电路板从设计到焊接完成的整个过程

电路板从设计到焊接完成的整个过程摘要：近几年来，可以说是消费类电子产品的黄金时期，以智能手机为代表的电子快销品的更新换代技术超过了以往。消费者对电子产品硬件本身的性能及硬件与软件的兼容性要求也越来越高，而PCB（PrintCircuitBoard）,即印刷电路，是电子产品中主要载体，主要组成部分，PCB质量的好坏，直接影响电子产品的工作性能和质量。不同的电子产品，对PCB设计的要求也不尽相同；不同公司的电子产品，对PCB设计的规范也不尽相同。但在电子产品中，电路的基本原理是有规律可循的，电路中信号的传输也是一样的，PCB设计中对信号的处理的关键点也是普遍相同的。另外，PCB设计完成后电子元器件的安装即电子组装技术也是至关重要的。所谓的电子组装技术就是根据成熟的电路原理图，将各种电子元件、电子器件、机电元件、机电器件以及基板合理地设计、互联、安装、调试，使其适用的、可生产的电子产品（小到集成电路，大到雷达、通信、超级巨型计算机）的技术过程，其主要包括元器件安装技术与焊接技术。关键词：PCB、电子组装技术、SMT、THT、焊接技术一、印刷电路板的设计１.１PCB器件封装的设计１.１.１常规器件的封装设计常见的PCB标准封装按焊接方式分，有SMD(surfacemounteddevices)表面贴装器件),PTH(platedthoughhole，通孔焊接)；常见的SMD器件封装形式有chip，BGA,DFN,LCC,QFN,SOP,SOT等；常见的PTH器件有DIP,PGA等。这些常见的封装的焊盘设计可以参照IPC-SM-782A(元件封装设计标准)来设计。１.１.２非常规器件的封转设计电子产品中除了常规器件外，也有很多非常规器件，主要是指为了实现特殊产品的特殊设计。这类产品中，厂商会提供对应器件的规格书，一般规格书中会提供该器件的封装尺寸及推荐的焊盘尺寸，可以按照此设计。也可以按照SMT技术规范常规要求设计。１.2PCB器件布局设计１.２.１印制线路板上的元器件放置的通常顺序（１）导入PCB板装配示意图后，与产品结构设计相关的器件优先放置，如各种接口、开关、连接器、天线馈点、指示灯、显示屏等器件，放置后锁定器件，防止误操作带来设计失误。（２）按电路功能模块放置各部分的器件，要顾及该器件相关布局，布线方面设计的考虑。（３）依据各模块占电路板的面积，要考虑PCB布局，布线的密度和所需空间，优先放置占面积比较大的部分。（４）综合考虑PCB板上器件的散热，磁场等外部环境，合理分布各电路。器件与器件、与板边、定位孔等符合PCB工厂，产品装配和SMT产线的设计要求。１.２.２PCB电磁兼容方面的考虑（１）应充分遵守沿信号流向直线放置的设计原则，尽量避免来回环绕。（２）多种模块电路在同一PCB上放置时，数字电路与模拟电路、高速与低速电路应分开布局。（３）存在较大电流变化的单元电路或器件（如电源模块的输入输出端、风扇及继电器）附近应放置储能和高频滤波电容。（４）线路板电源输入口的滤波电路应靠近接口放置。（５）在PCB板上，接口电路的滤波、防护以及隔离器件应该靠近接口放置。如果接口处既有滤波又有防护电路，应该遵从先防护后滤波的原则。（６）布局时要保证滤波电路（滤波器）、隔离以及防护电路的输入输出线不要相互耦合。单板上如果设计了接口“干净地”，则滤波、隔离器件应放置在“干净地”和工作地之间的隔离带上。“干净地”上，除了滤波和防护器件之外，不能放置任何其他器件。（７）晶体、晶振、继电器、开关电源等强辐射器件远离单板接口连接器。敏感电路或器件（如复位电路、WATCHDOG电路等）远离单板各边缘特别是单板接口侧边缘。为IC滤波的各滤波电容应尽可能靠近芯片的供电管脚放置。（８）对于始端串联匹配电阻，应靠近其信号输出端放置。１.３PCB布线设计１.3.1PCB分层设计（１）有高速数字信号（一般时钟频率超过5MHz，或信号上升时间小于5ns）时，一般需要考虑多层板设计。（２）多层板最好用独立的“地”，“电”层。