通孔插裝PCB板的設(shè)計(jì)分析

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，可制造性設(shè)計(jì)是生產(chǎn)工藝質(zhì)量的保證，并有助于提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)(Design For Manufacture，簡(jiǎn)稱DFM)是一個(gè)必須要考慮的因素。目前通孔插裝技術(shù)(Through Hole Technology，簡(jiǎn)稱THT)仍然在使用，DFM在提高通孔插裝制造的效率和可靠性方面可以起到很大作用，DFM方法能有助于通孔插裝制造商降低缺陷并保持競(jìng)爭(zhēng)力。本文將就通孔插裝PCB設(shè)計(jì)時(shí)需考慮的一些制造工藝性問(wèn)題進(jìn)行闡述，給設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)參考。
　　1、排版與布局
　　在設(shè)計(jì)階段排版得當(dāng)可避免很多制造過(guò)程中的麻煩。
　　(1)用大的板子可以節(jié)約材料，但由于翹曲和重量原因它在生產(chǎn)中運(yùn)輸會(huì)比較困難，它需要用特殊的夾具進(jìn)行固定，因此應(yīng)盡量避免使用大于23×30cm的板面。最好是將所有板子的尺寸控制在兩三種之內(nèi)，這樣有助于在產(chǎn)品更換時(shí)縮短調(diào)整導(dǎo)軌、重新擺放條形碼閱讀器位置等所導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間，而且板面尺寸種類少還可以減少波峰焊溫度曲線的數(shù)量。
　　(2)在一個(gè)板子里包含不同種拼板是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方法，但只有那些最終做到一個(gè)產(chǎn)品里并具有相同生產(chǎn)上藝要求的板才能這樣設(shè)計(jì)。
　　(3)在板子的周?chē)鷳?yīng)提供一些邊框，尤其在板邊緣有元件時(shí)，大多數(shù)自動(dòng)裝配設(shè)備要求板邊至少要預(yù)留5mm的區(qū)域。
　　(4)盡量在板子的頂面(元件面)進(jìn)行布線，線路板底面(焊接面)容易受到損壞。不要在靠近板子邊緣的地方布線，因?yàn)樯a(chǎn)過(guò)程中都是通過(guò)板邊進(jìn)行抓持，邊上的線路會(huì)被波峰焊設(shè)備的卡爪或邊框傳送器損壞。
　　(5)對(duì)于具有較高引腳數(shù)的器件如接線座或扁平電纜，應(yīng)使用橢圓形焊盤(pán)而不是圓形以防止波峰焊時(shí)出現(xiàn)錫橋(圖1)。
　　(6)盡可能使定位孔間距及其與元件之間的距離大一些，并根據(jù)插裝設(shè)備對(duì)其尺寸進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化和優(yōu)化處理；不要對(duì)定位孑L做電鍍，因?yàn)殡婂兛椎闹睆胶茈y控制。
　　(7)盡量使定位孔也作為PCB在最終產(chǎn)品中的安裝孔使用，這樣可減少制作時(shí)的鉆孔工序。
　　(8)可在板子的廢邊上安排測(cè)試電路圖樣以便進(jìn)行工藝控制，在制造過(guò)程中可使用該圖樣監(jiān)測(cè)表面絕緣阻抗、清潔度及可焊性等等。
　　(9)對(duì)于較大的板子，應(yīng)在中心留出一條通路以便過(guò)波峰焊時(shí)在中心位置對(duì)線路板進(jìn)行支撐，防止板子下垂和焊錫濺射，有助于板面焊接一致。
　　(10)在排版設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮針床可測(cè)性問(wèn)題，可以用平面焊盤(pán)(無(wú)引線)以便在線測(cè)試時(shí)與引腳的連接更好，使所有電路節(jié)點(diǎn)均可測(cè)試。
　　2、元件的定位與安放
　　(1)按照一個(gè)柵格圖樣位置以行和列的形式安排元件，所有軸向元件應(yīng)相互平行，這樣軸向插裝機(jī)在插裝時(shí)就不需要旋轉(zhuǎn)PCB，因?yàn)椴槐匾霓D(zhuǎn)動(dòng)和移動(dòng)會(huì)大幅降低插裝機(jī)的速度。像圖2上這些45度角元件實(shí)際上無(wú)法由機(jī)器插入。
