PCB優化設計詳析(中)

目前SMT技術已經非常成熟，并在電子產品上廣泛應用，因此，電子產品設計師有必要了解SMT技術的常識和可制造性設計(DFM)的要求。采用SMT工藝的產品，在設計之初就應綜合考慮生產工藝流程、原材料的選擇、設備的要求、器件的布局、測試條件等要素，盡量縮短設計時間，保證設計到制造的一次性成功。

　　關鍵詞 SMT PCB DFM 優化設計

　　3.5 元器件布局設計

　　元器件的布局是按照原理圖的要求和元器件的封裝，將元器件整齊、美觀的排列在PCB上，滿足工藝性、檢測、維修等方面的要求，并符合電路功能和性能要求。進行元器件布局設計時要做到工藝流程最少，工藝性最佳。元器件布局設計的基本原則如下：
　　(1) 元器件的排布均勻，盡可能做到同類元器件按相同的方向排列，相同功能的模塊集中在一起布置；相同結構電路部分應盡可能采取對稱布局。
　　(2) 元器件布局遵照“先難后易，先大后小”的布置原則，即重要的單元電路、核心元器件應當優先布局，其他元器件圍繞它來進行布局。
　　(3) 有相互連線的元器件應靠近排列，以保證走線距離最短，有利于提高布線密度。
　　(4) 縮短高頻元器件之間的連線，減少它們的分布參數和相互間的電磁干擾。易受干擾的元器件應隔離或屏蔽。
　　(5) 對于熱敏感元器件(除溫度檢測元件)，布線時應遠離發熱量大的元器件。發熱元件一般應均勻分布，排布在通風、散熱良好的位置，以利于單板和整機的散熱。
　　(6) 強信號和弱信號、高電壓信號和弱電壓信號要完全分開；模擬信號和數字信號分開；高頻信號與低頻信號分開；高頻元器件的間隔要充分。
　　(7) 熱容量大的元器件排布不宜過于集中，以免局部溫度低造成焊接不良。
　　(8) 對于電位器、可調電感等可調元器件的布局應考慮整機的結構要求。若在機內調節，應放在PCB上方便于調節的地方；若在機外調節，其位置要與調節旋鈕在機箱面板上的位置相適應。
　　(9) 元器件的排列要便于調試和維修，QFP、BGA、PLCC等器件周圍要留有一定的維修空間。
　　(10) 高大、貴重元器件不要放在PCB邊緣或靠近插件、貼裝孔、槽、V-CUT等高應力集中區，減少開裂或裂紋。
　　(11) 要考慮插座、接頭等元器件之間是否干涉，與結構設計是否矛盾。
　　(12) 同類型的插裝元器件在X或Y方向上應朝一個方向放置。同類型的有極性插裝元器件盡量在X或Y方向上保持一致，便于生產和檢驗，同一塊板最多允許2個方向。
　　(13) 焊接面的貼裝元件采用波峰焊接生產工藝時，阻、容器件的長軸方向要與波峰焊傳輸方向垂直，阻排及SOP(腳間距≥1.27mm)元器件長軸方向與波峰焊傳輸方向平行，間距<1.27mm的SOP、PLCC、QFP等元器件避免用波峰焊焊接，BGA、CSP、QFN等元器件嚴禁采用波峰焊接。如下頁圖3.4a所示。
　　QFP器件應按照45度方向排布，并增加盜錫焊盤。SOP等器件也應該增加脫錫焊盤。如下頁圖3.4b示。較小元器件不應排在大元件后，以免較大元器件遮擋錫流與較小元器件焊盤接觸，造成漏焊。

　　(14) 回流焊接和波峰焊接工藝對元器件布局限制。不同的SMT組裝工藝，對元器件布局有不同的要求，例如0402封裝的元器件可以回流焊接但不適合波峰焊接。具體請參考下表3-5。