关键信号（如时钟CLK、BUS总线、射频IQ信号、复位片选信号、片选信号线，模拟音频以及各种控制信号线）应与完整地平面相邻，最好再两地平面之间。（３）对于单层板，关键信号线两侧应该布“GuideGroundLine”。对于双层板来说，要求关键信号线地投影平面上有大面积铺地，或者同单层板地处理办法，设计“GuideGroundLine”。（４）多层板中，电源平面应相对于其相邻地平面内缩（建议值5H～20H）。多层板中，单板主工作电源平面（使用最广泛的电源平面）应与其地平面紧邻。１.3.2常规布线线设计（１）走线长度尽可能的短，在高频阻抗信号更应如此，走线的拐弯应成圆角，直角或尖角在高频电路和布线密度高的情况下会影响阻抗性能；相邻两层走线应宜相互垂直、斜交，避免相互平行，以减小寄生耦合；作为电路的输入及输出信号走线应尽量避免相邻平行，减小回路面积。（２）导线宽度：导线宽度应以既要满足电气性能要求而，大的电源线须满足所承受的电流最大。另外还须满足电路板厂的加工工艺。（３）导线间距：相邻导线间距必须能满足电气安全要求，避免信号间相互串扰，关键信号间最好用地线屏蔽。且为了便于加工生产，间距也应尽量宽些，以降低不良率，降低生产成本。１.3.3关键信号走线设计（１）电源地线的处理，即使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到，而引起的干扰会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。现只对降低抑制噪音作以表述：众所周知的是在电源pin间加上去耦电容；尽量加宽电源地线宽度最好是地线比电源线宽，它们的关系是地线－电源线－信号线；用大面积铜箔作地线用，在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用，或是做成多层板电源、地各占用一层。（２）数字电路与模拟电路的共地处理：现在有许多PCB不再是单一功能电路数字或模拟电路，而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。一般需要将数字地和模拟地分开设计，在PCB布局时，也要考虑将数字电路和模拟电路隔离开来。最安全的做法是将模拟电路部分用屏蔽罩来屏蔽干扰。在PCB某点最终处理数模共地的问题。（３）在电地层上布信号线：板子密度较高是，没有足够的空间走线时，要是再增加层数会给增加工作量且生产成本也会提高许多。所以就需要考虑在地电层上走部分线。首先应考虑用电源层其次才是地层，最好是保留地层的完整性。走的电源层的线可以是一些逻辑数字控制信号，如使能信号，开关，上拉，下拉等。（４）多点焊脚同网络的连接处理：在器件相邻多点接地和电源中，多用铺大块铜皮的方式来实现多点完全连接。就电性能来讲，元件的管脚与对应铜皮完全连接为好。但对PCB加工和器件焊接就存在一些不良隐患，PCB加工时易出现同一器件的焊点大小不一，既不美观也不易上锡焊接，且焊接时由于大面积铜皮散热较快易造成虚焊。为了兼顾电气性能与生产需要，可以做成十字花焊盘也称热隔离（heatshield）俗称热焊盘（Thermalpad），可以大大降低生产不良率，降低生产成本。１.4PCB设计验证设计验证，也称DRC（designrulecheck）。布线设计完成后需认真检查导线线宽、间距、特殊信号的间隔，长度等的规则检查，是否符合设计者所制定的规则，EDA软件都待电气的连通性和间距检查。PCB可制造行检查制造性也称DFM(designformanufacture),主要检查生产工艺的需求。（１）线、焊盘、过孔、铜皮、机械外形的距离是否合理是否满足加工要求。（２）阻焊层的露铜是否会造成信号短路，丝印字符是否覆盖焊盘影响焊接质量。（３）器件间隔，连板工艺边、钢网设计是否符合生产工艺的要求。二、印刷电路板电路图的绘制EDA(ElectronicDesignAutomatic,电路设计自动化)软件，是绘制PCB的工具，目前比较流行的几款绘制软件有：AltiumDesigner、Protel、ORCAD、PSPICE、WINDRAFT和WINBOARD等。