可制造性設計在PCB設計中考慮哪些方面?

發表時間:2020-09-03 09:04:22 人氣:605

產品的可制造性設計(DFM,Design For Manufacturing)研究的是產品本身的物理(機械的?電氣的)設計與制造加工系統之間的相互關系,并將其結合在產品設計中,以便將其與整個制造系統的要求融合在一起,使設計的產品便于生產制造,減少制造過程中的質量缺陷,達到縮短產品研制或生產周期?降低成本?提高產品質量和生產效率的目的。從廣義上講,產品的可制造性應包括產品的制造?測試?返工和維修等產品形成全過程的可行性,但從狹義上講是指產品本身制造的可行性。


PCB的可制造性設計

PCB作為電子產品的基礎,所設計的 PCB 圖形既要用于 PCB 的制造,又要用于 PCB的安裝。PCB 的制造和 PCB 組件的安裝分屬于兩個不同的制造專業,兩者在制造工藝方法和設備上有很大的差別,制造要求也大不相同。因此所設計的 PCB 需要同時滿足兩個方面的可制造性要求:本身的可制造性要求和印制板組裝件的可制造性要求。

PCB 的設計?制造和組裝分屬于三個不同的專業技術領域。作為一個優秀的 PCB 設計者,既要精通電路設計,又要了解和熟悉 PCB 的制造和元器件安裝工藝要求,還應當了解所選用的元器件的特性和基本的尺寸,以及安裝和焊接時所用的焊料?焊劑的特性等要求,要把這些要求有機地融合在一起。在一個設計中實現總體優化,不是一個很容易的事情,這需要有豐富的設計實踐經驗。

PCB 的設計可制造性包括 PCB 本身的可制造性和印制板組裝件的可制造性。PCB 本身的可制造性需要考慮印制板生產工藝規范要求,印制板組裝件的可制造性需要考慮裝聯工藝規范要求。


PCB本身的可制造性設計

PCB 本身(又稱裸板)是指沒有安裝電子元器件的光板。對 PCB 本身的可制造性設計而言,主要考慮的是印制板制造工藝對 PCB 設計的要求。PCB 有許多種類(如多層剛性印制板與單面或雙面印制板),不同種類有不同的加工方法,其可制造性設計要求是不同的。在進行 PCB 設計時,需要根據所設計的 PCB 結構特點,了解相關的 PCB 生產工藝特點,進行可制造性設計考慮。

PCB 的可制造性所要求的技術指標與 PCB 的制造工藝技術水平發展現狀和印制板制造廠商有關,例如,對于導線寬度為 0.lmm,最小通孔直徑為 0.3mm 的 PCB,有些生產廠商就不能加工,只有一些設備和工藝條件較好的生產廠可以加工。有的設計人員不注意這些問題,認為產品能設計出來就能制造出來,或者認為印制板的布局?布線設計正確與否是自己的事,能否制造出來是生產和工藝的事,這個概念是錯誤的。在考慮 PCB 的可制造性技術指標時,要根據當前的印制板加工工藝水平和預計要選定的印制板生產廠商的工藝要求來確定,不然所設計的產品將難以制作或制作不了。

滿足PCB 本身的可制造性要求需要考慮的一些設計因素如下

PCB 本身的可制造性要求:

1.  PCB 的外形尺寸和精度。受設備加工尺寸和精度要求限制,設計時應考慮最大和最小加工尺寸,尺寸精度和工藝邊的尺寸。

2.  PCB 基材的類型和規格的選用。應考慮印制板的加工方法,所選擇的 PCB 基材的種類和尺寸規格應盡量符合標準。

3.  確定 PCB 的結構和厚度。PCB 的結構和厚度首先必須滿足印制板的電氣和機械性要求,但也必須考慮制造的可能性。例如,多層印制板的最高層數?中間介質層和板的總厚度等,都受生產加工能力的制約,在確定這些參數時應與PCB的生產商協商。

4.  確定 PCB 厚度與孔徑比。PCB 的總厚度與導通孔直徑的比值是制約可制造性的重要指標。受金屬化孔工藝的制約,孔徑越小,基板越厚,其孔金屬化的難度就越大,所以應選擇適當的板厚與孔徑比,以利于孔的金屬化處理和電鍍。