　　3.6 PCB布線設計

　　布線是按照原理圖和導線表布設PCB導線，布線的一般原則如下：
　　(1) 布線優先次序
　　密度優先原則：從PCB上連接關系最復雜的器件著手布線，從PCB上連線最密集的區域開始布線。
　　核心優先原則：例如DDR、RAM等核心部分應優先布線，類似信號傳輸線應提供專層、電源、地回路。其他次要信號要顧全整體，不可以和關鍵信號想抵觸。
　　關鍵信號線優先原則：電源、模擬小信號、高速信號、時鐘信號和同步信號等關鍵信號優先布線。
　　布線層數選擇原則：在滿足使用要求的前提下，選擇布線的順序優先為單層布線，其次為雙層布線，最后是多層布線。
　　(2) 盡量為時鐘信號、高頻信號、敏感信號等關鍵信號提供專門的布線層，并保證其最小的回路面積。應采取手工優先布線、屏蔽和加大安全間距等方法，保證信號質量。
　　(3) 電源層和地層之間的EMC環境較差，應避免布置對干擾敏感的信號。
　　(4) 有阻抗控制要求的網絡應布置在阻抗控制層上，相同阻抗的差分網絡應采用相同的線寬和線間距。對于時鐘線和高頻信號線要根據其特性阻抗要求考慮線寬，做到阻抗匹配。
　　(5) 輸入輸出端用的導線應盡量避免相鄰平行。最好加線間地線，以免發生反饋藕合。
　　(6) 數字地、模擬地要分開，對低頻電路，地應盡量采用單點并聯接地；高頻電路宜采用多點串聯接地。對于數字電路，地線應閉合成環路，以提高抗噪聲能力。
　　(7) 印制導線拐彎處一般取圓弧形，而直角或夾角在高頻電路中會影響電氣性能。
　　(8) 走線拐彎處一般取圓弧形，避免直角或夾角，否則在高頻電路中會影響電氣性能。如圖3.6所示。

　　(9) 導線的最小寬度主要由導線與絕緣基板間的粘附強度和流過它們的電流值決定。導線的最小間距主要由最壞情況下的線間絕緣電阻和擊穿電壓決定。
　　(10) 雙面板上的公共電源線和地線盡量放置在靠近板的邊緣，并且分布在板的兩面。多層板可在內層設置電源層和地線層，通過金屬化孔與各層的電源線和地線連接。
　　(11) 焊盤與較大面積的導電區相連時，應采用長度不小于0.5mm的細導線進行熱隔離，細導線寬度不小于0.13mm。
　　(12) 相鄰層信號線為正交方向，以減少耦合，切忌相鄰層走線對齊或平行。

3.7 PCB的孔設計

　　PCB上常見的孔有安裝孔、定位孔、元件孔、導通孔、盲孔和埋孔、測試孔等。
　　(1) 安裝孔(Mounting Hole)
　　安裝孔用于裝配器件，或固定印制板，安裝孔應與安裝器件的位置尺寸和公差相匹配。
　　(2) 定位孔(Tooling Hole)
　　定位孔是放置在板邊緣上的用于電路板生產和裝配的非金屬化孔。具體見3.3條。
　　(3) 元件孔(Component Hole)
　　元件孔是用于元件端子固定于印制板及導電圖形電氣聯接的孔。元件孔的孔徑應比所安裝的元器件引線直徑大0.2~0.3mm。
　　(4) 導通孔(Via Hole)
　　導通孔又稱過孔，一種用于內層連接的金屬化孔，但其中并不用于插入元件引線或其它增強材料。孔徑大小和空位可根據布線空間大小調整，一般孔徑取Φ0.3~Φ0.8mm，金屬化孔的電阻值不超過300μΩ。PCB板厚決定了該板的最小過孔，板厚孔徑比應小于5~8，如下表3-7所示。

　　在布線空間允許的條件下，導通孔一般不放在元器件的下面，以便于檢查和維修。導通孔與SMD的焊盤最小距離為0.5mm，如果過孔塞綠油，最小距離為0.25mm。如圖3.7所示。

　　(5) 盲孔(Blind via)和埋孔(Buried via)
　　盲孔是連接表層和內層而不貫穿的過孔，埋孔是連接內層而表層看不到的過孔。應用盲孔和埋孔設計時應對PCB加工流程有充分的認識，避免給PCB加工帶來不必要的問題，必要時要與PCB供應商協商。
　　(6) 測試孔(Test Pattern)
　　測試孔是指用于ICT測試目的的過孔，可以兼做導通孔，原則上孔徑不限，焊盤直徑應不小于25mil，測試孔之間中心距不小于50mil。

