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SMT實用工藝基礎-印制電路板設計技術

作者：博維科技時間：2018-08-03 13:20

印制電路板(以下簡稱PCB)設計水平是衡量表面組裝技術水平的一個重要標志，是保證表面組裝質量的首要條件之一。SMT的組裝質量與PCB的設計有著直接的關系。

7．1 PCB設計包含的內容：

7．2如何對SMT電子產品進行PCB設計
一．總體目標和結構
1．首先確定電子產品功能、性能指標、成本以及整機的外形尺寸的總體目標
    新產品開發設計時，首先要給產品的性能、質量和成本進行定位。
   —般情況下，任何產品設計都需要在性能、可制造性及成本之間進行權衡和折中，因此在設計時首先要給產品的用途、檔次定位。
1. 電原理和機械結構設計，根據整機結構確定PCB的尺寸和結構形狀。畫出SMT印制板外形工藝圖，標出PCB的長、寬、厚，結構件、裝配孔的位置、尺寸，留出邊緣尺寸等，使電路設計師能在有效的范圍內進行布線設計(見圖7-1)。

3．確定工藝方案
  (1)確定組裝形式
      組裝形式的選擇取決于電路中元器件的類型、電路板的尺寸以及生產線所具備的設備條件。印制板的組裝形式的選原則：
遵循優化工序、降低成本、提高產品質量的原則
    例如：
    能否用單面板代替雙面板；
    能否用雙面板代替多層板；
    盡量采用一種焊接方法完成；
    盡量用貼裝元件替代插裝元件；
    最大限度地不使用手工焊等等。
    (2)確定工藝流程
        選擇工藝流程主要根據印制板的組裝密度和本單位SMT生產線設備條件，當SMT生產線具備再流焊、波峰焊兩種焊接設備的條件下，可作如下考慮：
    a．盡量采用再流焊方式，因為再流焊比波峰焊具有以下優越性：
    ——元器件受到的熱沖擊小；
    ——焊料組分一致性好，焊點質量好；
    ——面接觸，焊接質量好，可靠性高。
    ——有自定位效應(selfalignment)適合自動化生產。生產效率高；
    ——工藝簡單，修板的工作量極小。從而節省了人力、電力、材料。
  b．在一般密度的混合組裝條件下，當SMD和THC在PCB的同一面時，采用A面印刷焊膏、再流焊，B面波峰焊工藝：當THC在PCB的A面、SMD在PCB的B面時，采用B面點膠、波峰焊工藝。
  c．在高密度混合組裝條件下，當沒有THC或只有及少量THC時，可采用雙面印刷焊膏、再流焊工藝，及少量THC采用后附的方法：當A面有較多THC時，采用A面印刷焊膏、再流焊，B面點膠、波峰焊工藝。
    注意：在印制板的同一面，禁止采用先再流焊SMD，后對THC進行波峰焊的工藝流程。

