自动化组装的PCB可制造性设计要求

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  摘要:PCB的可制造性设计主要解决电路板设计和工艺制造之间的接口问题,本文从PCB的组装、元器件的选用、PCB板面布局、元器件相互间距、可测试性设计等方面分析,提出诸多可制造性设计要求。
  关键词:可制造性 PCB 表面组装 封装
  1 前言
  目前在武器装备制造领域,随着电子产品的微型化﹑复杂化的发展,电路板的组装密度越来越高,表面贴装技术(SMT)的应用越来越广。面向自动化组装的工艺,如回流焊接工艺、波峰焊接工艺、微组装工艺等已成为现代电子组装的主流组装技术。这就要求设计者在设计之初就必须考虑到可制造性。如果在设计之初考虑不周导致可制造性差,那么生产装配过程中就必须要修改设计和图样,这样以来必然会延长产品的生产交周期和增加生产成本,同时延误了产品交付周期,可能使企业在市场上错失良机,在战略上处于非常不利的位置。
  因此,对武器装备生产单位来说,产品的可制造性设计是其在进行新产品设计时必须考虑的因素,越早考虑产品的可制造性设计问题,就越有利于其产品的开发和质量的控制。
  2 PCB组装方式和可制造性设计的主要内容
  2.1 PCB组装方式
  电路板在设计前首先要考虑的问题是:要采用什么样的焊接方式完成电路板装联,电路板组装方式直接影响到其装配效率、成本和质量。常见组装方式有单面全SMD、双面全SMD、单面混合组装、T面混装B面贴简单SMD、T面插装B面贴简单SMD等方式。
  2.2 PCB可制造性设计的主要内容
  PCB可制造性设计的主要内容涵盖PCB制作、PCB组装及电路板测试等三个主要部分。PCB制作是指生产印制板的加工工艺性。PCB组装是指电路及结构上的元器件和PCB组装的工艺性,它还包括PCB与系统的组装。电路板测试,包含通断测试及功能测试。
  3 PCB可制造性设计分析
  3.1 元器件的选择
  元器件的选择包括下述三个方面:元器件和封装类型的选择,元器件管脚有铅、无铅的选择,元器件的封装尺寸和包装形式的选择。
  3.2 元器件的布局
  元器件是组成电路板的基本单元,任意一个元器件的选择都影响着整个电路板组装过程。PCB设计中元器件布局对生产效率和加工成本有相当大的影响,是PCB装配中的重要指标,优秀的PCB设计可以将装配缺陷降到最低。
  3.2.1 电路设计对元器件布局的要求
  电路设计中元器件布局主要应遵循如下原则:
  a) 按区域高、中、低频分开,PCB上高频部分应靠近连接器处设计。
  b) 按电路的流程把整个电路分为几个单元电路或模块,并以每个单元电路的核心元器件(如集成电路)为中心,其它的元器件要按一定的顺序均匀、整齐紧凑地排列在PCB板上。
  c) 高低压之间隔离布线,间距控制在3.5mm以上。
  d) 当电路板对外连接确定后,相关电路部分就近安放,避免绕弯。
  3.2.2 焊接工艺对元器件布局的要求
  元器件的布局既要满足电气性能和机械结构的要求,同时又要根据焊接工艺的特点进行设计。不同的焊接工艺(如回流焊和波峰焊)对元器件的布局要求也是不一样的。
  a) 元器件要尽可能均匀。布局均匀有利于重心平衡,焊接时不会引起因重力集中而导致PCB变形,也会使电路板的抗振性能良好。
  b) 同类元器件尽可能有规则地、整齐地排列,并遵循相同方向、极性规范排列。
  c) 所有元器件的印刷丝印要方位相同,排列要有一定的规律。
  d) 大型芯片的四周要留有一定的维修空间,在用设备返修时或手工焊接时均需要给工具让出位置。
  e) 发热元器件应尽量远离其它元器件,与PCB要保持一定的间距,最小距离2mm[1]。
  3.2.3 元器件相互间距设计
  元器件相互间距的设计,除保证焊盘间不易短路的安全间距外,还应考虑易损元器件的可维护、维修性。元器件间距相关的因素有很多如:元器件外形尺寸的公差,元器件释放热量需要;贴片机自身的精度和定位精度;布线设计所需器件空间;焊接工艺性和焊点的可测试性;自动插件机、测试夹具所需间隙;返修所需要的周边距离等等[2]。
  3.3 可测试性设计
  任何一种电子产品在单板调试、整机装调及返修前后都需要进行电性能的测试,因此,在PCB上必须设置若干的测试点,这些测试点即可以是通孔也可以是焊盘。在PCB上设置测试点的设计就是可测试性设计,其目的就是提高产品质量,降低测试成本、难度和缩短产品制造周期。可测试性设计主要考虑工艺性和电气可测试性两方面的要求。
  工艺性要求:为满足自动测试要求,应考虑定位精度、基板制造程序、基板大小、探针的类型等影响因素。
  电气性能要求:
  a) 尽量将TOP面的测试点通过过孔引到焊接面;
  b) 每个电气接点都必须设置有一个测试点,每个IC必须有电源、地的测试点。
  c) 在电路的导线上设置测试点时,可将导线宽度放大到40mil。
  d) 测试点不能借助元器件的焊点,可将焊盘相应延长。
  e) 测试盘周围的间隙由装配工艺决定,最小间隙等于相邻元器件高度的80%,最小间隙为0.6mm。
  4 结束语
  上述是一些PCB设计阶段应该考虑的主要问题,在面向自动化组装的PCB可制造性设计中,还有相当多的细节要求,比如合理的印制板导线布线、合理地分布丝印的图形和文字、PCB基板材料尺寸的选择、无铅PCB材料选用及焊盘表面镀层选择、PCB电磁兼容性设计等,这些都是PCB在设计时所要考虑的问题。一个优秀的PCB设计者,不但要考虑如何获得良好的电气性能和美观的布局,还要考虑到如何能够符合自动化组装的PCB可制造性设计要求,这样才能使产品达到高效率、高质量、低成本的目标。
  5 参考文献
  [1]《航空用印制板元器件的安装焊接》,航空工业标准HB6167-89
  [2]《电子设备装配技术》,国防工业出版社.1990
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