PCB知识与可制造性设计

PCB知识与可制造性设计主编：陈宏凡1 前言本课程是讲述现代PCB制作工艺简介，规格参数对产品，加工要求及成本的影响，如何综合合理利用这些参数达到我们的设计目标。

使学员了解PCB设计的重要参数及部分设计技巧，引导学员开拓思维，用设计的方法为产品的可靠高效生产服务。

2 目录3.1、PCB名词解释。

3.2、PCB相关概念及生产流程简介。

3.3、PCB的相关参数与讲解。

3.4、PCB生产过程的限制条件和关键管控点。

3.5、贴片，波峰焊，装配对PCB的要求和限制条件。

3.6、PCB可制造性设计之：拼板。

3.7、PCB可制造性设计之：焊盘设计。

3.8、PCB可制造性设计之：绿油防焊。

3.9、PCB可制造性设计之：白油丝印。

3.10、PCB可制造性设计之：过孔。

3.11、PCB可制造性设计之：光学点。

3.12、PCB可制造性设计之：零件选用。

3.13、PCB可制造性设计之：置件布线。

3.14、PCB可制造性设计之：其他技巧与产品优化设计。

3.15、总结3 正文3.1、PCB名词解释。

PCB：印制电路板：printed circuit board (pcb)（亚洲，美洲叫法）PWB：印制线路板：printed wiring board(pwb)（欧洲叫法）。

PCB和PWB都是同一个东西，只是全球各区域的叫法不一样。

在BYD，印制电路板我们还是叫做PCB。

3.2、PCB相关概念及生产流程简介。

3.2.1 PCB的部分概念。

FR-4：玻璃纤维板材的统称。

FR-4里面因为纤维及胶的含量不一致及厚度，厂商不同可以细分出超过1000种板材。

这些板材的特性不一，需要了解其特性，衡量自己本省的实际需求后进行合理选择。

铜箔：附着在FR-4板材上面的金属铜层被叫做铜箔。

铜箔厚度使用“盎司/OZ”作为单位。

其概念为“1OZ=28.35克/平方英尺=35微米=1.35mil”。

表面工艺：PCB表面外露铜箔使用的处理工艺方式。

常见表面工艺有无铅喷锡，有铅喷锡，电金，化金，化银，化锡，OSP。

光学点：用于设备进行机械识别的规格焊盘被叫做光学点。

通常有坐标定位光学点和坏板识别光学点。

孔：有贯孔，盲孔，埋孔的区分，也有PTH和NPTH的区分。

焊盘：裸露的铜箔经过表面工艺处理后就形成了一个焊盘，通常用PAD表示。

焊盘是连接零件引脚与线路的“界面”。

必须规整。

走线：英文名词是“”。

走线的宽度与间距是衡量PCB生产难度的重要参数。

通常考查一个PCB供应商的制程能力达到什么程度只需要一个问题就能有比较直观地了解“贵司量产的线宽线距能做到什么程度？”油墨防焊/防焊油墨：solder mask。

