及其与元件之间的距离大一些，并根据插装设备对其尺寸进行标准化和优化处理。为确保定位孔的尺寸在安装时能够满足要求，而电镀时孔的直径难以控制，因此不能对定位孔进行电镀。尽量使定位孔也作为PCB最终产品的安装孔使用，从而减少制作时的钻孔工序。

　　7)在电路板的废边上应尽量安排测试电路图样，以便于进行工艺控制。在制造过程中，可使用该测试电路图样监测表面的绝缘阻抗、清洁度及可焊性等。

　　8)在排版设计时需充分考虑PCB的可测性。最好用平面焊盘(无引线)以便在线测试时与引脚能够更好地连接。使PCB的各节点都具有良好的可测试性。

　　(2)元件的定位与安放的原则

　　1)按照一个栅格图样位置以行和列的形式安排元件，所有轴向元件应保持相互平行。这样轴向插装机在插装时就不需要旋转PCB，从而避免因不必要的转动和移动造成插装机插装速度的减缓。对于相似的元件而言，在板面上应尽量以相同的方式排放。

　　2)设计时要使双列直插封装器件、连接器及其他高引脚数元件的排列方向与过波峰焊的方向垂直，以减少元件引脚之间的锡桥。

　　3)应充分利用丝印在板面上作记号，例如可以画一个方框用于粘贴条形码，印上一个箭头来表示板子过波峰焊的方向，用虚线描出底面元件轮廓(这样板子只需进行一次丝印即可)等等。为便于PCB的安装，还应将元件名称、值的大小、管脚代号和极性清晰地用丝印标识在版面上，并且要使这些标识在元件插入后仍清楚可见。这些能在PCB的检查和故障排除时提供很大的帮助，使所设计的PCB具有良好的可测试性和可维护性。

　　4)元件距离PCB的边缘应至少有1.5mm(最好为3mm)的距离，使线路板更加易于进行传送和波峰焊接，减少对外围元件的损害。

　　5)当元件高出PCB的板面距离超过2mm时(如发光二极管、大功率电阻器等器件)，在这些元件下面应加上垫片。否则这些元件在传送时会被“压扁”，在使用中也容易受到振动和冲击的影响，不利于产品性能的稳定性。

　　6)避免在PCB两面均安放元件以节约装配的人工和时间。如果元件必须放在底面，为便于一次完成防焊胶带的遮蔽与剥离操作应使元件与PCB在物理上尽可能的靠近。

　　7)尽量使元件均匀分布在PCB上，这样有利于降低翘曲，并有助于使其在过波峰焊时热量均匀分布。

　　(3)机器插装的原则

　　1)要保证PCB上所有元件的焊盘都是标准的，且最好使用业界标准的间隔距离。

　　2)选用的元件要适用于机器插装，牢记自己工厂内的设备条件与规格，并事先考虑好元件的封装形式，以便能更好地与机器配合。对于异型元件来讲，封装可能是一个较大的问题，要引起注意。

　　3)如果可能，径向元件尽量用其轴向型以降低插装成本;如果空间非常宝贵，可以优先选用径向元件。

　　4)如果板面上仅有少量的轴向元件，则应将它们全部转换为径向型，反之亦然，因为这样可完全省掉一次插装工序。

　　5)布置板面时要从最小电气间隔的角度考虑引脚 折弯方向和自动插装机部件所到达的范围，同时要确保引脚折弯方向不会导致锡桥的出现。

　　(4)导线与连接器的原则

　　1)不能将导线或电缆线直接接到PCB上，必须使用连接器。如果导线一定要直接焊到板子上，则导线末端要用一个导线对板子的端子进行端接，并且从线路板连出的导线也要集中于PCB的某个区域，这样以减少它们对其他元件的影响。要使用不同颜色的导线以防止装配过程中出现错误，最好形成自己公司自有的标准或规范。

　　2)对于连接器，要有较大的焊盘以提供良好的机械连接，高引脚数连接器的引线为方便插入要有倒角。连接器焊点处是机械应力较为集中的地方，应使用夹持工具，例如键和卡扣。

　　3)尽量避免使用双列直插式封装插座，这种装置不仅延长组装时间，它额外的机械连接还会降低PCB长期使用的可靠性。需要使用插座的时间很少，只有因为维护的原因需要DIP现场更换时才使用，而如今DIP的质量已取得了长足的进步，无需经常更换。因此设计人员要尽量不使用双列直插式封装插座。

　　4)应在板面上刻出辨别方向的标记，防止安装连接器时出现错误。

　　(5)整机系统的原则

　　1)应在设计PCB前选好元器件并对其有清楚的了解，这样有利于做出最佳布局，有助于实施可制造性设计的原则。

　　2)避免用一些需要机器压力的零部件，如导线别针、铆钉等，这些元器件除了安装速度慢外，还可能损坏线路板，导致产品的可维护性降低。

　　3)要尽量减少同一PCB上使用元件的种类。可以使用如下一些方法：用排电阻代替单个电阻;用一个六针连接器取代两个三针连接器;如果两个元件的值很相似，但公差不同，则两个位置均使用公差较低的那一个;使用相同的螺钉固定板上各种散热器。