　　(2)相似的元件在板面上應(yīng)以相同的方式排放。例如使所有徑向電容的負(fù)極朝向板件的右面，使所有雙列直插封裝(DIP)的缺口標(biāo)記面向同一方向等等，這樣可以加快插裝的速度并更易于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。如圖3所示，由于A板采用了這種方法，所以能很容易地找到反向電容器，而B(niǎo)板查找則需要用較多時(shí)間。實(shí)際上一個(gè)公司可以對(duì)其制造的所有線路板元件方向進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，某些板子的布局可能不一定允許這樣做，但這應(yīng)該是一個(gè)努力的方向。
　　(3)將雙列直插封裝器件、連接器及其他高引腳數(shù)元件的排列方向與過(guò)波峰焊的方向重直，這樣可以減少元件引腳之間的錫橋。
　　(4)充分利用絲印在板面上作記號(hào)，例如畫(huà)一個(gè)框用于貼條形碼，印亡一個(gè)箭頭表示板子過(guò)波峰焊的方向，用虛線描出底面元件輪廓(這樣板子只需進(jìn)行一次絲印即可)等等。
　　(5)畫(huà)出元件參考符(CRD)以及極性指示，并在元件插入后仍然可見(jiàn)，這在檢查和故障排除時(shí)很有幫助，并且也是一個(gè)很好的維護(hù)性工作。
　　(6)元件離板邊緣應(yīng)至少有1．5mm(最好為3mm)的距離，這將使線路板更加易于進(jìn)行傳送和波峰焊接，且對(duì)外圍元件的損壞更小。
　　(7)元件高出板面距離需超過(guò)2mm時(shí)(如發(fā)光二極管、大功率電阻器等)，其下面應(yīng)加墊片。如果沒(méi)有墊片，這些元件在傳送時(shí)會(huì)被“壓扁”，并且在使用中容易受到震動(dòng)和沖擊的影響。
　　(8)避免在PCB兩面均安放元件，因?yàn)檫@會(huì)大幅度增加裝配的人工和時(shí)間。如果元件必須放在底面，則應(yīng)使其物理上盡量靠近以便一次完成防焊膠帶的遮蔽與剝離操作。
　　(9)盡量使元件均勻地分布在PCB上，以降低翹曲并有助于使其在過(guò)波峰焊時(shí)熱量分布均勻。
　　3、機(jī)器插裝
　　(1)所有板上元件的焊盤(pán)都應(yīng)該是標(biāo)準(zhǔn)的，應(yīng)使用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的間隔距離。
　　(2)選用的元件應(yīng)適用于機(jī)器插裝，要牢記自己工廠內(nèi)的設(shè)備的條件與規(guī)格，事先考慮好元件的封裝形式以便能更好地與機(jī)器配合。對(duì)于異型元件來(lái)講，封裝可能是一個(gè)較大的問(wèn)題。 (3)如果可能，徑向元件盡量用其軸向型，因?yàn)檩S向元件的插裝成本比較低，如果空間非常寶貴，也可以優(yōu)先選用徑向件。
　　(4)如果板面上僅有少量的軸向元件，則應(yīng)將它們?nèi)哭D(zhuǎn)換為徑向型，反之亦然，這樣可完全省掉一種插裝工序。
　　(5)布置板面時(shí)應(yīng)從最小電氣間隔的角度考慮引腳折彎方向和自動(dòng)插裝機(jī)部件所到達(dá)的范圍，同時(shí)還要確保引腳折彎方向不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錫橋。
　　4、導(dǎo)線與連接器
　　(1)不要將導(dǎo)線或電纜線直接接到PCB上，而應(yīng)使用連接器。如果導(dǎo)線一定要直接焊到板子上，則導(dǎo)線末端要用一個(gè)導(dǎo)線對(duì)板子的端子進(jìn)行端接。從線路板連出的導(dǎo)線應(yīng)集中于板子的某個(gè)區(qū)域，這樣可以將它們套在一起避免影響其他元件。
　　(2)使用不同顏色的導(dǎo)線以防止裝配過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，各公司可采用自己的一套顏色方案，如所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)線的高位用藍(lán)色表示而低位用黃色表示等。