　　3.8 可測試性設計

　　SMT的測試包括在線測試(In-Circuit Testing，ICT)和功能測試(Function-Circuit Testing，FCT)。為保證大批量生產的產品的質量，需要使用ICT和FCT，其中SMT的可測試性主要是針對ICT的。在PCB設計階段一定要考慮添加測試點，相關設計要求如下：
　　(1) 測試點均勻分布于整個PCB 板上，一般要求每個網絡都要至少有一個可供測試探針接觸的測試點。
　　(2) 測試點選用時優先次序：優選圓形焊盤；其次器件引出管腳；最后過孔最為測試點。SMD器件最好采用圓形焊盤做測試點，OSP處理工藝的PCB不宜采用過孔做測試點。當使用表面焊盤作為測試點時，應當將測試點盡量放在焊接面。
　　(3) 測試焊盤尺寸最小為0.6mm，當有較多PCB的富裕空間時，測試焊盤設定為0.9mm以上。兩個單獨測試點的最小間距為1.5mm，推薦值2.0mm。如圖3.8a所示。

　　(4) 測試點不能被絲印蓋住，絲印通過時會發生接觸不良。測試點不能被條碼、膠帶等擋住。
　　(5) 測試點與SMD的距離至少1.25mm，測試點與IC器件的距離至少2.0mm，測試點與DIP插件孔的距離1.25mm。測試點距離板邊不得小于5mm。如圖3.8b所示。
　　(6) 測試點在添加時，附加線應該盡量短。如圖3.8c所示。
　　(7) 采用圓形焊盤作為測試點時，如果PCB表面處理工藝為OSP，建議測試焊盤上印刷錫膏，以加強測試的可靠性。
　　(8) 對Connector器件，若引線較粗或Pitch≤1.5mm時，需要單獨引出測試點。如圖3.8d所示。
　　(9) 對于帶有邊界掃描(Boundary-Scan)器件的VLSI和ASIC器件，應增加為實現邊界掃描功能的輔助測試點，以達到能測試器件本身的內部功能邏輯的要求。

　　3.9 PCB散熱設計

　　隨著SMD的外形尺寸變小，組裝密度提高，若不能及時有效的散熱，將會影響電路的工作參數甚至會使元器件失效，因此必須考慮散熱設計。
　　(1) 高熱器件應考慮放于出風口或利于對流的位置，較高的元件應考慮放于出風口，且不阻擋風路。
　　(2) 散熱器的放置應考慮利于對流。
　　(3) 發熱量大的元器件架高設計，溫度敏感器件應考慮遠離熱源。
　　(4) 對于自身溫升高于30℃的熱源，一般要求：a.在風冷條件下，電解電容等溫度敏感器件離熱源距離要求≥2.5mm；b.自然冷條件下，電解電容等溫度敏感器件離熱源距離要求≥3.0mm。
　　(5) 大面積銅箔要求用隔熱帶與焊盤相連。為了保證透錫良好，在大面積銅箔上的元件的焊盤要求用隔熱帶與焊盤相連，對于需過5A以上大電流的焊盤不能采用隔熱焊盤。如圖3.9所示：

　　(6) 設置散熱通孔，可以有效地將熱量從PCB的頂部銅層傳輸到內部或底部銅層。

3.10 抗電磁干擾設計

　　電磁干擾問題越來越成為電子產品中的一個嚴重問題。經驗表明，產品批量生產后電磁干擾問題的解決成本是開發階段解決成本的十幾倍，甚至幾十倍，因此電磁兼容設計應該貫穿電子產品設計的全過程。常用的電磁兼容設計方法有：
　　(1) 從減小輻射干擾的角度出發，應盡量選用多層板。內層分別做電源層、接地層，電源層與地線要盡量靠近，時鐘線、信號線和地線位置盡量靠近，以獲得最小接地線路阻抗，抑制公共阻抗噪聲。對信號形成均勻的接地面，加大信號線和接地面間的分布電容，抑制其向空間輻射的能力。
　　(2) 電源線、地線、印制板走線對高頻信號應保持低阻抗，在頻率很高的情況下，電源線、地線或印制板走線都會成為接收與發射干擾的小天線，降低這種干擾的方法除了加濾波電容的方法外，更值得重視的是減少電源線、地線、印制板走線本身的高頻阻抗。因此，各種印制板走線要短而粗、線條要均勻。
　　(3) 為減少信號線與回線之間形成環路面積。電源線、地線、印制板導線的排列要恰當，盡量作到短、寬、直。走線時應避免產生銳角和直角，產生不必要的輻射，同時工藝性能也不好。
　　(4)當線路板上有不同功能電路時，不同類型電路(數字、模擬、電源)應分離，其接地也應分離。如圖3.10a所示。
　　(5) 對于多層線路板，不同區域的地線面在邊遠處要滿足20H法則(即地線面的邊沿要比電源層或信號線層的邊沿外延出20H，H是地線面與信號線層之間的高度)。如圖3.10b所示。

