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PCB设计时必须考虑的几个问题           ★★★
PCB设计时必须考虑的几个问题

来源:www.pcblover.com    作者:PCB技术   更新时间:2016-10-31 20:24:24   点击: 

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PCB设计时必须考虑的几个问题

随着PCB行业的蓬勃发展,越来越多的工程技术人员加入PCB的设计和制造中来,但由于PCB制造涉及的领域较多,且相当一部分PCB设计工程人员(Layout人员)没有从事或参与过PCB的生产制造过程,导致在设计过程中偏重考虑电气性能及产品功能等方面的内容,但下游PCB加工厂在接到订单,实际生产过程中,有很多问题由于设计没有考虑造成产品加工困难,加工周期延长或存在产品隐患,现就此类不利于加工生产的问题做出以下几点分析,供PCB设计和制作工程人员参考:为便于表达,从开料、钻孔、线路、阻焊、字符、表面处理及成形七个方面分析:

一、 开料主要考虑板厚及铜厚问题:

板料厚度大于0.8MM的板,标准系列为:1.0 1.2 1.6 2.0 3.2 MM,板料厚度小于0.8MM不算标准系列,厚度可以根据需要而定,但经常用到的厚度有:0.1 0.15 0.2 0.3 0.4 0.6MM,这此材料主要用于多层板的内层。外层设计时板厚选择注意,生产加工需要增加镀铜厚度、阻焊厚度、表面处理(喷锡,镀金等)厚度及字符、碳油等厚度,实际生产板金板将偏厚0.05-0.1MM,锡板将偏厚0.075-0.15MM。例如设计时成品要求板厚2.0 mm时,正常选用2.0mm板料开料时,考虑到板材公差及加工公差,成品板厚将达到2.1-2.3mm之间,如果设计一定要求成品板厚不可大于2.0mm时,板材应选择为1.9mm非常规板料制作,PCB加工厂需要从板材生产商临时订购,交货周期就会变得很长。内层制作时,可以通过半固化片(PP)的厚度及结构配置调整层压后的厚度,芯板的选择范围可灵活一些,例如成品板厚要求1.6mm,板材(芯板)的选择可以是1.2MM也可以是1.0MM,只要层压出来的板厚控制在一定范围内,即可满足成品板厚要求。另外就是板厚公差问题,PCB设计人员在考虑产品装配公差的同时要考虑PCB加工后板厚公差,影响成品公差主要是三个方面,板材来料公差、层压公差及外层加厚公差。现提供几种常规板材公差供参考:(0.8-1.0)±0.1 (1.2-1.6)±0.13 2.0±0.183.0±0.23 层压公差根据不同层数及板厚,公差控制在±(0.05-0.1)MM 之间。特别是有板边缘连接器的板(如印制插头),需要根据与连接器匹配的要求确定板的厚度和公差。表面铜厚问题,由于孔铜需要通过化学沉铜及电镀铜完成,如果不做特殊处理,在加厚孔铜时表面铜厚会随着一起加厚。根据IPC-A-600G标准,最小铜镀层厚度,1、2级为20um ,3级为25um。因此在线路板制作时,如果铜厚要求1OZ(最小30.9um)铜厚时,开料有时会根据线宽/线距选择HOZ(最小15.4um)开料,除去2-3um的允许公差,最小可达33.4um,如果选择1OZ开料,成品铜厚最小将达到47.9um。其它铜厚计算可依次类推。

二、 钻孔主要考虑孔径大小公差、钻孔的预大,孔到板边线边、非金属化孔的处理问题及定位孔的设计:

目前机械钻孔最小的加工钻嘴为0.2mm,但由于孔壁铜厚及保护层厚,生产时需要将设计孔径加大制作,喷锡板需要加大0.15mm金板需要加大0.1mm,这里的关键问题是,如果孔径加大以后,此类孔到线路、铜皮的距离是否达到加工要求?本来设计的线路焊盘的焊环够不够?例如,设计时过孔孔径为0.2mm,焊盘直径为0.35mm,理论计算可知,焊环单边有0.075mm是完全可以加工的,但按锡板加大钻嘴后生产,就已经没有焊环了。如果焊盘由于间距问题,CAM工程人员无法再加大的话,此板就无法加工生产。孔径公差问题:目前国内钻机大部分钻孔公差控制在±0.05mm,再加上孔内镀层厚度的公差,金属化孔公差控制在±0.075mm,非金属化孔公差控制在±0.05mm。另外容易忽略的一个问题是钻孔到多层板内层铜皮或线的隔离距离,由于钻孔定位公差为±0.075mm,层压时内层压板后图形伸缩变形有±0.1mm的公差变化。因此设计时孔边到线或铜皮的距离4层板保证在0.15mm以上,6层或8层板保证在0.2mm以上的隔离才可方便于生产。非金属化孔制作常见有以下三种方式,干膜封孔或胶粒塞孔,使孔内镀上的铜因为无蚀阻保护,可在蚀刻时除去孔壁铜层。注意干膜封孔,孔径不可大于6.0mm,胶粒塞孔不可小于11.5mm。另外就是采用二次钻孔制作非金属化孔。不管采取何种方式制作,非金属化孔周围必须保证0.2mm范围内无铜皮。定位孔的设计往往也是容易忽略的一个问题,线路板加工过程中,测试,外形冲板或电铣均需要使用大于1.5mm的孔做为板固定的定位孔。设计时需考虑尽量成三角形将孔分布于线路板三个角上。

