微电子制造综合设计

1桂林电子科技大学微电子制造综合设计设计报告指导老师：学生：学号：桂林电子科技大学机电工程学院《微电子制造综合设计》设计报告目录2一、设计内容与要求…………………………………………………1二、设计目的意义……………………………………………………2三、PCB设计…………………………………………………………2四、组装工艺设计……………………………………………………15五、工艺实践方法与步骤……………………………………………24六、课程设计总结……………………………………………………26七、参考文献…………………………………………………………29十、附录………………………………………………………………291微电子制造综合设计一、设计内容与要求1、设计内容按给定的设计参数，绘制电路原理图。完成相应的PCB设计，绘制PCB板图等。包括焊接方式与PCB整体设计、PCB基板的选用、PCB外形及加工工艺的设计要求。PCB焊盘设计及工艺要求确定。元器件布局要求及设计。基准点标记制作。用PROTELDXP制作印刷电路版，包括设计电路原理图、定义元器件的封装形式，PCB图纸的基本设置、生成网表和加载网表、设置布线规则、布线。编写贴装程序等。SMT设计以及工艺文件的编写。分析典型组装工艺，对典型组装工艺进行实践。设计参数如：表1表1设计参数表元器件数量元器件数量12066片FQFP481片08057片DIP141个SOJ161片DIP201片PLCC841片二极管10片要求：PCB元件之间的连线总长不小于500mm，有3种不同的线宽。2、综合设计要求（1）掌握印制电路板计算机辅助设计软件，包括：1）通过电路原理图与印制电路版图的分析对比，提高识图能力；2）掌握电路原理图与印制电路版图的特点、规律及识图方法；3）掌握印制电路板计算机辅助设计软件（PROTEL）的应用；4）依据指定的电路原理图，运用PROTEL完成原理图的输入、网络表生成、板图制作及输出等操作。（2）掌握焊盘、模板的设计方法，包括：1）DFM原理与基本应用、设计原则以及相应的考核表；2）熟悉焊盘设计标准（IPC-SM-782文件），掌握焊盘设计的基本原理与方法；3）熟悉模板设计标准（IPC-7525文件），掌握模板设计的基本原理与方法。（3）掌握SMT工艺设计方法及其工艺文件的编写，包括：1）掌握SMT工艺设计的基本原理与过程，对电路原理图进行相应的SMT工艺设计；2）掌握SMT工艺文件的编写方法，对所设计的SMT工艺进行工艺文件的编写。（4）掌握典型工艺的参数选取、操作步骤、操作要点，对典型工艺进行操作实践。包括：21）掌握贴片参数的设置与选取，贴片机的操作与编程；2）掌握引线键合的参数设置与选取，键合操作方法与要点。（5）掌握设计说明书的编写方法与编写过程，包括：1）设计目的、元器件布局方案的选取、PCB布线设计说明等；2）绘制电路原理图、PCB板图等；3）编写SMT工艺文件清单；4）编写元器件清单。二、设计目的意义本综合设计在专业课程学习之后，毕业设计之前进行，内容涉及主要专业课程和一些专业技术基础课程，重点突出专业的专业性和综合性，力求通过综合设计达到以下三方面的目标：综合应用基础课程、专业课程的理论知识，初步培养PCB的设计能力；培养查阅技术文献和资料，使用数据手册，绘制规范的技术图纸，应用计算机进行辅助设计，撰写完整的技术报告的能力；培养严谨的工作作风，认真负责的工作态度，以及独立思考的良好习惯。本综合设计将综合运用所学的基础与专业知识，较全面地掌握电子产品组装全过程所涉及到的相关内容，建立系统工程的概念：（1）基本掌握电子产品组装涉及到的内容与基本要求；（2）掌握应用广泛的EDA软件（Protel99），特别是PCB布线等后续部分；（3）掌握PCB的设计要领，能依据提供的印制板进行PCB布线设计与焊盘设计。（4）掌握IPC-7351标准，能依据提供的印制板完成模板设计；（5）能依据提供的印制板制定该印制板的SMT工艺定制；（6）掌握电子产品典型组装工艺参数设计、分析方法和操作步骤。