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硬件开发

SMT工艺PCB设计


SMT工艺主要是通过自动化设备来完成的,这就需要电子产品的PCB能适合于自动化设备生产。只有这样,才能提高生产效率以及保证产品的组装精度及生产质量。另外,现今很多电子产品制造商由于本身生产规模及产品投放市场的紧迫性等原因,都采用外协加工的办法来帮助自己提高产量,同时可以避免自己的巨额设备资产投入风险。随之出现了很多电子制造服务供应商(EMS)。EMS产业化后,实现电子产品的组装和制造的相关因素提前至开发设计阶段,这样才有助于原始电子制造商(OEM)与EMS之间的合作。

本文通过作者在工作中的经验及本公司标准化方案探讨采用SMT工艺对PCB设计的部分要求,供PCB设计人员参考。

一、确定SMT工艺流程

在产品设计的初期,设计者应根据产品策划要求,基本确定产品的工艺流程。如果在产品设计完成后再去安排工艺流程,这样产品设计目标性不强,比较凌乱,其系统性也无法很好维持。含表面贴装元件的PCB组装的SMT工艺流程是根据产品中所使用的元器件安装情况、产品批量大小、需采用辅助工艺夹具的配套性和使用设备的技术参数等条件,在确保产品质量、缩短生产周期和降低生产成本为宗旨而综合考虑的生产流程。目前多数企业所采用的工艺流程如下。

1.1单面SMT

a)模板印刷焊膏→元器件贴装→回流焊接→检修;b)贴片胶涂覆或印刷→元器件贴装→粘胶固化→波峰焊→检修;工艺流程a是较普遍使用的工艺,特点是工艺简单,质量控制方便;工艺流程b不适用于含有管脚间距小于0.8mm的IC的PCB,特点是可以与THT器件混装同时进行波峰焊。

1.2双面SMT

A面模板印刷焊膏→A面元器件贴装→回流焊接→A面初检→翻板→B面印刷焊膏→B面元器件贴装→回流焊接→A、B面检修。进行双面SMT,如无过多插件,一般不宜采用波峰焊工艺。A面的元器件应只选择一些简单的小片式和小质量元件。如果两边均有大质量IC,则只好用熔点温度不同的焊接材料,工艺执行比较困难,制造成本也升高了。

1.3SMT与THT进行混装

a)贴片胶涂覆或印刷→元器件贴装→粘胶固化→翻板插件→波峰焊接→检修;b)膜板印刷焊膏→元器件贴装→回流焊接→插件→波峰焊→检修;c)膜板印刷焊膏→元器件贴装→回流焊接→翻板→贴片胶涂覆或印刷→元器件贴装→粘胶固化→插件→波峰焊→检修;

注意:SMT器件和THT器件在同一面时才能采用b工艺,目前大部分产品也是采用此工艺。还有部分产品安装密度高并且工艺复杂,极难采用全自动化的生产工艺,就要在一定程度结合手工焊接操作。

二、元器件的选择及封装和包装形式要求

PCB设计时,为了利于缩小产品体积以及方便规模化生产,应尽可能地选择标准的表面贴装元器件。首先要选择适合于SMT工艺生产的元器件,元器件选用时,在符合设计要求的前提下应尽可能地选用通用元器件和标准封装的元器件,而后再考虑异形元器件;在保证产品功能实现的前提下,尽量选用同一尺寸规格的元器件,以利于高速生产;元器件的引脚共面性应不大于0.1mm,并且元件本身的耐热性、耐热冲击、耐热应力以及耐清洗性能都能符合要求,一般应能在(215±20)℃受热20s~60s,波峰焊(260±20)℃受热10s;还要保证元器件引脚可焊性良好,不易被氧化或变形;同时元器件的包装形式及包装尺寸公差应符合标准规定,一般情况下,尽量采用编带包装,这样元件不易氧化,贴装时供料也方便快捷,同一批产品应尽量选用同一类封装的元器件,便于保管和设备上料。