各种绘图软件都有各自的特点有长处，当然其中有一些还在机一部完善当中有一些已经很少人用甚至已经淘汰，但其基本使用模式大同小异，并且基本功能的使用教程也很容易在互联网上找到，在这里就不在赘述。三、电子组装技术电子柱状技术按年代可以分为通孔组装技术（THT）、表面贴装技术（SMT）和微组装技术（MPT），这一技术实质上是一种高密度立体组装技术。目前，计算机等电子产品中已经普遍采用SMT及SMT与THT混装技术，而MPT技术也日益成熟，这种高密度的组装技术主要应用于军用电子产品的生产。３.１SMT与THT电子组装技术的发展主要受元器件类型的支配。生产中采用“无引线或短引线”的元器件，故冲元器件组装工艺角度分析，表面贴装技术与通孔插装技术的主要区别：一是所用元器件、印刷电路板的外形不完全相同；二是前者是“贴装”，即将元器件贴装在印制电路板的焊盘表面，而后则是“插装”，即将长引脚的元器件插入印制电路板的焊盘孔内。前者是预先将焊料—焊膏印刷或滴涂在焊盘上，贴片后一次加热完成焊接过程，而后者是通过波峰焊机利用熔融的焊料流，实现升温与焊接。与传统的THT相比，SMT有以下特点：（１）组装密度高、结构紧凑、体积小、质量轻。（２）可靠性高。（３）高频特性好。（４）成本低、适于自动化生产。３.２电子组装技术中的焊接技术电子元器件与印刷电路板之间是通过焊接工艺来形成牢固的电气连接与机械连接，组装过程中焊接的可靠性直接影响整机或系统的可靠性。常用的焊接技术如下。（１）手工锡焊：在企业生产中，焊接SMT元器件主要依靠自动焊接设备，但在维修电子产品或者研究单位制作样机时，检测、焊接SMT元件常使用手工锡焊。如图３.１为手工锡焊的操作步骤。图３.１手工锡焊的操作步骤（２）浸焊：浸焊是最早应用在电子产品批量生产中的焊接方法，现在还在一些小型企业中使用。浸焊设备的焊料槽如图３.２所示。浸焊设备的工作原理是让插好元器件的印制电路板水平接触熔融的铅锡焊料，使整个板子上的元器件同时完成焊接。印制电路板上的导线被阻焊层阻隔，不需要焊接的焊点和部位要用特制的阻焊膜贴住，防止焊锡不不要的堆积。图３.２浸焊设备的焊料槽（３）波峰焊：波峰焊分为两种，单波峰焊和双波峰焊。电子产品THT批量生产中的焊接方法就是单波峰焊，SMT批量生产的焊接方法为双波峰焊。波峰焊是利用焊料槽内的机械式或电磁式离心泵，将熔融焊料压向喷嘴，形成一股向上平稳喷涌的焊料波峰，并源源不断地从喷嘴中溢出。装有元器件的印制电路板以直线听面运动的方式通过焊料波峰，在焊接面上形成浸润焊点而完成焊接。图３.３为一般单波峰焊接。图３.３一般单波峰焊接焊接时，将已经完成插件工序的印制电路板放在匀速运动的导轨上，导轨下面有装有机械泵和喷嘴的焊料槽。机械泵根据焊接要求连续不断地泵出平稳的液态锡波，焊料熔液通过喷嘴以波峰形式溢出至焊接板进行焊接。双波峰焊接时，印制电路板的焊接要经过两个熔融的铅锡焊料形成的波峰，这两个焊料的波峰形式不同，最常见的波峰组合是“紊乱波”＋“宽平波”，“空心波”＋“宽平波”的波形组合也比较常见。图３.３为双波峰焊接。图３.３双波峰焊接（４）再流焊：再流焊目前主要用于表面组装技术中片状元件的焊接。这种焊接技术是预先在印制电路板上施放适量且适当形式的糊状焊膏，用它将元器件粘在印制电路板上；然后利用外部热源将钎料熔化而再次流动，以达到焊接的目的。按照加热方法的不同，再流焊分为红外线辐射再流焊、热风对流加热再流焊、气相加热再流焊等。再流焊收到的热冲击小、焊接效率高、质量好，正逐渐成为电子组装焊接技术的主流。３.３电子组装技术中的检测、清洗与返修为保证电子产品的质量，在电子组装过程中就要采取各类测试技术检测，常用的测试技术包括：自动光学检查（AOI）、X射线检测和ICT测试。此外，印制电路板在焊接以后，气表面或多或少会留有各种残留污染物。为防止因服饰而引起的电路失效，应该进行清洗去除残留污染物。但是清洗工艺要耗费能源、人力和清洗材料，特别是清洗