二．PCB材料和電子元器件選擇
    PCB材料和電子元器件要根據產品的功能、性能指標以及產品的檔次以及成本核算進行選擇。
  1．PCB材料的選擇
  對于—般的電子產品采用FR4環氧玻璃纖維基板，對于使用環境溫度較高或撓性電路板采用聚酰亞胺玻璃纖維基板，對于高頻電路則需要采用聚四氟乙烯玻璃纖維基板；對于散熱要求高的電子產品應采用金屬基板。
    選擇PCB材料時應考慮的因素：
    (1)應適當選擇玻璃化轉變溫度(Tg)較高的基材，Tg應高于電路工作溫度。
    (2)要求熱膨脹系數(CTE)低。由于X、Y和厚度方向的熱膨脹系數不一致，容易造成PCB變形，嚴重時會造成金屬化孔斷裂和損壞元件。
    (3)要求耐熱性高。一般要求PCB能有250℃／50S的耐熱性。
    (4)要求平整度好。SMT的PCB翹曲度要求<0.0075mm／mm。
    (5)電氣性能方面，高頻電路時要求選擇介電常數高、介質損耗小的材料。絕緣電阻，耐電壓強度，抗電弧性能都要滿足產品要求。
    2．電子元器件的選擇
    選擇元器件時除了滿足電器性能的要求以外，還應滿足表面組裝對元器件的要求。還要根據生產線設備條件以及產品的工藝流程選擇元器件的封裝形式、元器件的尺寸、元器件的包裝形式。例如高密度組裝時需要選擇薄型小尺寸的元器件：又如貼裝機沒有寬尺寸編帶供料器時，則不能選擇編帶包裝的SMD器件；
三．印制板電路設計
    這是PCB設計的核心。SMT工藝與傳統插裝工藝有很大區別，對PCB設計有專門要求。例如C1ip件的焊盤尺寸與焊盤間距設計正確的話，貼裝時少量的歪斜可以在再流焊時由于熔融焊錫表面張力的作用而得到糾正(稱為自定位或自校正效應)；相反，如果焊盤尺寸與焊盤間距設計不正確，即使貼裝位置十分準確，再流焊時由于熔融焊錫表面張力不平衡而造成元件位置偏移、脫焊、吊橋等焊接缺陷，這是smt再流焊工藝特性決定的。
    由于SMT迅速發展，元器件越來越小、組裝密度越來越高，BGA、CSP、Flipchip、復合化片式元件等新封裝不斷出現，引起了SMT設備、焊接材料、印刷、貼裝和焊接工藝的變化。因此，對PCB設計也提出了更高的要求。雖然目前已經有了PROTEL、POWER、PCB等功能較強的CAD設計軟件，可以直接將電原理圖轉換成布線圖，對于標準尺寸元器件的焊盤圖形可以直接從CAD軟件的元件庫中調用，但實際上還必須根據組裝密度、不同的工藝、不同的設備以及特殊元器件的要求進行設計。
四．印制板電路設計時應著重注意的內容：
    1．標準元器件應注意不同廠家的元器件尺寸公差非標準元器件必須按照元器件的實際尺寸設計焊盤圖形及焊盤間距。
    2．設計高可靠電路時應對焊盤作加寬處理(焊盤寬度＝1.1元件寬度)。
    3．高密度時要對CAD軟件中元件庫的焊盤尺寸進行修正。
    4．各種元器件之間的距離、導線、測試點、通孔、焊盤與導線的連接、阻焊等都要按照SMT工藝要求進行設計。
    5．應考慮到返修性要求，例如，大尺寸SMD周圍要留有返修工具進行操作的尺寸。
6．應考慮散熱、高頻、電磁干擾等問題。
7．元器件的布放位置與方向也要根據不同工藝進行設計。例如，采用再流焊工藝時，元器件的布放方向要考慮到：PCB進入再流焊爐的方向；采用波峰焊工藝時，波峰焊接面不能布放PLCC、QFP、接插件以及大尺寸的SOIC器件。為了減小波峰焊陰影效應提高焊接質量，對各種元器件布放方向和位置有特殊要求，波峰焊的焊盤圖形設計時對矩形元器件、SOT、SOP元器件的焊盤長度應作延長處理，對SOP最外側的兩對焊盤加寬，以吸附多余的焊錫(俗稱竊錫焊盤)，小于3.2mmxl.6mm的矩形元件可在焊盤兩端作45°倒角處理等等。
8．PCB設計還要考慮到設備，不同貼裝機的機械結構、對中方式、PCB傳輸方式都不同，因此對PCB的定位孔位置、基準標志(MARK)的圖形和位置、PCB板邊形狀以及PCB板邊附近不能布放元器件的位置都有不同的要求。如果采用波峰焊工藝，還要考慮PCB傳輸鏈需要留有的工藝邊，這些都屬于可生產性設計的內容。
9．應注意相應的設計文件。因為SMT生產線的點膠(焊膏)機、貼裝機、在線測驗、X--RAY焊點測驗、自動光學檢測等設備均屬于計算機控制的自動化設備。這些設備在組裝PCB之前，均需要編程人員花費相當時間進行準備和編程，因此在PCB設計階段就應考慮到：生產。一旦設計完成，則將設計所產生的有關數據文件輸入SMT生產設備，編程時直接調用或進行相關的后處理就可以驅動加工設備。
10．在保證可靠性的前提下，還要考慮降低生產成本。

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