　　(6) 3W原則。當兩條印制線間距比較小時，兩線之間會發生電磁串擾，串擾會使有關電路功能失常。為避免發生這種騷擾，應保持任何線條間距不小于三倍的印制線條寬度，即不小于3W，W為印制線路的寬度。如圖3.10d所示。
　　(7) 重疊電源與地線層規則。不同電源層在空間上要避免重疊。主要是為了減少不同電源之間的干擾，特別是一些電壓相差很大的電源之間，電源平面的重疊問題一定要設法避免，難以避免時可考慮中間隔地層。如圖3.10e所示。
　　(8) 盡量選擇表面貼裝器件，并盡量選擇小尺寸元件。由于SMD器件引線的互連長度很短，因此引線的電感、電容和電阻比DIP器件小得多。
　　(9) 綜合運用接地、屏蔽和濾波等措施。

　　3.11 PCB的抗ESD設計

　　隨著IC采用更先進的工藝技術進行制造，其變得更容易受到ESD的傷害，而且隨著數據傳輸速率的提高，必須同時提供好的信號完整性和ESD保護性能。因此電子產品的靜電放電防護設計非常重要。通過PCB的分層設計、合適的布局布線和安裝等可以實現PCB的抗ESD設計。
　　(1) 盡可能使用多層PCB。相對于雙面PCB，地平面和電源平面以及排列緊密的信號線-地線間距能夠減小共模阻抗和感性耦合，使之達到雙面PCB的1/10~1/100。盡量地將每一個信號層都緊靠一個電源層或地線層，對于頂層和底層表面都有元器件、具有很短連接線以及許多填充地的高密度PCB，可以考慮使用內層線。
　　(2) 對于雙面PCB來說，要采用緊密交織的電源和地柵格。電源線緊靠地線，在垂直和水平線或填充區之間，要盡可能多地連接。一面的柵格尺寸≤60mm，如果可能，柵格尺寸應＜13mm。
　　(3) 確保每一個電路盡可能緊湊，盡可能將所有連接器都放在一邊。
　　(4) 要以下列方式在電路周圍設置一個環形地：除邊緣連接器以及機殼地以外，在整個外圍四周放上環形地通路；確保所有層的環形地寬度大于2.5mm；每隔13mm用過孔將環形地連接起來；將環形地與多層電路的公共地連接到一起。
　　(5) 在能被ESD直接擊中的區域，每一個信號線附近都要布一條地線。
　　(6) I/O電路要盡可能靠近對應的連接器。
　　(7) 對易受ESD影響的電路，應該放在靠近電路中心的區域，這樣其它的電路可以為它們提供一定的屏蔽作用。
　　(8) 通常在接收端放置串聯的電阻和磁珠，在連接器處或者離接收電路25mm的范圍內，要放置濾波電容。在距離每一個連接器80mm范圍以內放置一個高頻旁路電容。
　　(9)要確保信號線盡可能短。信號線的長度大于300mm時，一定要平行布一條地線。
　　(10) 確保信號線和相應回路之間的環路面積盡可能小。對于長信號線，每隔幾厘米調換信號線和地線的位置來減小環路面積。
　　(11) 確保電源和地之間的環路面積盡可能小，在靠近集成電路芯片每一個電源管腳的地方放置一個高頻電容。
　　(12) 盡量要用地填充未使用的區域，每隔60mm距離將所有層的填充地連接起來。確保在任意大的地填充區(大約大于25×6mm)的兩個相反端點位置處要與地連接。
　　(13) 電源或地平面上開口長度超過8mm時，要用窄的線將開口的兩側連接起來。
　　(14) 復位線、中斷信號線或者邊沿觸發信號線不能布置在靠近PCB邊沿的地方。
　　(15) 將安裝孔同電路地連接在一起，或者將它們隔離開來。在安裝孔頂層和底層上要采用大焊盤。
　　(16) 不能將受保護的信號線和不受保護的信號線并行排列。
　　(17) 要特別注意復位、中斷和控制信號線的布線。要采用高頻濾波；遠離輸入和輸出電路；要遠離電路板邊緣；
　　(18) 要注意磁珠下、焊盤之間、可能接觸到磁珠的信號線的布線。有些磁珠導電性能相當好，可能會產生意外的導電路徑。

