2表面组装印刷板设计2.ppt
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1、SMT印制电路板的可制造性设计与制造,2,一 SMB特点二、基本材料三、质量参数四、SMB设计基础五、常见问题解决措施六、可制造性设计审核,3,SMT工艺与传统插装工艺有很大区别,对PCB设计有专门要求。除了满足电性能、机械结构、等常规要求外,还要满足SMT自动印刷、自动贴装、自动焊接、自动检测要求。特别要满足再流焊工艺的再流动和自定位效应的工艺特点要求。SMT具有全自动、高速度、高效益的特点,不同厂家的生产设备对PCB的形状、尺寸、夹持边、定位孔、基准标志图形的设置等有不同的规定。,SMB与传统 PCB的区别,基板材料选择 布线 元器件选择 焊盘 印制板电路设计测试点 SMB设计可制造(工艺
2、)性设计 导线、通孔 可靠性设计 焊盘与导线的连接 降低生产成本 阻焊 散热、电磁干扰等,印制电路板(以下简称PCB)设计是表面组装技术的重要组成之一。PCB设计质量是衡量表面组装技术水平的一个重要标志,是保证表面组装质量的首要条件之一。,SMB设计包含的内容:,可制造性设计DFM(Design For Manufacture)是保证PCB设计质量的最有效的方法。DFM就是从产品开发设计时起,就考虑到可制造性和可测试性,使设计和制造之间紧密联系,实现从设计到制造一次成功的目的。DFM具有缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点,是企业产品取得成功的途径。,不正确的设计不仅会导致组装质量下降,
3、还会造成贴装困难、频繁停机,影响自动化生产设备正常运行,影响贴装效率,增加返修率,直接影响产品质量、产量和加工成本,严重时还会造成印制电路板报废等质量事故。又由于PCB设计的质量问题在生产工艺中是很难甚至无法解决的,如果疏忽了对设计质量的控制,在批生产中将会带来很多麻烦,会造成元器件、材料、工时的浪费,甚至会造成重大损失。,HP公司DFM统计调查表明:产品总成本60%取决于产品的最初设计,75的制造成本取决于设计说明和设计规范,7080的生产缺陷是由于设计原因造成的。,金属基板在散热性、机械加工性、基板大型化、电磁屏蔽性方面表现优异。在高频性方面是差的。单独采用金属基板实现多层线路板的制作方面
4、也是差的。但目前利用金属基板做两层或多层板的底基材,在它的上面覆有环氧玻璃布半固化片制成两层板,甚至是多层板,也可达到很好的效果。这也是金属基板今后发展方向之一。,一 PCB材料金属基板、常规PCB(FR-4基)、陶瓷基板性能对比,9,二、PCB基材质量参数,1.玻璃化转变温度(Tg)玻璃化转变温度(Tg)是指PCB材质在一定温度条件下,基材结构发生变化的临界温度。在这个温度之下基材是硬而脆的,即类似玻璃的形态,通常称之为玻璃态;若在这个温度之上,材料会变软,呈橡胶样形态,称之为橡胶态或皮革态,这时它的机械强度将明显变低。这种决定材料性能的临界温度称为玻璃化转变温度(glass transti
5、on temperture,简称Tg)。玻璃化转变温度是聚合物特有的性能,除了陶瓷基板外,几乎所有的层压板都含有聚合物,它是选择基板的个关键参数。,a)应适当选择g较高的基材 Tg应高于电路工作温度环氧树脂的Tg在125140 左右,再流焊温度在220左 右,远远高于PCB基板的g,高温容易造成PCB的热变形,严重时会损坏元件。,2.热膨胀系数(CTE),热膨胀系数 指每单位温度变化所引发的材料尺寸的线性变化量 任何材料受热后都会膨胀,高分子材料的CTE通常高于无机材料,当膨胀应力超过材料承受限度时,会对材料产生损坏。用于SMB的多层板是由几片单层“半固化树脂片”热压制成的,冷却后再在需要的位
6、置上钻孔并进行电镀处理,最后生成电镀通孔金属化孔,金属化孔制成后,也就实现了SMB层与层之间的互连。,图3-5 热应力对金属化孔壁的作用 a)多层板室温下无应力,金属化孔完好 b)高温下热应力作用在金属化孔上,对于多层板结构的SMB来说,其长、宽方向的CTE与厚度方向的CTE存在差异性。因此当多层板焊接受热时,层压材料、玻璃纤维和铜层之间在厚度方向的热膨胀系数不一致,其热应力就会作用在金属化孔的孔壁上,从而引发金属化孔中的铜层开裂,发生故障,,克服或消除金属化孔中的铜层开裂的措施:,在SMB制造工艺上,采用盲孔和埋孔技术,以达到减小径深比的目的。盲孔是指表层和内部某些分层互连,无须贯穿整个基板