　　4)最好将PCB设计成可在现场进行配置的通用板。例如装一个开关，将国内使用的板改为出口型号，或使用跳线将一种型号转变为另一型号。

　　(6)常规要求

　　1)当对PCB做敷形涂层时，不要在敷形涂层部分而应在工程设计时在图上标注出来，设计时还需要考虑涂层对线间电容的影响。

　　2)对通孔来说，为了保证最佳的焊接效果，引脚与孔径的缝隙应在0.25~0.70mm之间。大的孔径对机器插装有利，而好的毛细效果要求有较小的孔径，因此需要在这两者之间做一个折衷。

　　3)应选用根据工业标准进行过预处理的元件。元件准备是生产过程中效率最低的部分之一，除了增添额外的工序(相应带来了静电损坏风险并使交货期延长)外，它还增加了出错的机会。

　　4)应对购买的大多数手工插装元件定出规格，使线路板焊接面上的引线伸出长度不超过1.5mm，这样可减少元件准备和引脚修整的工作量，而且板子也能更好地通过波峰焊设备。

　　5)避免使用卡扣安装较小的座架和散热器，因为这样速度很慢且需要工具，而应尽量使用套管、塑料快接铆钉、双面热带或者利用焊点进行机械连接。

　　2.表面贴装元器件的可制造性设计规范

　　随着表面安装技术引入PCB的制造工艺，并不断地发展，使得PCB的制造工艺也逐步融入到设计技术当中，因此，它也越来越要求PCB设计的同一化、规范化。

　　常见的表面贴装元件包括表面组装元件(Surface Mounted Components ，SMC)和表面组装器件(Surface Mounted Devices ，SMD)。表面组装元件主要有矩形片式元件、圆柱形片式元件、复核片式元件和异形片式元件;表面组装器件主要是片式晶体管和集成电路。表面贴装元器件的PCB可制造性设计的一般规范如下。

　　(1)PCB的尺寸选择原则 每台贴片机对PCB都有着比较严格的要求，这包括PCB的尺寸、厚度、四周的倒角以及四周的垂直和平行的精度等。为什么要有严格的要求呢?举个例子，如PCB的尺寸比要求的过大或过小，那么贴片机在对该板子进行贴片固定时就不能进行很好的固定，这就会引起制造上的问题。不同规格和型号的贴片机对PCB的具体要求会略有不同，但基本上遵循如下要求：

　　1)PCB的最大面积：X хY = 330mm х 250mm(小工作台设备)，X хY = 460mm х 460mm(大工作台设备);

　　2)PCB的最小面积：X хY = 80mm х 50mm;

　　3)PCB的厚度：0.8 ~ 2.5mm;

　　4)PCB的四周倒角：θ≤1.5mm;

　　5)PCB的外形必须经过数控铣削加工，四周垂直精度不低于 ±0.02mm。

　　在实际设计中，若PCB的尺寸太小，在采用表面贴装工艺时，要采用拼板技术来实现贴片机对PCB的良好固定。此时，PCB与PCB之间的分离建议采用邮票版或双面对刻V型槽的分离技术。

　　一般而言，在表面贴装印制板的四周还要设计宽度为5mm ±0.1mm的工艺夹持边，在夹持边线内不应有任何焊盘图形和器件。如确实由于版面尺寸的限制不能满足以上要求，或是采用拼板组装的方式时，可采用四周加边框的PCB制作方法，留出工艺夹持边，待焊接完成后手工将边框去除。

　　(2)元器件的布局原则 元器件布局要满足表面贴装工艺的要求。由于设计所引起的产品质量问题在生产中是很难克服的，因此PCB设计工程师要了解基本的表面贴装工艺的特点，根据不同的工艺要求进行元器件布局设计，正确的设计可以将焊接缺陷降到最低。在进行元器件布局时要考虑以下几点：

　　1)PCB水平和垂直方向均要留出3.5mm的传送边，如下可避免地占用了，则应另加工艺传送边。

　　2)在采用波峰焊时，要尽量保证元器件的两端焊点同时接触焊料波峰。

　　3)在尺寸相差较大的片状元器件相邻排列且间距较小的情况下，较小的元器件在波峰焊时要排在前面，先进入焊料波，以避免尺寸较大的元器件先行进入而造成遮蔽紧随其后的尺寸较小的元器件，造成漏焊。

