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PCB设计应注意问题

前言

  在几年与印刷电路板客户的合作过程中,我们发现由于印刷电路板设计工程师对印刷电路板的加工工艺不甚了解、对光绘机的处理原则不甚了解、和其他的一些疏忽的原因,使印刷电路板加工厂不能完全正确地理解印刷电路板设计工程师的意图,从而造成双方理解上的不一致而造成加工出来的印刷电路板出现一些问题。

  下面是在这几年印刷电路板加工过程中遇到的一些常见现象,现将其总结归纳如下,供各位参考,不妥之处请见谅。

  我们希望与众多的印刷电路板设计师们经常保持联系,以便使我们能对众位印刷电路板设计师的设计有更准确的理解,从而使大家的合作更愉快,尽量避免差错的出现。

1、技术能力指标:

最小孔径:指加工工艺能够制作出的最小的成品孔孔径。此孔径是由数控钻机的类型(激光、机械)、转速、铜箔厚度、沉铜和电镀线的搅拌方式等因素所决定的。

最小线宽:指加工工艺在保证误差要求时能够制作出的最小的线条宽度。此线宽是由图形转移和蚀刻线的方式、铜箔厚度决定的。

最小环宽:指加工工艺在保证误差要求时能够制作出的最小的焊盘环宽。此环宽是由图形转移和蚀刻线的方式、底片的变形、电镀的厚度、铜箔厚度等因素决定的。

最小间距:指加工工艺在保证误差要求时能够制作出的最小的线线间距、线环间距。此间距是由图形转移和蚀刻线的方式、铜箔厚度等因素决定的。

板厚孔径比:指加工工艺在保证孔金属化厚度的情况下能够制作出的最小的成品孔孔径与板厚的比例。板厚孔径比是由数控钻机的类型(激光、机械)、转速、沉铜和电镀线的搅拌方式、图形转移和蚀刻线的方式、底片的变形、电镀的厚度、铜箔厚度等因素决定的。

2、在PCB设计中通常发生的一些问题总结

A、外型问题:
⑴、多成型层:最好只在一个层上来表示外型(mech1、keep out)。否则由于定义的二异性容易影起错误。
⑵、内角圆弧:因采用铣成型,故内角均产生一个圆弧(通常R1.2MM),所以要避免产生设计是内直角。
⑶、线边距离:图形到边应有0.5mm的最小距离。这是为了避免成型时造成边缘露铜,从而在调试使用时由于某些不小心造成短路从而对产品造成损害。
⑷、边框线宽:成型层线框的线应尽量窄,通常成型以线中心计算。否则对于机加工外型尺寸较严的容易造成超差。
⑸、外型公差:通常情况下,未注明公差的为自由公差±0.1mm,如要求负公差时请用文字说明,亦可用将外型尺寸缩小0.2mm(8mil)方式来表示。

B、孔表示问题:
⑴、金属化孔和非金属化孔:
①、金属化孔一般有焊盘,且焊盘直径比孔径大。
②、非金属孔可理解为焊盘环宽为零的孔,故用孔径和焊盘等大来表示非金属化孔。
⑵、避免使用单面孔。它将导致多层板的电源和地短路。因为单面焊盘将不会在电源层及地层自动产生隔离环从而使电源层和地层通过此孔而直接导通(短路)。
⑶、长方形孔的表示:可以用连孔来表示。也可以在机加工层用一长方形孔来表示。最好采用前者;如用后者应该加上书面文字说明。
⑷、阻焊淹没孔的表示方法:将孔(焊盘)参数的SOLD MASK设为负值。但对于孔径大于或等于16mil的孔,孔内可能不能完全淹没。
⑸、孔径公差:±0.1mm,如要求正公差可将孔径放大0.1mm或用文字说明。
⑹、贴片焊盘:必须设计成单面焊盘且孔径为零,如设计成MUTILAY将造成在背面不需要的地方也产生了同样的焊盘。

C、焊盘的设计
⑴、焊盘直径比孔直径至少要大10mil
因为钻孔孔径要比成品孔径大0.10mm(4mil)(孔电镀及吹锡所产生的金属厚度)左右,加上最小标准环1mil,同时考虑到钻孔对位精度、底片对位精度、底片变形等因数消耗±2mil,共需10mil。
⑵、大面积铅锡的表示:用孔径为“0”的单面焊盘来表示。或者用FILL填充后用阻焊开窗来表示。
注意孔径必须为0,否则将导致内层地和电源层短路,因为单面焊盘将不会在电源层及地层自动产生隔离环从而使电源层和地层通过此孔而直接导通。
⑶、电源和地层避让环:越大越好。
①、金属化孔与内层线路的避让环:最小环宽4mil。因为孔金属厚度为4mil,必须保证至少4mil的实际避让环宽(两边相加8mil)、加上层压的定位误差及钻孔定位误差以及内层底片及外层底片的变形。