7、,减小了孔的深度;埋孔则仅是内部分层之间的互连,可使孔的深度进一步减小。尽管盲孔和埋孔在制作时难度大,但却大大提高了SMB的可靠性。,3.耐热性某些工艺过程中SMB需经两次再流焊,因而经过一次高温后,仍然要求保持板间的平整度,方能保证二次贴片的可靠性;而SMB焊盘越来越小,焊盘的粘结强度相对较小,若SMB使用的基材耐热性高,则焊盘的抗剥强度也较高,一般要求SMB能具有2500C50s的耐热性,5.平整度 SMB要求很高的平整度,以使SMD引脚与SMB焊盘密切配合。SMB焊盘表面涂覆层不仅使用SnPb合金热风整平工艺,而且大量采用镀金工艺或者预热助焊剂涂覆工艺。,17,5.元器件的选择,元器件的
8、选择应充分考虑到PCB实际面积的需要,尽可能选用常规元器件。不可盲目地追求小尺寸的元器件,以免增加成本,IC器件应注意引脚形状与脚间距,对小于0.5mm脚间距的QFP应慎重考虑,不如直接选用BGA封装的器件,此外对元器件的包装形式、端电极尺寸、可焊性、器件的可靠性、温度的承受能力(如能否适应无铅焊接的需要)都应考虑到。,18,a 元器件的外形适合自动化表面贴装,元件的上表面应易于使用真空吸嘴吸取,下表面具有使用胶粘剂的能力;b 尺寸、形状标准化、并具有良好的尺寸精度和互换性;c 包装形式适合贴装机自动贴装要求;d 具有一定的机械强度,能承受贴装机的贴装应力和基板的弯折应力;,元器件选用标准,1
9、9,e 元器件的焊端或引脚的可焊性要符合要求2355,20.2s 或2305,30.5s,焊端90%沾锡。f 符合再流焊和波峰焊的耐高温焊接要求;再流焊:2355,20.2s。波峰焊:2605,50.5s。g 可承受有机溶剂的洗涤;,20,选择元器件要根据具体产品电路要求以及PCB尺寸、组装密度、组装形式、产品的档次和投入的成本进行选择。,a)SMC的选择注意尺寸大小和尺寸精度,并考虑满足贴片机功能。钽和铝电解电容器主要用于电容量大的场合薄膜电容器用于耐热要求高的场合云母电容器用于Q值高的移动通信领域波峰焊工艺必须选择三层金属电极焊端结构片式元件,21,小外形封装晶体管:SOT23是最常用的三
10、极管封装,SOT143用于射频 SOP、SOJ:是DIP的缩小型,与DIP功能相似 QFP:占有面积大,引脚易变形,易失去共面性;引脚 的柔性又能帮助释放应力,改善焊点的可靠性。QFP引腿最小间距为0.3mm,目前 0.5mm间距已普遍应用,0.3mm、0.4mm的QFP逐渐被BGA替代。选择时注意贴片机精度是否 满足要求。,b)SMD的选择,22,PLCC:占有面积小,引脚不易变形,但检测不方便。LCCC:价格昂贵,主要用于高可靠性的军用组件中,而且必须考虑器件与电路板之间的CET问题 BGA、CSP:适用于I/O高的电路中。,23,c)片式机电元件:用于高密度、要求体积小、重量轻的电子产品
11、。对于重量和体积大的电子产品应选用有引脚的机电元件。d)THC(插装元器件)大功率器件、机电元件和特殊器件的片式化尚不成熟,还得采用插装元器件 从价格上考虑,选择THC比SMD较便宜。,、,选择基材应根据PCB的使用条件和机械、电气性能要求来选择;根据印制板结构确定基材的覆铜箔面数(单面、双面或多层板);根据印制板的尺寸、单位面积承载元器件质量,确定基材板的厚度。不同类型材料的成本相差很大,在选择PCB基材时应考虑到下列因素:电气性能的要求;Tg、CTE、平整度等因素以及孔金属化的能力;价格因素。,6.PCB基材的选用,25,9.PCB板做成圆弧角,直角的PCB板在传送时容易产生卡板,因此在设
12、计PCB板时,要对板框做圆弧角处理,根据PCB板尺寸的大小确定圆弧角的半径。拼板和加有辅助边的PCB板在辅助边上做圆弧角。,4.3选择元器件,4.4 SMT设备对PCB设计的要求,1.PCB外形、尺寸设计2PCB定位孔和夹持边的设置3.基准标志(Mark)设计4拼板设计5选择元器件封装及包装形式6.PCB设计的输出文件,1.PCB外形、尺寸设计,进行PCB设计时,首先要考虑PCB外形。PCB的外形尺寸过大时,印制线条长,阻抗增加,抗噪声能力下降,成本也增加;过小,则散热不好,且邻近线条易受干扰。同时PCB外形尺寸的准确性与规格直接影响到生产加工时的可制造性与经济性。PCB外形设计的主要内容包括
