PCB可制造性设计与无线电装校技术研究

PCB可制造性设计与无线电装校技术研究

戴丽丽 林敏

中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽省合肥市，230000

摘要：随着电子行业的不断发展，对印制板提出了更高的要求，特别是目前广泛使用的贴片元器件及装焊工艺，这就要求设计者在整个设计过程中必须考虑印制板的可制造性。因此，PCB 设计人员在进行新产品开发时必须结合实际，在整个 PCB 设计阶段的各个环节进行可制造性设计，不容小视。在以往PCB设计中，为了满足用户交期，过分强调设计速度，往往忽视了生产工艺，导致样机在科研试制阶段中出现各类问题，需反复修改且不方便修改，不仅没有缩减生产周期，反而提高了生产成本。因此，PCB设计时应充分考虑后期的可制造性。

关键词：电子装联；PCB；可制造性设计 

一、PCB布局

PCB 布局在整个 PCB 设计中起到关键性的作用。因布局欠佳所引起的产品质量问题在生产中是很难克服的，为了整个布局的正确设计以使焊接缺陷、生产损失降到最低，设计人员在进行布局时需着重考虑以下要素：①印制板上的字符和图形标记应清晰无遮挡，为后期生产提供有效的指导作用。②易损器件的四周要留一定的维修空隙；贵重的元器件不要布放在印制板的高应力区，容易造成焊点和元器件的开裂或裂纹。③元器件按照相同方向和极性布局排列，这样可加快插装的速度，并且易于发现错误，提高生产效率。无源元件长轴方向与印制板行进方向垂直，双列封装元件有缺口标识的轴向与印制板行进方向平行，防止元件一端受热而另一端产生移位或浮高。④功率器件应均匀地放置在 PCB 边缘或机箱内的通风位置上。⑤尽量不在印制板的两面布放元器件，这样会增加装配的人工和时间；对于表面贴装，当在印制板的两面均有元件时，尽可能将大的器件放在一面，并均匀分布，而小元件放在另一面，这样在进行第二面的回流焊时，由于器件小、重量轻、脱离机率要比大器件低的多。⑥可调元件应考虑整机的结构要求，元器件布局要满足生产工艺的要求。⑦对元器件的位置进行调整时，一定要注意元件和丝印符号一一对应。

二、电子装联的 PCB 可制造性设计

PCB 可制造性包括 PCB 印制板（光板）和 PCBA（印制板组件级）的可制造性，其中光板设计时应考虑印制板厂家的加工工艺，保证将加工文件发给厂家后可顺利制板。PCBA 印制板组件的可制造性从制造角度出发，设计的 PCB 应满足后续电装的可制造性要求。1、焊盘的可制造性设计。元器件焊盘的设计是否合理直接影响后续的电装，设计时应参考《IPC-7351 PCB 行业的封装标准》并结合元器件引脚实际尺寸进行设计。由于目前印制板上器件越来越密，器件也越来越小型化，设计时应充分考虑元器件的布局和布线要求，且保证能够满足电装条件和返修条件。近几年随着元器件国产化的推进，部分国产器件封装与标准仍有区别，在焊盘设计时应重点查看器件引脚实际尺寸进行设计，特别是一些 SOP 和 SOIC 等类型的封装应根据实际情况进行进一步优化。以下为一些特殊器件封装设计要求：1) 需要卧焊并采取加固措施的元器件，若通过捆扎方式加固，在封装设计时应考虑捆扎方式并设计对应机械孔；2) 对细密间距（pitch 为 1.27 mm）双排的通孔类连接器设计时既要保证孔径比引脚大 0.1～0.2 mm，又要保证焊环宽度既能满足走线要求又要满足电装要求，可采用异形焊盘的设计方式进行解决。3) 对于压接连接器，不同于常规的焊接类通孔器件，焊盘设计应按照压接后引脚能够与孔壁完全接触的标准进行封装设计，并在印制板加工时严格控制孔径加工精度，精度要求为±2Mil。

