PCB设计中应考虑哪些可制造性问题

1. PCB设计前言

随着通信电子产品市场竞争的日益加剧，产品的生命周期不断缩短。原有产品的升级换代和新产品的发布速度对于企业的生存和发展发挥着越来越关键的作用。在制造环节，如何以更少的生产前置时间获得具有更高可制造性和制造质量的新产品，越来越成为有识之士所追求的竞争力。

在电子产品的制造中，随着产品的小型化、复杂化，电路板的组装密度也越来越高。因此，已经广泛应用的新一代SMT组装工艺要求设计者从一开始就考虑可制造性。一旦因设计考虑不周而造成可制造性差，势必要修改设计，势必会延长产品导入时间，增加导入成本。即使PCB布局稍有改变，重新制作印制板和SMT锡膏印刷丝网板的成本也高达数千甚至数万元，模拟电路甚至需要重新调试。进口时间的拖延可能会导致企业错失市场先机，在战略上处于非常不利的地位。但如果产品未经改造就制造出来，必然会出现制造缺陷或增加制造成本，成本会更高。因此，企业在设计新产品时，越早考虑设计的可制造性，越有利于新产品的有效推出。

2、PCB设计需要考虑的内容

PCB设计的可制造性分为两类，一是生产印制电路板的加工技术；第二是指元件的电路和结构以及印刷电路板的安装工艺。对于生产印制电路板的加工工艺，一般的PCB厂家，由于自身制造能力的影响，都会给设计者提供非常详细的要求，在实践中是比较好的。但据笔者了解，在实践中真正没有受到足够重视的，是第二种，即电子装配的可制造性设计。本文的重点还在于描述设计人员在PCB设计阶段必须考虑的可制造性问题。

电子组装的可制造性设计要求PCB设计人员在PCB设计之初就考虑以下因素:

2.1 PCB设计中适当选择装配方式和元件布局

装配模式和元件布局的选择是PCB可制造性的一个非常重要的方面，对装配效率、成本和产品质量有很大影响。事实上，笔者接触过相当多的PCB，对于一些非常基础的原理还是缺乏考虑。

(1)选择合适的装配方法

一般来说，根据PCB的不同装配密度，推荐以下装配方法:

作为一名电路设计工程师，我应该对PCB组装流程有一个正确的理解，这样我就可以避免犯一些原则上的错误。选择组装模式时，除了考虑PCB的组装密度和布线难度外，还需要考虑该组装模式的典型工艺流程以及企业自身的工艺装备水平。如果企业没有好的波峰焊工艺，那么选择上表中的第五种装配方式可能会给你带来很多麻烦。还值得注意的是，如果焊接表面计划进行波峰焊接工艺，则应避免在焊接表面放置一些SMDS而使工艺复杂化。

(2) 元件布局

PCB元件布局对生产效率和成本有着非常重要的影响，是衡量PCB设计可连接性的重要指标。一般来说，元件排列尽可能均匀、规则、整齐，排列方向和极性分布相同。规则排列方便检查有利于提高贴片/插件速度，均匀分布有利于散热和优化焊接工艺。另一方面，为了简化工艺，PCB设计者应该始终意识到PCB的任一侧只能使用回流焊和波峰焊的一组焊接工艺。这在装配密度方面尤其值得注意，PCB焊接面必须分布有更多的贴片元件。设计者应考虑对焊接表面上安装的部件采用哪组焊接工艺。优选地，可以采用贴片固化后的波峰焊接工艺，同时将穿孔器件的引脚焊接在元件表面上。但波峰焊贴片元件有比较严格的限制，只能0603及以上尺寸贴片电阻、SOT、SOIC（引脚间距≥1mm且高度小于2.0mm）焊接。对于分布在焊接面上的元件，波峰焊时引脚方向应与PCB的传输方向垂直，以保证元件两侧的焊接端或引线同时浸入焊接。相邻元件的排列顺序和间距也应满足波峰焊的要求，以避免“屏蔽效应”，如图1所示。 1.使用波峰焊SOIC等多引脚元件时，应在锡流方向处设置两个（每侧1个）焊脚，防止连续焊接。

相似类型的元件应在板上按同一方向排列，以便于元件的安装、检查和焊接。例如，使所有径向电容器的负极端子面向板的右侧、使所有 DIP 凹口面向同一方向等，可以加快仪器检测速度并更容易发现错误。如图2所示，由于A板采用这种方法，很容易找到反向电容，而B板则需要更多时间才能找到它。事实上，公司可以标准化其制造的所有电路板组件的方向。某些电路板布局可能不一定允许这样做，但这应该是一种努力。

PCB设计时应考虑哪些可制造性问题

此外，类似的组件类型应尽可能接地在一起，所有组件脚的方向相同，如图 3 所示。

但笔者确实遇到过相当多的PCBS，其组装密度过高，PCB的焊接面也必须分布钽电容、贴片电感等高元件，以及薄间距的SOIC、TSOP。这种情况下只能采用双面印刷锡膏贴片进行回流焊，并且插件元件在元件分布上尽量集中，以适应手工焊接。另一种可能是元件面上的穿孔元件应尽可能分布在几条主直线上，以适应选择性波峰焊工艺，这样可以避免手工焊接并提高效率，并保证焊接质量。离散焊点分布是选择性波峰焊的一大禁忌，这会成倍增加加工时间。

在调整印制板文件中元件的位置时，需要注意元件与丝印符号的一一对应关系。如果移动元件时没有相应移动元件旁边的丝印符号，就会成为制造中的一大质量隐患，因为在实际生产中，丝印符号是可以指导生产的行业语言。