三、线路制作主要考虑线路蚀刻造成的影响由于侧蚀的影响,生产加工时考虑铜厚及不同加工工艺,需要对线路进行一定预粗

喷锡和沉金板HOZ铜常规补偿0.025mm,1OZ铜厚常规补偿0.05-0.075mm,线宽/线距生产加工能力常规0.075/0.075mm。因此在设计时在考虑最线宽/线距布线时需要考虑生产时的补偿问题。镀金板由于蚀刻后不需要退除线路上面的镀金层,线条宽度没有减小,因此不需要补偿。但需注意由于侧蚀仍然存在,因此金层下面铜皮线宽会小于金层线宽,如果铜厚过厚或蚀刻过量极易造成金面塌陷,从而导致焊接不良的现象发生。对于有特性阻抗要求的线路,其线宽/线距要求会更加严格。

四、 阻焊制作比较麻烦的就是过电孔上的阻焊处理方式上面:

由于过电孔除了导电功能外,很多PCB设计工程师会将它设计成装配元件后的成品在线测试点,甚至极少数还设计成元件插件孔。常规过孔设计时为防止焊接时沾锡会设计成盖油,如果做测试点或插件孔则必须开窗。但喷锡板过孔盖油极易造成孔内藏锡珠,因此相当部分产品设计成过孔塞油,为便于封装BGA位置也是按塞油处理。但当孔径大于0.6mm时,会增加塞油难度(塞不饱满),因此也有将喷锡板设计成开比孔径大单边0.065mm的半开窗形式,孔壁及孔边0.065mm范围内喷上锡。

五、 字符处理时主要考虑字符上焊盘及相关标记的添加。

由于元件布局越来越密,并且要考虑字符印刷时不可上焊盘,至少保证字符到焊盘在0.15mm以上距离,元件框和元件符号有时根本无法完整分布在线路板上,好在现在贴片大部分由机器完整,因此设计时如果实在无法调整,可以考虑只印字符框,不www.pcblover.com印元件符号。标记添加的内容常见有,供应商标识、UL论证标识、阻燃等级、防静电标志、生产周期,客户指定标识等等。必须弄清楚各标识的含意,最好留出并指定加放位置。

六、 PCB的表面涂(镀)层对设计的影响:

目前应用比较广泛的常规表面处理方式有 OSP 镀金 沉金 喷锡我们可以从成本、可焊性,耐磨性、耐氧化性和生产制作工艺不同,钻孔及线路修改等几个方面比较各自优缺点。OSP工艺:成本低,导电性和平整性较好,但耐氧化性差,不利于保存。钻孔补偿常规按0.1mm制作,HOZ铜厚线宽补偿0.025mm。考虑到极易氧化和沾染灰尘,OSP工序加工放在成形清洗以后完成,当单片尺寸小于80MM时须考虑拼连片形式交货。电镀镍金工艺:耐氧化性、耐磨性好,用于插头或接触点时,金层厚度大于或等于1.3um,用于焊接的金层厚度常规在0.05-0.1um,但相对可焊性较差。钻孔补偿按0.1mm制作,线宽不做补偿,注意铜厚1OZ以上制作金板时,表面金层下的铜层极易造成蚀刻过度而塌陷造成可焊性的问题。镀金因需要电流辅助,镀金工序设计在蚀刻前,完整表面处理的同时也起到蚀阻的作用,蚀刻后减少了退除蚀阻的流程,这也是线宽不做补偿的原因。化学镀镍金(沉金)工艺:耐氧化性、可悍性好,镀层平整广泛用于SMT板,钻孔补偿按0.15mm制作,HOZ铜厚线宽补偿0.025mm,因为沉金工序设计在阻焊以后,蚀刻前需要使用蚀阻保护,蚀刻后需要退除蚀阻,因此线宽补偿比镀金板多,于是在阻焊后沉金,大部分线路有阻焊覆盖不需要沉金,相对于大面积铜皮的板,沉金板消耗的金盐量要明显低于镀金板。喷锡板(63锡/37铅)工艺:耐氧化性、可悍性相对最好,平整度较差,钻孔补偿按0.15mm制作,HOZ铜厚线宽补偿0.025mm,工序与沉金基本一致,目前为最常见的一种表面处理方式。由于欧盟提出ROHS指令,拒绝使用含有铅、汞、镉、六价铬、多溴二苯醚(PBDE)和多溴联苯(PBB)六种有害物质,表面处理推出了喷纯锡(锡铜镍>)、喷纯锡(锡银铜)、沉银和沉锡等新工艺来替代喷铅锡工艺。

七. 拼板,外形制作也是设计时考虑很难全面的问题:

拼板首先要考虑便于加工,电铣外形时间距要按一个铣刀直径(常规为1.6 1.2 1.0 0.8)来拼板,冲板外形时注意孔、线到板边的距离是否大于一个板厚,最小冲槽尺寸要大于0.8mm 。如果采用V-CUT连结时,靠板边线路和铜皮必须保证距V-CUT中心0.3mm。其次要考虑大料利用率的问题,由于大料购买的规格比较固定,常用板料规格有930X1245,1040X1245 1090X1245等几种规格,如果交货单元拼板不合理,极易造成板料的浪费。

 
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