在PCB线路板裸露的铜箔上面覆盖的油墨，达到阻焊的目的，从而区分焊盘和走线。

油墨的颜色有：绿色，黑色，蓝色，红色，棕色等。

从制程的角度，因为绿色能透过最多的红外光波（提升幅度约在1%左右，即回流焊中透热最好）而被大量选择。

所以很多人也把这一层叫做“绿油防焊”。

油墨通常有热固化和UV固化。

热固化最小能做到4mil±4mil精度，UV油墨则可以做到3mil±3mil。

白油丝印：在防焊油墨上面再印一层用以目视标识零件位置、方向、零件外围等作用的油墨被叫做白油丝印。

TG：玻璃态转化温度。

3.2.2 PCB生产流程简介3.3、PCB的相关参数与讲解。

3.3.1确认板内最小的线宽线距。

通常用4/5/4表示（两根4mil的走线之间间距5mil的距离）。

线宽线距决定了PCB的复杂程度，采购应该选择什么等级的供应商，PCB供应商宣称的制程能力可能只是试产的而不是量产的。

我们汽车电子产品要求高可靠性，必须慎重选择。

如果电子产品通过高频信号，则必须控制走线的阻抗，这个线宽线距是控制阻抗的重要手段。

目前80%的供应商能做到4/4/4的产品，09年珠三角能做到3/3/3的供应商不会超过15家，比例约为10%。

3.3.2 确认PCB层数，即PCB空间结构内有多少层铜箔。

我们作为用户只需要关心成品的层数，但如果我们对PCB的空间结构有尺寸要求，则供应商在实际生产时有可能会采用完全腐蚀某层铜箔的方式达到要求。

所以，PCB不是没有单数层，但是，这会带来成本的浪费。

3.3.3防焊油墨的颜色及最小宽度和空间，白油丝印的颜色和最小宽度。

油墨是隔离焊盘（熔锡连锡）的主要手段。

所以通常两个焊盘之间的距离超过12mil时，都要设计绿油桥，以降低连锡的发生几率。

白油丝印是生产过程中作业员目视识别的重要依据，故白油丝印一定要清晰明确。

通常白油丝印需要12~15mil的空间才能放置。

3.3.4 连板方式，成品板厚，纵横比，板弯允收程度，成品最小孔径，连板方式目前只有V-CUT 和邮票孔。

V-CUT有30°和45°，60°的区分。

目前PCB供应商如果没有说明都会使用30°。

30°适用于机器分板，比较容易限位，V-CUT连板只能做到一条直线，从工艺角度而言，V-CUT不能被零件本体（主要是连接器）遮蔽，否则只能先分板再进行其他工序加工。

60°则通常用于手工分板，毛刺相对来说要比30°要少。

45°目前基本无人使用。

V-CUT两个凹槽之间残留的厚度是分厂加工的一个重要管控点，需要综合评估成品板厚（PCB供应商出厂时的总体厚度，通常公差能控制在±0.1mm），成品上其他零部件的重量及空间排布（PCB在再流焊的时候，V-CUT位置的板材会受热而进入玻璃态，非常容易变形，如果是双面贴片，连锡的发生几率将在拼板中间部位急剧上升）。

注意连板方式和拼板方式是两个不同的概念。

拼板方式是为解决工艺问题而产生的。

主要的拼板方式有阴阳板，鸳鸯板等，好的拼板方式不但能够解决不少工艺问题，还能降低采购成本。

成品板厚除以成品的最小孔径被PCB供应商叫做纵横比。

（PCB加工过程中的孔径要大于成品孔径，主要是在二次铜的时候加厚了孔壁的铜厚，从而缩小了成品孔径，受金属特性的限制，目前PCB加工行业最小的机械钻孔孔径只有0.2mm的钻头，这样的裸孔孔径大约在10mil左右。

小于10mil的孔径只能使用激光钻孔了。

激光钻孔通常用于盲孔与埋孔。

）通常供应商能够做到8：1的纵横比。

大于此比例PCB的采购成本会急剧上升。

当我们碰到层数大于8层，又有BGA时就要注意这个纵横比了。

目前据我的统计，BYD的平均纵横比都落在2~5：1的范围内，主要是我们的过孔孔径较大。

板弯是以大理石平台为基准，PCB翘起的最高高度除以PCB的对角线长度的比例，IPC标准为0.7%，但是通常PCB供应商能够控制在0.5%。

板弯越小越有利于产品的加工品质控制。

3.3.5基板材质及TG温度。

我们常说的FR-4只是基板材质里面的一种材质的统称。

如前面介绍的，FR-4根据纤维与胶的比例及玻璃态转换温度和厚度的不同可以细分到接近1000个型号。

通常纤维含量多则PCB强度大，胶含量多则PCB的粘合程度好，TG值越大，可靠性越好，板弯变形越小，但价格也越高，如果我们只是备注使用FR-4板材，则供应商都会选择最便宜的TG135给我们制作，目前常见的TG值有TG135, TG150，TG170。