三、PCB的设计1、PCB的定义、功能和发展（1）PCB的定义：PCB即PrintedCircuitBoard的简写，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板、印刷线路板。定义为：按照预先设计的电路，利用印刷法，在绝缘基板的表面或其内部形成的用于元器件之间连接的导电图形的技术，但不包括印制元器件的形成技术，把形成的印制线路的板叫做“印制线路板”。把装配上元器件的印制线路板叫做“印制电路板”。（2）PCB的功能：1）在封装设计中，印制电路的物理特性的通用性比普通的接线更好。2）电路永久的附着在介质材料上，此介质基材也用作电路元件的安装面。3）不会产生导线错接或短路。大大缩小了互连导线的体积和重量。4）可能采用标准化设计。有利于备件的互换和维修。35）有利于机械化。自动化生产，能节约原材料和提高生产率，降低电子产品的成本。6）提供集成电路元件IC等各种电子元器件的固定、组装和机械支撑的载体。7）为实现电路功能而提供了各种电子元器件之间的电器连接和电气绝缘，提供所要求的电气特性。8）为自动焊接提供了焊盘和阻焊图形。为元器件安装（包括插装及表面贴装）、检查、测试、维修提供识别字符和图形。9）为大功率器件提供了良好的散热通道。大大改善了电子产品整机的外观和性能。2、PCB的分类及结构对印制电路板而言，对其的分类有多种方法，目前按习惯一般有四种分类方式，即以用途分类，以基板材料分类，以结构分类和以导电层数分类。（1）按照用途分类的分类1）通信；2）耗用性电子；3）军用；4）计算机；5）半导体；6）电测板（2）按照印制电路板的基材性质进行分类1）有机材质：酚醛树脂、玻璃纤维/环氧树脂、Polyimide（聚酰亚胺）、BT/Epoxy；2）无机材质：铝、钢、陶瓷等；主要取其散热功能。（3）按照印制电路板的结构分类1）刚性印制电路板2)挠性电路板3)刚挠结合印制电路板。（4）按照印制电路板的导电层数分类1)单面板：元器件集中在其中一面，导线则集中在另一面上。相对而言，单面板在设计方面存在很多限制(因为只有一面，布线间不能交叉而必须绕独自的路径)，在处理复杂电路时往往力不从心，现在已经很少使用了，除非电路确实十分简单。2)双面板：这种电路板的两面都有布线。不过要用上两面的导线，必须要在两面间有适当的电路连接才行。这种电路间的「桥梁」叫做导孔(via)。导孔是在PCB上，充满或涂上金属的小洞，它可以与两面的导线相连接。因为双面板的面积比单面板大了一倍，而且因为布线可以互相交错(可以绕到另一面)，它更适合用在比单面板更复杂的电路上。3)多层板：为了增加可以布线的面积，多层板用上了更多单或双面的布线板。（5）PCB的结构组成印制电路板的分类方式还以很多，但是许多都具有相同之处，和交叉的地方，例如，按结构分类的印制电路板之中又可以分为单面板，双面板和多层板。但是无论怎么分，PCB的结构组成主要有：1）元器件：包括各种有源、无源元件，和提供电源、信号连接的接插件。这些元器件包括插装件和片式元件。42）基板材料：在导电层之间提供绝缘性和电路支撑的刚、挠性材料。3）金属导线：连接PCB上各元器件的引脚，完成电、信号连接。4）通孔：提供插装元件的安装位置，或者的连接双面板、多层板之间电源、信号层的镀铜的过孔，或者是提供定位的定位孔。5）敷铜：在PCB的某个区域内填充铜箔，改善性能，如散热性。6）焊盘：用于提供固定元器件和提供电信号通道的铜箔。7）阻焊膜：覆盖在印制电路上的不需要裸露的区域，提高印制电路的焊接性。8）标志层：一般为白色的丝印字符图案，标志了元件标号和标称值，元件轮廓，厂家标志，生产日期等，以方便电路安装和维修3、PCB的制作工艺流程设计（1）目前PCB的制造工艺非常多，有加成法和减成法等，但是基本原理是一致的：1）加成法：钻孔→成像→增粘处理（负相）→化学镀铜→去除抗蚀剂。2）半加成法：层压板钻孔后用化学镀铜工艺使孔壁和板面沉积一层薄金属膜，然后负相图形转移，进行图形电镀加厚，去掉抗蚀膜后进行快速刻蚀，非图形部分的铜层迅速被刻蚀掉，留下图形部分。