　　4)元器件在PCB上的排放要均衡，以避免PCB轻重不均。此外，大质量器件在流焊时热容量较大，因此，布局上过于集中容易造成局部温度低而导致假焊。

　　5)对贴装元器件而言，同类元器件原则上要求尽可能按相同的排列方向排列;不同类型的元器件的排列方向可根据便于元器件的贴装、焊接和检测的实际需要改变。对于焊接元器件而言，元器件的排列则应尽量做到：所有无源元器件要相互平行;所有SOIC要垂直于无源元器件的长轴;SOIC和无源元器件的较长轴要互相垂直;无源元器件的长轴要垂直于板沿着波峰焊接机传送带的运动方向;当采用波峰焊接SOIC等多脚元器件时，应用于锡流方向的最后两个(每边各一)焊脚处要设置吸锡焊盘以防止连焊。

　　6)PCB上不同的组件相邻焊盘之间的最小间距不应低于1mm。

　　(3)基准标志 为了精密地贴装元器件，根据需要的设计用于正片PCB的光学定位的一组图形，就是基准标志;而用于引脚较多，引脚间距小的单个元器件的光学定位图形即是局部基准标志。基准标志常用的图形为：■、▲、●、◆，大小一般在0.5~2mm之间，放置在PCB或单个器件的对角线对称方向的位置上。

　　此外，基准标志考虑到PCB本材料的颜色与环境的反差，通常设置成覆铜或镀铅锡合金。当基准点标记与印制板的基质材料之间出现高对比度时，可达到最佳的性能。对于拼板，由于模板冲压的反差，可能形成板与板之间的间距不一致，建议在每块拼板上都设置基准标志，让机器将其中的每块PCB都作为一块单独的电路板看待。

　　(4)焊接方式与PCB的整体设计 表面贴装工艺具有回流焊和波峰焊两种焊接工艺方式。当采用这种焊接方式时，要注意元器件的合理布局。回流焊几乎适用于所有贴装元器件的焊接。波峰焊则只适用于焊接矩形片状元件、圆柱形元器件、SOT等和较小的SOP(管脚数少于28、引脚间距1mm以上)等。

　　为了保证生产，PCB的整体设计要尽可能按以下顺序进行优化：

　　1)单面贴装或混装，即在PCB的单面布放贴片元件或插装元件。

　　2)两面贴装，即PCB的单面或两面均布放贴片元件。

　　3)双面混装，即PCB的A面布放贴装元件和插装元件，在B面布放适合于波峰焊的贴片元件。

　　根据上述推荐的PCB设计规则，以双面混装(如摄像机)为例，就可以设计如图6—1所示的生产工艺流程。

　　

　　图6-1 双面混装PCB生产工艺流程

　　总之，PCB的可制造性设计在产品开发设计过程中虽不是最关键部分，但它对产品生产质量、生产效率等起着至关重要的作用。若设计不当，表面贴装技术根本无法实施或生产效率很低。表面贴装PCB设计的内容很广，这不仅需要考虑电路基本的设计，元器件产品的设计和基板设计，还要考虑制造工艺设计和测试图形设计等多方面的内容。此外，随着SMT设备的发展，SMT工艺也在不断发展，为此设计人员必须不断学习，不断跟踪新设备和新工艺的发展。

　　11.1.4 PCB设计的检查

　　当PCB的布线设计完成后，由于现代电路板越来越复杂化，使得整个电路板的布线难免会出现一些错误的地方，因此需要对PCB的布线进行认真仔细的检查，看其是否符合设计者所制定的规则，同时检查这些规则是否符合已知电路板生产工艺的要求。检查的项目很多，主要可分为以下4个方面来检查。

　　1.线的检查

　　1)线与线、线与元器件焊盘、线与通孔之间的设置距离是否合理，是否能够满足生产工艺的要求。

　　2)电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否是紧密耦合的，在PCB中是否能够再加宽地线。

　　3)关键的信号线是否采取了最佳措施，如加保护线等。

　　4)模拟电路和数字电路部分是否有各自独立的地线，且地线要与供电系统分开。

　　5)铜箔线是否满足要求。铜箔最小线宽：单面板为0.3mm，双面板为0.2mm，边缘铜箔至少为0.1mm;铜箔最小间距：单面板为0.3mm，双面板为0.2mm;铜箔与电路板边的最小距离为0.5mm。

　　6)跳线不能放置在IC下或电动机、电位器及其他大体积金属外壳的元器件下。

　　7)布线的方向是否正确。原则上布线方向要为水平或者垂直，由垂直转入水平时一定要走45°角。

　　8)布线要尽可能地短，尤其是时钟线、低电平信号线和高频回路布线要更短。

　　2.孔和焊盘的检查

　　1)元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产工艺的要求，焊盘与板边的最小距离是否为4.0mm。