三、PCB布局及焊盘图形制作要求

在SMT生产工艺中,PCB的布局以及元器件焊盘图形的样式对生产效率及产品质量有很大关系。通过长期实践发现好的布局和焊盘图形会对生产效率和产品质量的提高有很大帮助。在设计时器件的排列应遵循以下原则:(1)焊接热量分布均匀原则,元器件在PCB上布局应尽可能有规则均匀地分布排列(特别是大芯片,吸热会较多),以便在回流焊接时,元件能得到均匀的焊接热量,从而减少立碑、虚焊和焊球等缺陷,这样,元器件的焊接质量就会提高;(2)元器件在PCB上的方向排列统一原则,元件在PCB上的方向以及极性排列应有规律,原则上应随元件类型的改变而变化,针对SMD应尽可能地采取统一方向、统一极性和统一间距排列,方向应尽可能水平排列(与元器件供料方向一致)。这样有利于贴装、焊接、维修和检测。元件间距应符合相关国家标准或IPC系列标准。一般两个贴片元件之间距应≥1mm。建议采用的布局方式和不合理的布局方式如图1和图2所示。

图1 PCB布局方式

贴装元件应尽量布于PCB的同一层,但必须要双面贴装时,PCB应有一面所布元器件均为质量比较小的元件,工艺操作会简单一些。同样对PCB基材也要提出要求,PCB的基材及厚度决定了PCB翘曲度及强度,在产品设计时设计者应考虑保证在SMT生产时PCB不变形。

焊盘设计与所选元器件应匹配。其宽度应略小于或等于元件引脚宽度,长度随元件种类而定,影响不大,一般外露部分为元件焊脚高度的1.0倍~1.2倍;元件焊盘图形形状一般与元件引脚形状一致,但为了更好地固定异形元件,如圆柱形元件,可以采用“凹”字形焊盘设计,“凹”字形设计同时也可以有效解决锡球问题及节约焊材;元件焊盘在与粗导线或大面积导电区相连时,在保证产品性质和功能的前提下,应在连接点采用多条不大于0.635mm的细导线相连,以保证其焊接热的隔离;在焊盘周围0.5mm之间不应布有过孔或通孔,以免流走焊锡。另外,导线应尽量在焊盘的中间引出,以保证热平衡;焊盘的可焊性应良好,焊盘表层应平整并采取防氧化措施;焊盘图形在满足以上条件下,原则上应尽量能适应不同厂家稍有差异的元器件。

SMT在一定程度上提高了PCB布线要求和布线密度,当然也增加了布线难度,为了保证产品的可靠性,在设计允许的条件下,应将连线设计尽可能宽;普通片式元件焊盘的内侧不允许设置过孔,若有过孔会使片式元件印刷的焊锡流失而造成虚焊和假焊等焊接不良;当连线需穿过两个焊盘之间时,要求焊盘间距必须大于1.27mm。连线宽度小于0.2mm,焊盘间需加入阻焊膜。

现今企业越来越重视产品的可追溯性,在生产过程中让操作员做不同的PCB加工质量标识。早期的贴片工序质量标识方法多为用记号笔在PCB边缘划线和加盖印章等,由于现在生产工艺上多数采用超声波清洗工艺,这样的标识均会被清洗掉,致使后续工序无法追查质量责任人,并且标识的颜料被洗掉后还会污染清洗液,影响线路板的清洗效果。

经过实践,我们在印制板贴片面,也就是大部分贴片元件所在的PCB表面,在没有覆铜要求的区域或者同一电位的覆铜区域内放置一排或两排没有电气连接的焊盘作为质量标识,增加焊盘数量至少为8个。经过这样处理之后的PCB板,在生产中通过对各个焊盘锡化处理的取舍作为质量标识,为产品质量的可追溯性提供了方便。具体放置规则如图3和图4所示。

