PCB板设计与制作的可靠性研究.docx

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PCB板设计与制作的可靠性研究

中南大学

本科生毕业论文（设计）

题目：

PCB板设计与制作的可靠性研究

学院：

物理科学与技术

专业班级：

电子信息科学与技术070

内容摘要

摘要：

随着社会和科技的不断开展，PCB的布线布局也更趋向于精密化，这就对生产有了更高的要求，换句话来说，对生产的可靠性有了更大的要求，生产过程中的可靠性高了，生产出来的产品才会有更高的可靠性。

本文通过对生产中一些问题的分析，来阐述设计对制造生产过程中的可靠性的影响，或者说，设计时要怎么考虑才能使得生产中有更高的可靠性。

关键词：

PCB;可靠性;设计;生产

Abstract:

Withthecontinuousdevelopmentofsocietyandtechnology,PCBwiringlayoutisalsomoreinclinedtoprecision,whichhavehigherrequirementsontheproduction,inotherwords,thereliabilityofproductionhaveagreaterRequirements,highreliabilityoftheproductionprocess,andtheproductsproducedwillhaveahigherreliability.Basedontheanalysisoftheproductionofanumberofissuestoillustratethedesignprocessonthereliabilityofmanufacturingeffects,orthatthedesignshouldconsiderhowtomaketheproductionofhigherreliability.

Keyword:

PCB;reliability;design;production

绪论

.印刷电路板的背景

PCB（printedcircuitboard），即印制电路板是在绝缘基材上，按预定设计，制成印制线路，印制元件或有两者组合而成的导电图形后制成的板。

它作为元器件的支撑，并且提供系统电路工作所需要的电气连接，是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用。

它在整个电子产品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色。

图是电子构装层级区分示意。

图电子构装层级区分

而近来，随着科学技术的不断开展，电子产品日趋轻薄短小，使得PCB的制造面临了几个挑战：

（）薄板

（2）高密度（3）高性能（4）高速（5）产品周期缩短（6）降低本钱等。

以往以灯桌、笔刀、贴图及照相机作为制前工具，现在已经被计算机、工作软件及激光绘图机所取代。

过去，以手工排，或者还需要MicroModifier来修正尺寸等费时耗工的作业，今天只要在CAM（ComputerAidedManufacturing）工作人员取得客户的设计资料，可能几小时内，就可以依设计规则或DFM（DesignForManufacturing）自动排并变化不同的生产条件。

同时可以输出如钻孔、成型、测试冶具等资料。

而为了提高PCB生产的效率，提升生产中的成品率，降低生产的本钱，在生产设备允许的条件下，标准的、符合生产设备要求的PCB设计在其中占了很大比重。

因此，在本文中将具体探究基于日常生产参数之上的PCB的设计标准问题。

2.“可靠性”的来源

第二次世界大战中，美国自己认为其军工技术是高超的，但事实上却相反，在许多地方都暴露了它的缺陷。

例如，根据已公开的统计，在美军运到远东的武器中，60%的飞机不能使用，电子设备有50%在库存中就发生了故障，轰炸机的电子设备寿命仅有20h，海军用的电子设备70%是有故障的。

而大局部故障都是发生在军用机器的心脏局部———电子设备。

据说这些事实使美国政府感到震惊，因而军方和民用企业共同努力，开展了可靠性的研究。

这就是可靠性问题真正受到重视的开始。

开始时，可靠性问题是专门针对电子管的，并且是以军方的研究为主，并成立了一系列研究机构和组织。

经过它们的研究，结果确定了高可靠度的规格，除电气特性之外，还提出了振动、冲击等环境因素。

与此同时，振动和冲击的试验、测量等技术也进一步开展起来了。

20世纪50代，可靠性研究的范围从电子管扩大到整套电子设备，走上了轨道。

950，美国国防部成立了电子设备研究小组，陆海空三军中也分别开展了电子设备和元器件的可靠性研究工作。

9528月，美国国防部设立了著名的电子设备可靠性咨询小组（AGREE,Advisory,Group,onReliabilityofElectronicEquipment）。

