PCB设计时应考虑的问题分析

PCB

　　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，深圳捷多邦科技有限公司的工程师做出以下几点分析，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±0.18 3.0±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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