我们常见的基板材质除了FR-4以外还有FR-1，CEM-3，铝基板，陶瓷基板等。

其中FR-1&CEM-3都是基于纸基的板材，比较脆弱，常用于低端消费电子如鼠标，充电器等。

铝基板由于非常有利于散热通常用于大功率电子器件，目前BYD的F3DM上有在使用。

陶瓷基板则通常用于高可靠性的航空航天电子或军工产品。

3.3.6表面工艺（Surface Finishing）。

PCB表面裸露焊盘的最终防氧化处理工艺我们通常叫做PCB 的表面工艺。

目前常见的表面工艺有：OSP( O rganic S olderability P reservative, 有机溶剂脱脂，即使用化学的方法在焊盘表面形成有机洛河保护层)，有铅喷锡，无铅喷锡（HASL (H ot A ir S older L evel)，喷锡工艺也叫热风整平），化锡，化银（对硫非常敏感，人员的汗渍，防静电手套的脏污都会造成焊盘的氧化），化金，电金（ENIG (E lectroless N ickel/I mmersion G old)，因为金不能和铜融接，所以需要在铜和金层之间增加一层镍作为粘合剂，如果镍/金厚度&比例控制不当，则会对产品品质致命的“黑垫/BLACK3.3.7阻抗控制需求。

阻抗控制里面还会再细分特性阻抗和差分阻抗。

可以这么理解特性阻抗：你手中有固定的水压（电压），要在5秒钟内往5米外的口径为50CM的水桶浇注50L的水。

此时，必须通过定义水管（走线）的长度，孔径（线宽）才能达成此目标。

所以阻抗通常会使用“5/7/5mil，100欧姆，±10%”对特性阻抗进行定义。

差分阻抗则是空间结构内信号线之间的阻抗定义。

（希望能由研发单位进行补充或取消此小段）3.4、PCB生产过程的限制条件和关键管控点。

3.4.1 PCB生产过程中主要是受钻孔孔径，曝光显影导致的线宽线距，CNC成型铣刀尺寸限制，油墨丝印位置的偏移量控制这几个限制。

换句话说：PCB生产过程受限制的有：走线的线宽线距，钻孔，镀层厚度，尺寸公差控制等。

3.4.2 故我们考察PCB供应商的制程管控时可以重点考察如下项目：3.4.2.1 干膜，PP材质，油墨的温湿度管控；3.4.2.2 用钻头的研磨管理评估成品孔的质量。

通常0.2mm的钻头是2磨3费/1800钻。

钻头越大，条件越宽。

即0.4mm的钻头可以是3磨4废/2000钻。

3.4.2.3 用菲林的使用寿命，曝光能量的等级控制，影印车间的无尘等级参数进行评估线宽线距的控制能力。

3.4.2.4 用化学实验室的各工序溶液离子浓度检测及SPC统计分析评估PCB的品质控制。

因为溶液的离子浓度直接影响PCB成品的铜厚（过孔孔壁的铜厚）。

PCB生产过程中使用大量的溶液都可以直接影响PCB成品的品质，从而直接影响我们产品可靠性。

3.5、贴片，波峰焊，装配对PCB的要求和限制条件。

3.5.1 贴片对PCB layout的要求和限制条件。

3.5.1.1 必须最少有2个非对称排布的光学点，并且光学的中心必须确保距离PCB边缘超过5mm。

3.5.1.2 PCB的尺寸应该落在（80~450）*（50~350）mm范围以内。

按十五部各分厂的综合条件，最优化的尺寸为250*190mm。

（长度受开关厂NXT贴片模组限制，宽度受波峰焊轨道的205mm 限制。

注意，这个尺寸不是绝对的，但是这个尺寸是最适合我们工厂生产的。

）3.5.1.3 单面贴片时，贴片零件的焊盘应该距离板边超过4mm；双面贴片时，贴片零件应该距离板边超过6mm，并且高度不能大于4mm，零件自重应该小于焊盘的熔锡表面张力（计算公式需要试验进行研究，但是目前所知通常是大电流电感，铝电解电容，滤波器等零件不能排布在焊接面（BOT 面）。