电子设备可靠性咨询小组于9577月提出了报告。

报告以生产、试制时的可靠性测量方法为主提出了许多建议，成为以后军用品生产的规格和相继而来的许多研究工作的基础。

依据这份报告可以认为，到这个时期为止，可靠性问题的方向已具体地确立了。

3.可靠性的定义

可靠性一词有狭义和广义两种解释。

从广义上来说，可靠性是指消费者对产品满意的程度，或对企业信赖的程度。

但是这些都是由主观上来判定的，如要对可靠性作出具体的定量判定，就有必要为可靠性作出更为客观的解释。

这不是本书中要谈到的可靠性。

狭义上的可靠性是有客观的科学定义的，现在工业界广泛地使用如下的定义：

所谓可靠性，就是在给定条件下和规定时间内，元器件、设备或者系统完成规定功能的概率。

可靠性定义是一个科学的概念，对这一定义有必要加以说明。

1、可靠性具有定量性

所谓可靠性，并不是平常所说的那种可靠或不可靠，它不用“非常可靠”或“相当可靠”之类的方式来表达，而是要求用概率（Probability）来作定量的、客观的表示。

2、问题的对象

“零件、器件、设备或系统”是可靠性问题的主要对象。

3、完成规定的功能

“完成规定的功能”是制造设备或者系统的目的。

4、规定的时间

“规定的时间”是通过合同来决定的，长短不一，短的如导弹那样只有几分钟，长的也有如光缆之类达几十之久的。

5、规定的条件

“规定的条件”就是使用条件、环境条件等，它包括所有物理、化学及人一机工程学的因素。

第一章PCB板设计的工艺标准及参数

.、总则

PCB设计在整个硬设计中起着关键的连接作用，它不仅要考虑考虑电原理功能上的实现，也要考虑后续生产、测试、使用、维修、归档继承等方面的因素。

.2、基本工艺要求

.2.组装形式

PCB的设计首先应该确定SMD（贴装）与THC（插装）在PCB正反两面上的布局。

不同的组装形式有不同的工艺流程，对生产线也有不同的要求。

表大致列出的几种组装形式是比较常见的。

表PCB的组装形式

组装形式

示意图

PCB设计特征

、单面全SMD

单面装有SMD

2、双面全SMD

双面装有SMD

3、单面混装

单面既有SMD又有THC

4、A面混装

B面仅贴简单SMD

一面混装，另一面仅装简单SMD

5、A面插件

B面仅贴简单SMD

一面装THC，另一面仅装简单SMD

注：

简单SMD是指管脚间距或引线中心距大于mm的SMD。

注2：

在波峰焊的板面上（4、5组装形式）防止出现仅几个SMD的现象，它增加了组装流程。

.2.2PCB尺寸

在设计时，考虑到装焊以及生产的可行性，其最小的单板尺寸应不小于“宽20mmX长20mm”,一般最理想的尺寸范围是“宽（200mm250mm）X长（250mm350mm）”。

而表2列出其厚度与外表铜箔的厚度。

表2PCB厚度及铜箔厚度

PCB厚度

0.50.8.0.5.62.02.43.03.26.4（单位:

mm）

铜箔厚度

8（0.5oz/Ft2）35（oz/Ft2）70（2oz/Ft2）05（3oz/Ft2）（单位）

.2.3PCB外形

、对波峰焊，PCB的外形必须是矩形的（四角为R=～2mm圆角更好，但不做严格要求）。

偏离这种形状会引起PCB传送不稳、插件时翻板和波峰焊时熔融焊料汲起等问题。

2、对纯SMT板，允许有缺口，但缺口尺寸须小于所在边长度的/3，应该确保PCB在链条上传送平稳，见图2所示。

图2PCB外形

3、对于特殊情况，需要将PCB设计成非矩形，必须通过拼方式将整体外形设计成矩形，有利于装焊，装焊后将附加的拼局部掰去。

.2.4传送边、挡条边、定位孔

PCB应该留出两条5mm宽度的传送边，一边在流水线上传送。

如果元件较多，安装面积不够，可以将元件安装到边，但必须加上工艺传送边（通过拼板方式）。

另外，距边mm范围内不得有导体，否则在PCB制作时将进行刮铜处理，可能造成缺陷。

每一块PCB必须在其角部位置设计三个定位孔，以便在线测试和PCB本身加工时进行定位，定位孔直径为φ3.2mm。

定位孔、非接地安装孔均应设计成非金属化孔，非金属化孔周围需留出0.3mm宽的非铜箔区（即留出封孔圈），以便PCB制作时能封住孔使之不金属化。

.2.5光学定位标志

对采用光学定位的贴装设备应该设计出光学定位标志。

光学定位标志用于贴片机整体自动定位，要求统一使用圆形定位标志。

光学定位标志应该在贴片机的光源照射下有高的比照度。

.2.6PCB拼板设计

拼板设计首先要考虑的就是小板如何摆放，拼成较大的板。

建议以拼板后最终尺寸接近理想的尺寸为拼板设计的依据。

拼板的连接方式主要有双面对刻V形槽、长槽孔加圆孔和长槽孔三种，视PCB的外形而定。

具体见表3所示。

表3拼板连接方式

拼板方式

试用范围

特点

双面对刻V形槽

方形PCB

别离后边缘整齐、加工本钱低

长槽孔加圆孔

各种外形的子板（小PCB，相对于拼后大的板而言）之间的拼板

别离后边缘不整齐，不适用导槽固定的PCB

同时为了别离方便以及满足插装时的刚度需要需设计连接桥，连接桥位置和数量的设置应该根据此板的组装工艺具体考虑。

.2.7孔位图和非金属化孔的表示

在PCB的设计中应区分金属化和非金属化孔。

非金属化孔周围应该设禁止布线区，以免紧固件接触电路，直径大小根据紧固件的尺寸决定。

.2.8铜箔与边框的间距

边框露铜容易造成一系列的问题，边缘腐蚀，与机壳短路等等。

因此要求，在PCB板覆铜时要离开板边缘最少mm。

如果有电源、地层，则在电源、地层应沿PCB外框线画一条2mm宽的隔离线。

如图3所示。

同时地层的边框应比电源层的边框宽5mm。

图3为保证边框不露铜使用的隔离线

.3、布线

.3.布线的基本原则

、布线面的选择顺序应是单面、双面和多层，布线密度应综合结构要求、加工条件限制和电性能要求等各项因素合理选区。

在布线密度允许的条件下，应适当放宽导线宽度和间距。

2、两相邻面的印制导线应采取相互垂直、斜交、或弯曲走线，防止互相平行，以减小寄生耦合。

在同一面布设高频电路的印制导线，也应防止相邻导线平行段过长，以免发生信号反响或串扰。

3、线拐弯处的外拐角应成圆形或圆弧形,以免在高频电路中造成辐射干扰和衰减。

防止使用直角拐角或45度拐角，推荐使用35度拐角和圆弧形拐角。

.3.2布线密度设计

在组装密度许可的情况下，选用较低密度布线设计，以提高无缺陷和可靠性的制造能力，常用布线密度设计参考表4。

表4布线密度说明

（单位mm）

布线密度

一般

较密

高密度

甚高密

2.54mm网格通孔间布线示意图

线宽

0.3