       
②、非金属化孔与内层线路的避让环:最小环宽2mil。只比“三、3、⑶、①、”少孔金属厚度为2mil。
③、非金属化孔与外层线路的避让环:最小环宽4mil。
⑷、阻焊环(SOLD MASK):2mil
否则可能出现阻焊上焊盘。如要阻焊上焊盘以防止装焊时出现不应有的短路,则将阻焊环(SOLD MASK)设为负值,如BGA下的过孔焊盘。

D、间距
⑴、内层线路与沉铜孔之最小间距要求为:4mil。见下图

⑵、外层线宽间距为2mil,内层线与线,线与焊盘之间最小间距为3mil.
⑶、外层线路中,SMT,BGA与线之间最小间距为5mil.
⑷、SMT Pitch(Min):16mil,要保证贴片脚间距8mil.否则容易短路。

5、特征阻抗
    特征阻抗一般指线对地的特征阻抗,它跟以下参数有关:

W:要计算特征阻抗的线条的上宽。
W1:要计算特征阻抗的线条的底宽。
T:要计算特征阻抗的线条的厚度。
H:要计算特征阻抗的线条与地的层间距。
Fr:要计算特征阻抗的线条与地之间的介质层的介电常数。

因此,一般控制特征阻抗时,同一层间线的特征阻抗应为同一值,且线宽应该一致;如要有不同的特征阻抗时,实际上只有一个参数W(W1)可以调整用以得到不同的特征阻抗,因此,必须留有足够的线间距来调整线宽,使之能得到需要的特征阻抗。

 

3、其他方面常发生的一些问题

A、关于设计平台的问题
  通常时应保证在何种平台上设计的,就以何种平台的文件提供给加工厂家,因为如果在高版本上设计的PCB文件被存成低版本文件时将会使原来在高版本上定义好的属性在低版本上失去。比如:
  在PROTEL 99SE 上设计的PCB文件如果定义了过孔对地或电源层的导通属性,在被存为PROTEL 98文件时,以PROTEL 98打开此文件将不再显示此属性,在光绘时也将不再有此属性,虽然在PROTEL 99SE上打开时还会显示出这些属性,但文件中所显示的版本号已是PROTEL 98。故通常时会以PROTEL 98去打开它,从而将造成批量报废。
  同样如果以前在较低版本上设计的PCB文件,如果设计者不慎以特别高的版本打开并进行了修改或没有进行修改而进行了存盘或复制时将会对原来的一些属性进行了错误的翻译,从而将造成批量报废。

B、关于字符
  字符也应该有宽度,有些设计师不慎将D-CODE设计为零,这时在光绘底片上将不会出现此字符,因为字符笔画的宽度为零。通常情况下,字符的宽度应为4mil-8mil可保证字符清晰。

C、关于铜厚与线宽及间距
  对于铜箔厚度来说,铜箔越厚,要求设计时的线宽间距越大,这是因为铜箔越厚,要求蚀刻的时间越长,造成的侧腐蚀越厉害,越不容易蚀刻干净,如果18um铜箔可以作到6mil的线及间距,那么铜厚35um铜箔可能要求最小线宽及间距为7mil。

D、关于板厚孔径比
  印刷电路板越厚,金属化孔在孔金属化过程中药水越不容易渗透,孔金属化的越容易产生缺陷。因此才有了此参数来描述此关系。比如一个厂家的加工能力为最大板厚孔径比12:1(即3mm板厚最小成品孔径应为0.25mm)。所以最小孔径设计应同时满足最大板厚孔径比及最小钻刀刀径的双重要求。

E、关于重孔
  在设计过程中应尽量避免重孔的出现,因为虽然有些重孔在原理上是无害的,但在加工过程中有可能造成钻刀断刀(这是对那种属性定义完全相同的重孔而言的);但对于属性定义不完全相同的重孔来说,有可能造成由于属性的叠加而使孔属性完全改变的情况(比如两个等大的重孔焊盘不够大[见前面的隔离环描述],其中一个与内层相连而另一个不相连,由于自动产生的隔离环大于焊盘,所以孔与中间层将不会相连)。

F、关于异型焊盘
  在设计封装器件时,常常需要将1号管脚用非圆形焊盘表示出来(比如长方形、正方形、椭圆形、六角形、八角形等),建议采用长方形、正方形、椭圆形焊盘,不要使用六角形、八角形焊盘等焊盘,因为有些软件不能识别这些焊盘类型,将导致在资料转换时这些焊盘及孔转换不出来从而造成批量报废。
同样如果您自定义了一些内容在库文件中,那么也有可能出现一些问题,因此如果可能请让供应商知道。

G、关于资料档案及版本问题
  如果您加工了某个品种某个版本的板子,如果可能请用专门的目录保存下来,并标注上初次加工日期等信息,如在调试过程中发现问题请在此文件上进行修改并修改版本号,这样可避免不能找到正确的版本进行修改从而产生一些不必要的差错。