　　3.12 PCB焊盤設計

　　焊盤設計對SMT產品的可制造性、可靠性等有著很大的影響，是PCB設計中非常重要的部分。良好的焊盤設計能避免出現虛焊、短路、立碑、陰影效應等問題。IPC提供了表面貼裝設計與焊盤結構標準——IPC-SM-782A，2005年IPC發布了IPC-SM-782A的替代標準IPC-7351。因為影響焊盤尺寸的因素眾多，必須全面的考慮才能做好，應該根據實際情況做出適合自己產品的PCB焊盤設計規范，而不能完全依靠IPC標準。
　　焊盤設計的一般考慮順序為：保證良好的電氣性能；可靠性；可制造性；可維修性。焊盤設計需要確定的要素，包括焊盤本身的尺寸、綠油或阻焊窗尺寸、元件占地范圍、元件下的布線或粘膠用的虛設焊盤等。如圖3.12-1所示：

　　決定焊盤尺寸的主要因素有五方面：元件的外形和尺寸、基板種類和質量、組裝設備能力、所采用的工藝種類和能力、要求的品質水平或標準。在考慮焊盤的設計時必須配合以上五個因素整體考慮。計算尺寸公差時，業界中較常用的是統計學中接受的有效值或均方根方法，這種做法能在各方面達到較好的平衡。
　　一個良好的焊盤設計，應該提供在工藝上容易組裝、便于檢查和測試、以及組裝后的焊點使用壽命長等條件。保證良好的焊盤設計的條件：(1)建立元件封裝資料檔案；(2)對每一個SMD建立器件的封裝尺寸庫；(3)確定不同供應商的尺寸誤差；(4)建立基板規范；(5)制定廠內工藝和設備能力規范；(6)對各制造工藝的問題和知識有足夠的了解；(7)制定廠內或對某一產品上的品質標準。

矩形片式元件焊盤設計(見圖3.12-2~3.12-3)：

　　L型引腳IC焊盤設計(見圖3.12-4)：

　　(1) 適應范圍：在SOT、SOIC、(S/T)SOP、(P/S/-C)QFP等封裝的引線。
　　(2) 參數說明：
　　t：引腳厚度(lead thickness)典型值為0.1～0.15mm
　　l：引腳長度(lead length) 典型值為0.6～0.8mm
　　lw：引腳寬度(lead width)
　　W：焊盤寬度(pad width)
　　L：焊盤長度(pad length)
　　lh：引腳跟部長度(lead heel) 通常為0.5mm
　　lt：引腳前端長度(lead tip) 通常為0.5mm
　　(3) 焊盤尺寸設計：
　　焊盤長度：L=lh+l+lt 通常為1.5~1.8mm
　　焊盤寬度：W=lw+2mil
　　lh=lt= =(2.6~5.6)t 其中θ=15o~30o
　　J型引腳IC焊盤設計(見圖3.12-5)：

　　(1) 適應范圍：SOJ、PLCC等部品的封裝引線。
　　(2) 參數說明：
　　l：引腳長度(lead length)
　　B：引腳寬度(lead width)
　　W：焊盤寬度(pad width)
　　L：焊盤長度(pad length)
　　lh：引腳跟部長度(lead heel)
　　(3) 焊盤尺寸設計：
　　引腳跟部長度：lh=T/2
　　焊盤長度：L= 2lh+l 焊盤寬度：W=lw+ lw
　　BGA焊盤設計(見圖3.12-6)：

　　(1) 焊盤直徑按照焊球直徑的75％~85％設計。
　　(2) 焊盤引出線不超過焊盤的50％，相對于焊接質量來說，越細越好。
　　(3) 電源焊盤的引出線不小于0.1mm，方可加粗。
　　(4) 為了防止焊盤變形，阻焊開窗(solder mask) 不大于0.05mm。

　　四、總結

　　PCB的優化設計在產品開發設計過程中有著重要的作用，每個設計人員都應該認真考慮，確保產品設計的最優化，使產品朝著“無缺陷”或“零缺陷”的方向發展。

　　文章摘自《印制電路資訊》09年3月第二期

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