（钻孔→催化处理和增粘处理→化学镀铜→成像（电镀抗蚀剂）→图形电镀铜（负相）→去除抗蚀剂→差分刻蚀）。3）减成发：先用光化学法或丝网印刷法或电镀法在覆铜箔的铜表面上，将一定的电路图形转移上去，这些图形由一定的抗蚀材料所组成，然后再用化学腐蚀的方法，将不必要的部分刻蚀掉。（2）现代印制电路板的一般制作工艺流程如下：1）单面板：由于单面板只有一层布线，电路图形也比较简单，因此一般采用“丝网漏印”技术。在单面覆金属箔板上印刷“正相图形”，然后进行腐蚀，去掉未被印料保护的金属箔部分，留下部分即为所需要的电路图形。单面印制板工艺流程：单面覆铜板→下料→(刷洗、干燥)→钻孔或冲孔→网印线路抗蚀刻图形或使用干膜→固化检查修板→蚀刻铜→去抗蚀印料、干燥→刷洗、干燥→网印阻焊图形(常用绿油)、固化→网印字符标记图形、固化→预热、冲孔及外形→电气开、短路测试→刷洗、干燥→预涂助焊防氧化剂(干燥)以喷锡热风整乎→检验包装→成品出厂。2）双面板：双面板是现在使用最多的PCB板，满足了一般的消费电子产品的要求。生产双面印制电路板的方法按其特点分类大约分为工艺导线法、堵孔法、掩蔽法和图形电镀－蚀刻法四大类。双面印制板工艺流程：贯通孔金属化法制造多层板工艺流程→内层覆铜板双面开料→刷洗→钻定位孔→贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂→曝光→显影→独到与去膜→内层粗化、去氧化→内层检查→(外层单面覆铜板线路制作、B—阶粕结片、板材粘结片检查、钻定位孔)→层压→数控制钻孔→孔检查→孔前处理与化学镀铜→全板镀薄铜→镀层检查→贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂→面层底板曝光→显影、修板→线路图形电镀→5电镀锡铅合金或镍/金镀→去膜与蚀刻→检查→网印阻焊图形或光致阻焊图形→印制字符图形→〔热风整个或有机保焊膜)→数控洗外形→清洗、干燥→电气通断检测→成品检查→包装出厂。3）多层板：制造多层印制电路板，首先采用掩蔽法制出双面板和全板电镀铜加厚，在将蚀刻后的双面板层叠起来，板与板之间用粘合剂将它们相互粘合在一起，之后再进行钻孔和孔金属化、图形转移，这以后与双面板图形电镀－蚀刻工艺基本相同。多层印制板工艺流程：双面覆铜板→下料→叠板→数控钻导通孔→检验、去毛刺刷洗→化学镀(导通孔金属化)→(全板电镀薄铜)→检验刷洗→网印负性电路图形、固化(干膜或湿膜、曝光、显影)→检验、修板→线路图形电镀→电镀锡(抗蚀镍监)→去印料(感光膜)→蚀刻铜→(退锡)→清洁刷洗→网印阻焊图形常用热固化绿油(贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感光热同化绿油)→清洗、干燥→网印标记字符图形、固化→(喷锡或有机保焊膜)→外形加工→清洗、干燥→电气通断检测→检验包装→成品出厂。4、PCB的设计要点（1）焊接方式与PCB整体设计PCB的设计一般都是依据原理图进行设计的，根据原理图中所选用的元器件和封装模式进行设计，采用何种PCB类型（如单面板或者是双面板），然后根据组装的方式选择焊接形式，根据所选择元件的类型和引脚间距的大小来选择采用波峰焊还是再流焊。一般来说，再流焊适用于所有的元件焊接。而波峰焊工艺则只适用于插装元件，矩形片式元件，圆柱型元件，和引脚数较少、引脚间距较大的IC（引脚数少于28，间距小于1mm以上）。从可制造性设计方面考虑则要考虑采用何种组装方式。1）单面混装：（先贴法）来料检测→组装开始→B面涂粘接剂→贴SMC→粘接剂固化→翻板→A面插THC→波峰焊→清洗→最终检测。（后贴法）来料检测→组装开始→A面插THC→翻板→B面涂粘接剂→贴SMC→粘接剂固化→翻板→波峰焊接→清洗最→终检测2）双面混装：（SMD和THC同侧）来料检测→组装开始→PCB的A面涂敷焊膏→贴SMD→焊膏烘干、粘接剂固化→再流焊接→（溶剂清洗→）THC插装→波峰焊接→清洗→最终检测。（SMD和THC分别在A、B面）来料检测→组装开始→PCB的A面涂敷焊膏→