13、:(1)形状设计 a)印制板的外形应尽量简单,一般为矩形,长宽比为3:2或4:3,其尺寸应尽量靠标准系列的尺寸,以便简化加工工艺,降低加工成本。b)板面不要设计得过大,以免再流焊时引起变形。,PCB尺寸是由贴装范围决定的。PCB最大尺寸=贴装机最大贴装尺寸PCB最小尺寸=贴装机最小贴装尺寸在设计PCB时,一定考虑贴装机的最大、最小贴装尺寸。JUKI机:PCB允许长宽330250、410360-50 50 510360、510460-50 50 当PCB尺寸小于最小贴装尺寸时,必须采用拼板方式。,(2)PCB尺寸设计,a 一般贴装机允许的板厚:0.5-5mm。PCB厚度一般在0.5-2mm范围内
14、。b 只装配集成电路、小功率晶体管、电阻、电容等小功率元器件,在没有较强的负荷振动条件下,使用厚度为16mm、板的尺寸在500mm500mm之内;C 有负荷振动条件下,要根据振动条件采取缩小板的尺寸或加固和增加支撑点的办法,仍可使用1.6mm的板;d 板面较大或无法支撑时,应选择2-3mm厚的板。e 当PCB尺寸小于最小贴装尺寸时,必须采用拼板方式。,(3)PCB厚度设计,2.PCB定位孔和夹持边的设置,一般丝印机、贴装机的PCB定位有针定位、边定位两种定位方式。为保证贴装精度,自动印刷机和贴装机都配有PCB基准校正用的视觉定位系统。在导轨夹持边和定位孔附近不能布放元器件。,(a)针定位不能布
15、放元器件的区域(b)边定位不能布放元器件的区域。,安装孔,如果不是用于接地,安装孔内壁不允许有电镀层。,3.基准标志(Mark)设计,基准标志(Mark):是为了纠正PCB加工误差,用于光学定位的一组图形。基准标志的种类:分为PCB基准标志和局部基准标志。Mark形状:实心圆、三角形、菱形、方形、十字、空心圆等都可以,优选实心圆。,Mark尺寸:1.5mm2mm。最小0.5mm。最大不能超过5mm。Mark表面:裸铜、镀锡、镀金均可,但要求镀层均匀、不要过厚。Mark周围:考虑到阻焊材料颜色与环境反差,在Mark周围有12mm无阻焊区,特别注意不要把Mark设置在电源大面积地的网格上。(1)基
16、准标志图示(单位:mm)图中此区域内不能有任何图形和铜箔,(a)针定位时基准标志图形不能布放区域(b)边定位时,距板边4 mm内不能布放基准标志图形,(2)基准标志布放位置基准标志布放位置根据贴装机的PCB传输方式决定,直接采用导轨传输PCB时,在导轨夹持边和定位孔附近不能布放Mark,具体尺寸根据贴装机而异。,(3)PCB基准标志 PCB基准标志用于整个PCB光学定位的一组图形,(a)(b)(c)PCB基准标志位置示意图,38,(4)局部基准标志是用于引脚数量多,引脚间距小(中心距0.65 mm)的单个器件的一组光学定位图形。,局部基准标志位置示意图,4拼板设计 当PCB尺寸小于最小贴装尺寸
17、时,必须采用拼板方式。拼板可以提高生产效率,双面全表面贴装,并且不采用波峰焊工艺时,可采用双数拼板、正反面各半、两面图形完全相同的设计,这种设计可以采用同一块模板、节省编程、生产准备时间、提高生产效率和设备利用率。,a 拼板的尺寸不可太大,也不可太小,应以制造、装配、和测试过程中便以加工,不产生较大变形为宜。根据PCB厚度确定。(1mm厚度的PCB最大拼板尺寸200mm150mm)b 拼板的工艺夹持边(一般为10mm)。c MARK点加在每块小板的对角上,一般为二个(一点也可以)。d 定位孔加在工艺边上,其距离为各边5mm.。e 双面贴装如果不进行波峰焊时,可采用双数拼板正反各半。f 拼板中各
18、块PCB之间的互连有双面对刻V形槽和断签式两种方式。要求既有一定的机械强度,又便于贴装后的分离。,(1)拼板设计要求:,5选择元器件封装及包装形式,a 封装尺寸及包装形式要符合贴装机供料器的配置;b 大批量生产时,SMD器件的包装尽量选用编带形式。,SMC/SMD包装形式的选择也是影响自动贴装机生产效率一项关键因素。必须结合贴片机送料器的类型和数目进行最佳选择。编带除大尺寸的QFP、PLCC、LCCC、BGA外,其余元器件均可采用。已标准化。编带宽度有8、12、16、24、32、44、56mm。是应用最广、使用时间最长、适应性最强、贴装效率高的一种包装形式。,e)SMC/SMD包装选择,43,
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