　　2)通孔安装元件的焊盘直径大小要为孔径的两倍，对双板面最小为1.5mm，单板面最小为2.0mm。如果不能用圆形焊盘，则应选择用椭圆焊盘。

　　3)除要求的接地外，螺钉孔半径5.0mm内不能有铜箔及元器件，上锡位不能有丝印油。

　　4)在中心距小于2.5mm的焊盘周边要有丝印油包裹，且建议丝印油的宽度为5mm。

　　5)对于所有的双面板，过孔都不能开阻焊剂窗以减少焊点的短路。

　　6)孔洞间的距离最小为1.25mm。

　　7)若铜箔入圆焊盘的宽度较圆焊盘的直径较小时，需要加泪滴。

　　8)电插PCB的定孔位需放置在长边上，且在其周围一定范围内不得放置除手插元件外的元器件。

　　9)电插元件孔的直径：横插元件孔直径为1.1mm ± 0.1mm，直插元件孔直径为1.0mm ± 0.1mm;铆钉孔直径：2.0mm铆钉孔直径为2.25mm ± 0.1mm，3.0mm铆钉孔直径为3.25mm ± 0.1mm。

　　10)PCB上的散热孔的直径不得大于3.5mm。

　　11)当PCB上有直径大于12mm或方形12mm以上的孔时，必须要有相应的防止焊锡流出的孔盖。

　　12)直插元件孔之间的中心应相距为2.5mm或5.0mm。

　　13)测试焊盘应以ф2.0mm为标准，最小也不应低于ф1.3mm。

　　3.元器件的检查

　　1)电解电容不可触及发热元件，如大功率电阻、热敏、变压器、散热器等。电解电容与散热器的间隔最小为10.0mm，其他元件到散热器的间隔最小为2.0mm。

　　2)大型元器件，例如变压器、电解电容、大电流的插座等，要加大铜箔和上锡面积，且上锡面积至少要与焊盘的面积相等。

　　3)对于任何一个晶体管都要清晰地标出e、c、b三脚。

　　4)对于需要过锡炉后才焊接的元器件，焊盘要开走锡位，方向要与过锡方向相反，且为0.55~1.0mm。

　　5)在设计双面板时，金属外壳的元件插件时外壳要与PCB接触的，顶层的焊盘不能打开，务必用阻焊剂或丝印油盖住。

　　6)横插元件(如电阻)的脚间中心距离必须是7.5mm、10.0mm或12.5mm，电插PCB的横插元件间的距离要满足一定的要求。

　　7)直插元件只适合于外围尺寸或直径不大于10.5mm的元件，直插元件孔的中心距离要为2.5mm或5.0mm，直插元件间的距离也必须达到某一最小距离。

　　8)SMD器件的引脚与大面积铜箔连接时，要进行良好的热隔离处理。

　　4.PCB的检查

　　1)检查加在PCB中的图标、注释等图形是否会造成信号短路。

　　2)检查PCB上是否加有工艺线，阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊的尺寸是否合适，字符标志是否影响了电子产品的装配质量。

　　3)检查多层板中的电源地层的外框是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外就容易造成短路。

　　4)检查设计出的PCB是否符合PCB生产厂家的要求，既要避免过大的公差影响最终的质量，也要避免对公差过分的苛刻而造成生产成本提高。

　　5)在大面积的PCB的设计中，应在PCB间留一条5~10mm宽的空隙，以防止在通过锡炉时加上防止PCB弯曲的压条，从而避免PCB弯曲。

　　6)每一片PCB都应该用实心箭头标识出过锡炉的方向。

　　7)检查丝印字符，丝印字符应该为水平或右转90°摆放。

　　8)检查物料编码和设计编号，通常它们都只能放在板的空位上。PCB上没有布线的地方可以合理地用于接地或电源。

　　9)当没有维护文件时，PCB上的保险管、保险电阻、交流220V的滤波电容变压器等元器件附近，应标有警示标识符号及该元件的标称值。

　　10)交流220V电源部分的火线与中线在铜箔之间安全距离不应小于3.0mm，交流220V线中任一PCB或可触及点与最低压零件及壳体之间的距离要大于6mm，可触点的附近要加上有电警告标识。强电与弱电之间应用粗细不同的丝印线分开，以警告维修人员小心操作。

　　11)在贴片元件的PCB上，必须在板的一组对角上设置至少两个标记以提高贴片元件的贴装准确性。

　　12)基准标志常用的图形为：■、▲、●、◆，大小一般在0.5~2mm之间，并放置在PCB或单个器件的对角线对称方向的位置上。标记的铜箔或焊锡从标记中心方形的5mm内不应有焊剂或图案，从标记中心圆形的4mm内不应有焊剂或图案。

　　13)在一块PCB上有几块相同的多块板时，只要指定一个电路的标记或零件的标准标记后，其化电路也可以自动地移动识别标记，但是其他的电路如有180°的调头配置时，标记只限于使用圆形基准标志。

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