5.  確定最小孔徑?孔的最小間距。受生產設備和孔金屬化能力的制約,設計時應考慮與生產能力和水平相適應。

6.  注意焊盤圖形的形式。由于最小連接盤寬度會受 PCB 的安裝?焊接要求和印制板制作精度限制,故設計時應綜合考慮這兩個方面的可制造性要求。

7.  注意印制導線的寬度?導線間距及其精度。受印制板制作中的圖形轉移和蝕刻工藝水平制約,生產過程會影響印制板導線間的耐電壓?絕緣電阻和印制板的特性阻抗等性能,應綜合考慮設計。

8.  布局?布線等設計要素直接影響電子元器件的安裝?印制板制造精度?耐電壓及絕緣電阻等工藝性能和印制板的電磁兼容性。布線的均勻程度還會影響印制板的翹曲度等機械性能,進而影響表面安裝元器件焊接的可靠性,設計時應按工藝要求和電氣要求綜合考慮。

9.  對不同類型的 PCB 還有一些特殊的可制造性考慮,如撓性印制板?高密度互連板等。

在考慮 PCB本身的可制造性設計指標時,應不超過 PCB當前的制造工藝極限或預選生產商的生產能力極限,必要時應與預選的 PCB 生產商進行工藝協商,或對生產商進行生產能力考核認證,以確認合格的PCB生產商。


印制板組裝件的可制造性設計

在 PCB 圖形設計完成時,元器件的安裝?焊接形式,以及產品測試?維修的難易程度就已經基本確定了,因此印制板組裝件的可制造性設計在印制板圖形設計時就必須考慮好。因為在 PCB 圖形設計中,布局?布線時元器件的安裝位置和密度及連接的走線關系,對元器件安裝合理與否,能否便于檢測和維修有決定性作用,所以在 PCB 圖形設計時就應考慮產品的安裝?焊接?維修和測試的可制造性。

印制板組裝件的可制造性設計隨元器件的安裝方法不同而有很大區別。印制板的安裝方式根據元器件的封裝形式,可以分為通孔安裝?表面安裝?微組裝或芯片直接封裝。不同的安裝方式對印制板的基材和復雜程度要求是不同的,因而對印制板的設計可制造性要求也不相同。

印制板組裝件的可制造性設計還與元器件焊接的方式有關,常用的焊接方式有手工焊接?波峰焊接?再流焊接(回流焊)及壓焊(bonding)。對于手工焊接,可以采用阻焊膜也可以不采用阻焊膜;在波峰焊接和再流焊接中,為防焊接時產生橋連和短路,必須采用阻焊膜;再流焊接的印制板設計中,還需要設計網印焊膏用的模板;采用壓焊連接時,應考慮焊盤表面涂(鍍)層的匹配問題。不同的焊接方法,對鍍層的種類和厚度要求不同,匹配不當將會引起焊接失效或產生缺陷。

無論采用哪一種安裝方式或哪一種焊接方法,印制板組裝件的可制造性設計的通用要求如下。

印制板組裝件可制造性設計要求:

1.  布局時,元器件的安裝間距和與板邊緣距離應符合安裝?維修和測試的要求。

2.  元器件(含插針)的安裝孔應有足夠的插裝和焊接的間隙。

3.  焊盤和最小環寬尺寸應能滿足焊接后形成可靠連接的要求。

4.  焊盤尺寸和位置應滿足安裝和焊接質量的要求。

5.  對于需要加固或需要外加散熱器的元器件周圍,應留出加固和安裝散熱器的空間。

6.  根據元器件的發熱情況,按熱設計要求確定元器件是貼板或離板安裝,還是外加散熱器。元器件的布局和排列方向應有利于散熱。

7.  元器件的安裝位置和極性標志應清楚準確,應與電原理圖要求相符,網印的標識應滿足網印工藝要求。

8.  元器件體下面的過孔和其他不需焊接的孔應有阻焊覆蓋,以防焊接時焊料流到元器件體上損壞元器件或使金屬殼的元器件體短路。

9.  在超大規模元器件或發熱元器件周圍的規定的范圍內,不允許布設其他元器件或過孔。

10.  印制板上的測試點盡量設置在板的邊緣或不易被其他元器件遮擋的地方,以便于測試。

11.  在元器件的布局中,應充分考慮電磁兼容問題。


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