2.2 PCB上必须设有自动化生产所必需的夹边、定位标记和工艺定位孔。

目前电子贴装是自动化程度较高的行业之一，生产中使用的自动化设备要求自动传送PCB，使得PCB的传送方向（一般为长边方向），上下各有不小于3-5mm宽的夹持边缘，以利于自动传送，避免靠近板边时因夹持而无法自动贴装。

定位标记的作用是PCB需要为光学识别系统提供至少两个或三个定位标记，以准确定位PCB，并为广泛使用光学定位的组装设备纠正PCB加工误差。常用的定位标记中，有两个必须分布在PCB的对角线上。定位标记的选择一般采用实心圆垫等标准图形。为了便于识别，标记周围应有没有其他电路特征或标记的空白区域，其尺寸不应小于标记的直径（如图4所示），且标记与板边缘的距离应大于5mm。

PCB本身的制造过程中，以及半自动插件的组装过程、ICT测试等过程中，PCB需要在边角处提供两到三个定位孔。

2.3合理使用板材，提高生产效率和灵活性

在组装小尺寸或不规则形状的PCB时，会受到很多限制，因此一般采用将几块小PCB组装成适当尺寸的PCB，如图5所示。一般单面尺寸小于150mm的PCB可以考虑采用拼接方式。通过两片、三片、四片等，可以将尺寸较大的PCB拼接到合适的加工范围。一般来说，宽度为150mm~250mm、长度为250mm~350mm的PCB是自动组装中比较合适的尺寸。

另一种制板方式是将正反两面贴有SMD的PCB排列成一块大板，这样的板俗称阴阳，一般是出于节省屏板成本的考虑，也就是说，通过这样的板子，原本需要两侧的屏板，现在只需要开一块屏板即可。另外，技术人员在准备SMT机运行程序时，阴阳PCB编程效率也更高。

分板时，子板之间的连接可以采用双面V型槽、长槽孔和圆孔等，但设计时必须考虑尽可能使分离线成一直线，以方便分板，同时还要考虑分离面不能太靠近PCB线路，以免分板时容易损坏PCB。

还有一种很经济的板子并不是指PCB板，而是指网格图形板的网格。随着自动锡膏印刷机的应用，目前较先进的印刷机（如DEK265）已允许790×790mm的钢网尺寸，设置多面PCB网状图案，可实现一张钢网用于多个产品的印刷，是一种非常节省成本的做法，特别适合小批量、多品种厂家的产品特点。

2.4 可测试性设计的考虑

SMT的可测试性设计主要是针对当前ICT设备情况。电路和表面贴装 PCB SMB 设计中考虑了后期制造的测试问题。为了提高可测试性设计，应考虑工艺设计和电气设计两个要求。

2.4.1工艺设计要求

定位精度、基板制造工艺、基板尺寸和探针类型都是影响探针可靠性的因素。

(1)定位孔。基板上的定位孔误差应在±0.05mm以内。至少设置两个尽可能远的定位孔。采用非金属定位孔来减小焊料涂层的厚度不能满足公差要求。如果基板是整体制造出来的，然后单独进行测试，则定位孔必须位于主板和每个单独的基板上。

(2)测试点直径不小于0.4mm，相邻测试点间距大于2.54mm，不小于1.27mm。

(3) 测试面上不应放置高度高于*mm的元件，否则会导致在线测试治具的探针与测试点接触不良。

(4) 将测试点放置在距离元件1.0mm处，避免探头与元件碰撞损坏。定位孔环3.2mm范围内不应有元件或测试点。

(5)测试点不得设置在PCB边缘5mm以内，用于保证夹紧夹具。传送带生产设备和SMT设备通常需要相同的工艺边缘。

（6）所有检测点均应镀锡或选用质地柔软、易穿透、不氧化的金属导电材料，以保证接触可靠，延长探头使用寿命。

(7)测试点不能被阻焊剂或文字油墨覆盖，否则会减少测试点的接触面积，降低测试的可靠性。

2.4.2 电气设计要求

(1)元件表面的SMC/SMD测试点应尽量通过孔引至焊接面，孔径应大于1mm。这样就可以使用单面针床进行在线测试，从而降低在线测试的成本。

（2）每个电气节点必须有一个测试点，每个IC必须有一个POWER和GROUND的测试点，并且尽可能靠近该元件，距离IC 2.54mm范围内。

(3) 当测试点设置在电路走线上时，其宽度可以扩大到40mil宽。

(4) 将测试点均匀分布在印制板上。如果探头集中在某个区域，较高的压力会使被测板或针床变形，进一步阻止部分探头到达测试点。

(5)电路板上的电源线应分区设置测试断点，以便当电路板上的电源去耦电容或其他元件出现对电源短路时，能更快、更准确地找到故障点。设计断点时，应考虑恢复试验断点后的承载能力。

图 6 显示了测试点设计的示例。通过延长线将测试焊盘设置在元件引线附近或使用穿孔焊盘来使用测试节点。严禁将测试节点选在元件的焊点上。这种测试可以使虚焊接头在探头的压力下挤压到理想位置，从而掩盖虚焊故障，产生所谓的“故障掩蔽效应”。由于定位误差造成探针的偏压，探针可能直接作用于元件的端点或引脚，从而可能导致元件损坏。

PCB设计时应考虑哪些可制造性问题？

3. PCB 设计结束语

以上是PCB设计中应考虑的一些主要原则。在面向电子组装的PCB制造设计中，有相当多的细节，如与结构件的配合空间的合理布置、丝印图文的合理分布、重型或大型加热器件位置的适当分布等。 PCB设计者在PCB设计中不仅要考虑如何获得良好的电气性能和美观的布局，而且同样重要的一点就是PCB设计的可制造性，以达到高质量、高效率、低成本。