图3 PCB元器件放置规则

四、典型SMT设备对PCB的要求

SMT设备种类繁多,怎样才能使PCB的设计符合其要求,具体要以设备类型来定。现在对国内典型SMT设备对PCB基本要求总结如下。

4.1工艺边

PCB在SMT设备流程中,一般是通过轨道运输来完成的。它在贴片机和波峰焊等设备内定位时,为了保证能被可靠地固定,一般需在运输轨道边预留5mm以上,让轨道夹持,如果实在不能预留,应加上约5mm工艺边。如图5所示:

如果PCB设计不是矩形,应考虑加工艺框,使其有两平行边。否则需在生产制造中制作相应的夹具来保证PCB能适应SMT设备,以保证PCB在贴片机内定位和在其它SMT设备中被传输,如图6所示。

图5 PCB工艺边要求

4.2定位孔

部分印刷机及贴片机在给PCB定位时,使用定位销(针),这就要求PCB制作时需预留出定位孔。不同的设备对定位孔的要求可能不同,通常矩形设计PCB两端需有一对定位孔,孔径一般为d4mm,两孔分别在PCB左和右下角。如果贴片设备是由右向左传输,则左孔中心位置应距PCB两边分别为5mm,右孔中心位置距PCB下边为5mm,距右边无要求。但两孔应处于PCB重心两侧,以便支撑PCB,如图7所示。由左向右传输则反之。

图7 PCB定位孔位置

注意:定位孔周围3mm内不可贴装元件。需要在线测试设备检测PCB功能的产品,PCB对角也要有一对定位孔,其孔径及孔间距要求需根据测试设备而定;非矩形设计PCB参照矩形设计PCB加工艺边制作。

4.3基准

贴装时为了对PCB的定位误差以及翘曲和扭曲变形做出修正,大多数贴片设备都采用光学基准定位。基准都用比较规则的几何形状来做,一般优先采用D0.8mm~D1.5mm的圆点或圆孔。基准可以用于PCB的整板级基准、细间距器件以及BGA和CSP元器件使用的元件级基准、拼板中子板的块基准。一般需2个基准点为一组,优先选用D1.0mm的圆点或圆孔。板级基准应分布于PCB的一组对角,两基准点的位置应尽量以其连线为对角线的矩形,能包络所有贴片元件为宜。同样,元件基准和块基准也类似分布于其对角。如图8所示。基准点为圆点(亮点)时,需留出比其大1.5mm的无阻层焊区,此区内要求无焊盘和导线出现。基准点为圆孔(暗点)时,要求留出比基准孔大1.5mm的圆环,此圆环要求渡锡,并且平整光亮;基准点的镀锡部分,经过热风整平等表面处理后,应在光学系统的照射下,与周边地方有高的对比度,这样,有利于基准点的识别。

图8 贴片机对PCB的基准要求

五、PCB尺寸要求

不同的SMT设备可贴装的PCB尺寸不同。一般尺寸在50mm×50mm~350mm×250mm。原则上PCB如果稍小,做成拼板可以提高贴装效率,同时方便PCB定位。拼板时需注意焊接完成后的分板及对已焊接器件的影响。PCB厚度以能承受贴装压力及在焊接设备中受到高温不变形为准,在0.8mm~2.8mm比较合适。

六、PCB标识及输出资料

为了便于加工,或者EMS的需求,PCB设计完成后转到生产加工部门需要有以下的标识和输出资料:(1)PCB上应有名称标识;元器件的位置和极性标识;PCB号和生产日期等内容;(2)物料清单、PCB图、制作模板文件、贴片编程文件以及其它说明性文件。如需测试还要有原理图和网络表等内容;(3)产品焊接完成后的测试条件、标准、质量检测标准和说明等;(4)EMS的其它要求。

总结

通过对PCB的规范设计,有利于企业的标准化建设,同时可以有效地保证产品的可靠性及规模化生产,对降低成本、提高效率和保证产品质量起到应有的作用。它们应该得到企业的重视,SMT从业者也应该重视它们。

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