PCB板设计与制作的可靠性研究毕业论文文档格式.docx
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1)封面(按教务处制定的标准封面格式制作)
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3)中文摘要(300字左右)、关键词
4)外文摘要、关键词
5)目次页(附件不统一编入)
6)论文主体部分:
引言(或绪论)、正文、结论
7)参考文献
8)致谢
9)附录(对论文支持必要时)
2.论文字数要求:
理工类设计(论文)正文字数不少于1万字(不包括图纸、程序清单等),文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括:
任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)。
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图表整洁,布局合理,文字注释必须使用工程字书写,不准用徒手画
3)毕业论文须用A4单面打印,论文50页以上的双面打印
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5.装订顺序
1)设计(论文)
2)附件:
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文(复印件)次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价:
一、撰写(设计)过程
1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
4、研究方法的科学性;
技术线路的可行性;
设计方案的合理性
5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况
二、论文(设计)质量
1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范?
2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)?
三、论文(设计)水平
1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义
2、论文的观念是否有新意?
设计是否有创意?
3、论文(设计说明书)所体现的整体水平
建议成绩:
(在所选等级前的□内画“√”)
指导教师:
(签名)单位:
(盖章)
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价:
一、论文(设计)质量
二、论文(设计)水平
评阅教师:
教研室(或答辩小组)及教学系意见
教研室(或答辩小组)评价:
一、答辩过程
1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
3、学生答辩过程中的精神状态
评定成绩:
教研室主任(或答辩小组组长):
(签名)
教学系意见:
系主任:
内容摘要
摘要:
随着社会和科技的不断发展,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
1.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1是电子构装层级区分示意。
图1电子构装层级区分
而近年来,随着科学技术的不断发展,电子产品日趋轻薄短小,使得PCB的制造面临了几个挑战:
(1)薄板
(2)高密度(3)高性能(4)高速(5)产品周期缩短(6)降低成本等。
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,以手工排版,或者还需要Micro-Modifier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)自动排版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,降低生产的成本,在生产设备允许的条件下,规范的、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的设计规范问题。
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。
而大部分故障都是发生在军用机器的心脏部分———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发展起来了。
20世纪50年代,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。
1950年,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。
1952年8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1957年7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年之久的。
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1章PCB板设计的工艺规范及参数
1.1、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。
1.2、基本工艺要求
1.2.1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1大致列出的几种组装形式是比较常见的。
表1PCB的组装形式
组装形式
示意图
PCB设计特征
1、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
一面装THC,另一面仅装简单SMD
注1:
简单SMD是指管脚间距或引线中心距大于1mm的SMD。
注2:
在波峰焊的板面上(4、5组装形式)避免出现仅几个SMD的现象,它增加了组装流程。
1.2.2PCB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120mmX长120mm”,一般最理想的尺寸范围是“宽(200mm-250mm)X长(250mm-350mm)”。
而表2列出其厚度与表面铜箔的厚度。
表2PCB厚度及铜箔厚度
PCB厚度
0.50.81.01.51.62.02.43.03.26.4(单位:
mm)
铜箔厚度
18(0.5oz/Ft2)35(1oz/Ft2)70(2oz/Ft2)105(3oz/Ft2)(单位
)