2、元器件布局可制造性设计。PCB 设计中元器件布局是否合理直接影响后续的元器件装配，不应有抵触等情况发生，设计时不仅要从性能角度出发考虑信号走线，还应考虑元器件安装以及返修是否有影响。布局应均匀布设、整齐、紧凑，整个板面元器件排列有序，表贴元件布局时应注意焊盘方向尽量取一致，并与通孔类元器件焊点保持一定距离，方便手工焊接以及返修。以下为一些常见的 PCB 元器件布局要求：1) 印制板若有工艺边或拼板情况下，靠近连接处的器件应平行于印制板边框，而不是垂直于板边，以免分板时损伤元件。2) 应力敏感元器件等器件由于容易因机械或热应力导致焊点开裂失效，应尽可能地放在远离 PCB 装配时易发生弯曲的“禁布区”，温度敏感器件等器件应布局在同一面且需减少回流焊次数，布局在最后一次回流焊的一面；3) PCB 板贴片器件较少时，应尽量将贴片器件集中布局在同一面。两面都有元件的PCB，较大较密的 IC：如 QFP、BGA、大电感、贴片电解电容等封装的元件布局在板子的同一面，BGA 或者重量、封装较大的贴片器件不布局在 PCB 板的几何中心；4) BGA 封装周边应留有至少 3 毫米禁止布器件区域，方便后续返修器件，同时周边不应布局不耐高温的元器件；5) 通孔类器件焊点位置应与贴片器件距离至少 3 mm，方便手工焊接以修；6) 压接连接器背面保留至少 3 mm 禁止布器件区域，正面至少 5 mm 范围内贴片器件高度不应超过压接连接器高度，保证压接模具的支撑及操作空间。

3、PCB 工艺性可制造性设计。PCB 设计完成后应进行工艺性审查，主要包括光学定位点（MARK 点）放置是否正确、有无辅助工艺边、是否拼板、是否设计工装载具等，若考虑不充分，同样会导致印制板在SMT 过程中无法顺利生产。由于不同工厂的工艺能力不同，故在设计时应根据实际加工工厂的工艺能力进行工艺性设计。以下为一些通用的工艺要求：1) 光学定位点一般应分布在印制板角落处，至少 2～3 颗，且距离板边 3～5 毫米范围内。考虑到材料颜色与环境的反差，应留出比光学定位基准符号大 2 倍的无阻焊区，不允许有焊盘也不允许有任何字符。

2) PCB 设计时应尽量考虑不添加辅助工艺边，若条件不允许，辅助工艺边应设计成至少 3～5 毫米宽度，可采用邮票孔或者 V 型槽的方式进行连接，同时应考虑太靠边器件位置处应进行镂空设计，防止去除工艺边时损伤器件；3) 对于软硬结合板以及柔性印制板，为实现自动化贴装，应考虑必要的载具或者添加辅助工艺边；4) 对于尺寸较小的印制板应根据加工数量进行合适的拼板设计，可通过邮票孔或者V 型槽进行连接。

4、PCB 三维设计。PCB 三维设计即在元器件建封装过程中对器件赋予三维模型并共享在服务器上，PCB设计过程中直接对在线模型进行调用，即可实时生成 PCBA 的三维模型。在线设计方案针对不同 PCB 设计软件略有不同，本文以选用 Candence 软件进行 PCB 设计为例，对 PCB 进行三维设计，可直观的进行判断设计是否满足可制造性，单元板实现三维设计后可进一步实现整机级三维设计，通过对细节的调整（如器件摆放方向、位置移动），可更进一步解决线缆抵触、装配困难等问题，同时可及时发现线缆或者器件损伤等隐患，在设计初级阶段进行改进。

基于PCB可制造性设计应满足的规范要求，在整个制造过程中还有很多细节应进行考虑，如不同设备散热及装配要求等限制、丝印标识、可测试性设计等方面都应进行考虑，应根据各单位实际情况拟制元器件封装设计规范和PCB可制造性设计规范，在设计阶段依据规范进行设计。从而减少后续反复修改，节约大量成本，提升产品生产效。

参考文献

[1] 张峥, 周强, 钱旭. 面向电子装联的 PCB 可制造性设计[J]. 电子测试 ,2018.

[2] 姜培安. 印制电路板的可靠性和可制造性设计 [J]. 航天科技集团九院 ,2019.