　　(3)連接器應(yīng)有較大焊盤(pán)以提供更好的機(jī)械連接，高引腳數(shù)連接器的引線應(yīng)有倒角以便能更容易地插入。
　　(4)避免使用雙列直插式封裝插座，它除了延長(zhǎng)組裝時(shí)間外，這種額外的機(jī)械連接還會(huì)降低長(zhǎng)期使用可靠性，只有因?yàn)榫S護(hù)的原因需要DIP現(xiàn)場(chǎng)更換時(shí)才使用插座。如今DIP的質(zhì)量已取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，無(wú)需經(jīng)常更換。
　　(5)應(yīng)在板面上刻出辨別方向的標(biāo)記，防止安裝連接器時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。連接器焊點(diǎn)處是機(jī)械應(yīng)力較為集中的地方，因此建議使用一些夾持工具，例如鍵和卡扣。
　　5、整機(jī)系統(tǒng)
　　(1)應(yīng)在設(shè)計(jì)印制電路板前選好元器件，這樣可以實(shí)現(xiàn)最佳布局并且有助于實(shí)施本文中所闡述的DFM原則。
　　(2)避免用一些需要機(jī)器壓力的零部件，如導(dǎo)線別針、鉚釘?shù)?，除了安裝速度慢以外，這些部件還可能損壞線路板，而且它們的維護(hù)性也很低。
　　(3)采用下面的方法，盡量減少板上使用元件的種類：用排電阻代替單個(gè)電阻；用一個(gè)六針連接器取代兩個(gè)三針連接器；如果兩個(gè)元件的值很相似，但公差不同，則兩個(gè)位置均使用公差較低的那一個(gè)；使用相同的螺釘固定板上各種散熱器。
　　(4)最好設(shè)計(jì)成可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配置的通用板。例如裝一個(gè)開(kāi)關(guān)將國(guó)內(nèi)使用的板改為出口型號(hào)，或使用跳線將一種型號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N型號(hào)。
　　6、常規(guī)要求
　　(1)當(dāng)對(duì)線路板做敷形涂層時(shí)，不需要涂層的部分應(yīng)在工程設(shè)計(jì)時(shí)在圖上標(biāo)注出來(lái)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮涂層對(duì)線間電容的影響。
　　(2)對(duì)于通孔來(lái)說(shuō)，為了保證焊接效果最佳，引腳與孔徑的縫隙應(yīng)在0．25mm到0．70mm之間。較大的孔徑對(duì)機(jī)器插裝有利，而想要得到好的毛細(xì)效果則要求有較小的孔徑，因此需要在這兩者之間取得一個(gè)平衡。 (3)應(yīng)選用根據(jù)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行過(guò)預(yù)處理的元件。元件準(zhǔn)備是生產(chǎn)過(guò)程中效率最低的部分之一，除了增添額外的工序(相應(yīng)帶來(lái)了靜電損壞風(fēng)險(xiǎn)并使交貨期延長(zhǎng))，它還增加了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
　　(4)應(yīng)對(duì)購(gòu)買(mǎi)的大多數(shù)手工插裝元件定出規(guī)格，使線路板焊接面上的引線伸出長(zhǎng)度不超過(guò)1．5mm，這樣可減少元件準(zhǔn)備和引腳修整的工作量，而且板子也能更好地通過(guò)波峰焊設(shè)備。
　　(5)避免使用卡扣安裝較小的座架和散熱器，因?yàn)檫@樣速度很慢且需要工具，應(yīng)盡量使用套管、塑料快接鉚釘、雙面熱帶或者利用焊點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械連接。
　　本文介紹一些和通孔插裝有關(guān)的DFM方法，這些原則從本質(zhì)上來(lái)講具有普遍性，但不一定在任何情況下都適用，不過(guò)對(duì)于與通孔插裝技術(shù)打交道的PCB設(shè)計(jì)人員和工程師來(lái)說(shuō)還是有一定的幫助。