1.2.3PCB外形
1、对波峰焊,PCB的外形必须是矩形的(四角为R=1~2mm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1/3,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,必须通过拼版方式将整体外形设计成矩形,有利于装焊,装焊后将附加的拼版部分掰去。
1.2.4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
1mm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。
1.2.5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对比度。
1.2.6PCB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
分离后边缘整齐、加工成本低
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
分离后边缘不整齐,不适用导槽固定的PCB
同时为了分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。
1.2.7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。
1.2.8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1mm。
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
1.3、布线
1.3.1布线的基本原则
1、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,避免互相平行,以减小寄生耦合。
在同一面布设高频电路的印制导线,也应避免相邻导线平行段过长,以免发生信号反馈或串扰。
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。
避免使用直角拐角或45度拐角,推荐使用135度拐角和圆弧形拐角。
1.3.2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
0.25
0.2
0.15
线间隔
焊盘外径
1.78
1.67
1.54
1.5
1.3.3焊盘与印制线的连接
焊盘与印制线的连接设计主要是针对再流焊时元件处于浮动状态,为防止元件位置变动、防止每个焊盘上焊膏不同时熔化情况的产生而考虑的。
1、对于两个焊盘安装的元件,如电阻、电容,与其焊盘连接的印制线最好从焊盘中心位置对称引出,且与焊盘连接的印制线必须具有一样宽度,如图4所示。
图4阻容元件焊盘与印制线的连接
2、与较宽印制线连接的焊盘,中间最好通过一段窄的印制线过渡,这一段窄的印制线通常被称为“隔热路径”,否则,对2125(英制即0805)及其以下CHIP类SMD,焊接时极易出现“立片”缺陷。
具体要求如图5所示。
图5隔热路径的设计
3、对焊盘、过孔与连线的连接,采用水珠连接方式,可有效解决连线与焊盘、过孔的连接牢固问题,这一点在生产过程中尤为重要,一般工厂的工程部会的对非水珠连接方式的电路图进行修改。
1.3.4过孔位置的设计
过孔的位置主要与再流焊工艺有关,过孔不能设计在焊盘上,更不允许直接将过孔作为BGA器件的焊盘来用,应该通过一小段印制线连接,否则容易产生“立片”、“焊料不足”缺陷。
1.3.5大面积电源区和接地区的设计
面积超过φ25mm大面积电源区和接地区,如果无特殊需要,一般都应该开设窗口,以免其在焊接时间过长时,产生铜箔膨胀、脱落现象。
1.3.6引脚的连接
对于QFP等引脚间距很小(小于0.5mm)的器件,两脚相连时不可直接相连,而应通过引出线相连,否则在生产目检时容易与焊盘搭锡混淆。
如图6。
图6高密度引脚间距时,引脚间连接方式
1.4、基本参数
1.4.1最小线宽与最小线距
对于一般数字电路来说,最小线宽和线距受生产工艺条件限制。
太细易断路;
太密易短路;
太宽则无法布通。
布线完成后,必须进行DRC检查。
如表5所示最佳
最小线宽最先线距参数。
表5推荐最小线宽最先线距参数
最小线宽、线距(mm)
甚高密度
1.4.2孔径
焊盘和过孔的孔径均是指喷锡以后的孔径。
生产厂家会自动加大钻孔尺寸,以保证喷锡后的孔径等于钻孔图中标示的孔径。
如表6。
表6推荐优先采用的孔径系列
公制(mm)
0.9
0.4
1.0
0.5
1.3
0.6
1.6
0.7
2.0
0.8
1.4.3过孔
目前采用贯通式过孔(throughhole),如果因为布线密度问题需要采用埋孔(blind/buriedvia)应先与厂商协商。
表7所示过孔系列尺寸。
表7孔系列尺寸
外径(mm)
内径(mm)
过孔1
0.66
过孔2
过孔3
1.27
0.71
最小过孔
0.61
1.4.4焊盘
焊盘除了要求电气连接性能以外,还要求有一定的可焊性和机械强度。
一般焊盘应留有足够的焊环宽度,以保证焊接的可靠性,焊环宽度受布线密度影响。
通常越大的焊盘焊环宽度越大。
对于常用的IC和接插件,焊环宽度可0.33mm~0.41mm之间。
对于压接式焊盘,焊环允许减小。
允许的最小焊环宽度为0.20mm。
表8推荐优先选用的过孔、焊盘外径数值系列
1.50
0.75
1.55
0.90
1.80
1.00
2.00
1.25
2.50
第2章PCB板加工的工序工艺及参数控制
2.1、工程
工程部的作用主要是将用户提供的PCB布线图通过软件转化成实际加工所需要的工程图,为钻孔、丝印提供相关资料和菲林的制作。
工程部的工作可分为3个部分,即:
资料审查、资料转换、菲林制作。
2.1.1资料审查
工程部在开始生产之前,必须要对客户提供的PCB布线图进行审核,看能否符合本公司工厂生产的技术指标和参数,以避免无效加工,浪费材料,对效率和利润造成损害。
2.1.2资料转换
这一步主要是涉及CAD/CAM作业。
工程师将PCB布线图输入所使用的CAM系统中,将apertures和shapes定义好,就可以设定参数直接输出程式。
同时,目前已经有很多PCB的CAM系统可以接受ODB++格式,而且使用该格式就可以减少提供aperturefiles的步骤,提高了效率。
而关于ODB++格式,它是一种可扩充的ASCⅡ格式,ODB++是一種可扩充的ASCII格式,它可在单一数据库中保存PCB生产和装配所必需的全部工程数据。
单一文件即可包含图形、钻孔资讯、布线、元件、网表、规格、绘图、工程处理定义、报表功能、ECO和DFM结果等。
作业人员可改进和改正D
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