良好的设计才能产出精品

我从事电子产品组装生产十多年了，由于身在北京的一家专门从事代工的企业，接触到的各种类型的电路板很多，400多家公司的数千种产品。十多年下来，感触最深的就是绝大多数电路板的设计水平实在一般，我所指的是工艺设计水平，也就是DFM。这么多年，感觉就是华为出来的工程师，设计电路板时，考虑工艺比较多，设计的电路板不论从布局、工艺性，还是美观上都做得比较好，生产出的产品质量也较高。但大多数设计人员，只重视功能，不重视工艺，生产过程中出现各种各样不应该发生的问题，最后调试出现问题，又都归罪于生产，其实很多问题是设计造成的。

这些年也接触过一些国外的产品，印象比较深的是西门子一个工业控器的电路板，元件布局整齐，焊盘设计科学，焊接完后的产品从外观上就给人感觉可以使用几十年不会有问题。反观我们国内的大部分产品，元件随便摆布，字符乱写，根本不了解生产过程的设计者大有人在。
电子产品在这十多年中，发生了很大的变化，生产工艺也有了很大的进步和变化，我真心希望电子设计工程师除了电子技术本身，还能深入了解和学习电子产品各环节的生产工艺，提高产品的工艺性，设计出真正的佳品。

第一部分、首先，提一下元器件的布局问题。

最基本的问题是PCB的四边要留出一定的空间，除了必要的接插件以外，不能把贴片元件布放到板边上。就象小学开始写作文一样，老师会告诉小学生，写字要四边留白，不能够顶天顶地写字。可在生产过程中，我见过太多的不良设计，PCB板的四边上都有元件，尤其是贴片元件，要知道现在是机械化自动化的生产线，PCB板是要在生产线上传输的，在传送方向上，PCB的边缘必须要有一定的空间，才能在机器中完成传输、固定位置、贴片焊接等工作。如果PCB四边都有元件，没有留出足够的空间，就必须有些元件在自动化生产中无法贴装，必须后续进行手工焊接，既浪费工时，又影响产品的质量。

说了这么多，就是希望设计者能养成一个好习惯，在布局之初，就设计一个“禁放区”，就像一张纸，沿长边折两下，每边的宽度为4-5mm，就是说，在这个4-5mm的范围内，不要布放贴片元件。为什么要沿长边，是因为长边一般会做为PCB在生产设计中传送时的传输、固定的工艺边，如果用短边的话，会由于传送不稳定造成一些问题。如果由于结构的原因，必须在板边放置一些贴片元件，如FPC插座等，只能是在PCB外面再加两个工艺边，工艺边的宽度也是4-5mm，然后做V型槽，便于生产后将工艺边切下来。

以上是单面贴装工艺的要求，如果是双面贴装或混装工艺（有贴装还有插装）的话，背面的工艺边要求宽度为7mm左右，原因是在生产中先贴装焊接的是背面，在翻过来贴装正面的时候，由于设备的原因，在背面可能会有一些支撑作用的部件，支撑点在距离板边5-6mm的位置，如果这个范围内有元件，可能会影响设备的支撑。

元器件布局之MARK点设计

接下来，说一下关于MARK点的问题。

我想好多人可能不理解为什么要在PCB上设置MARK。这得从贴片机的原理说起，现在生产线使用的都是全自动贴片机，相当于智能化机器人，把元器件从料带中拿出来，再放到PCB指定的焊盘上。但是，再智能的机器离开人的智慧，也是废铁。人是怎么控制贴片机呢？是通过贴片程序，贴片程序当中包括PCB的外形尺寸、MARK点的坐标、元器件的坐标和角度，元器件的名称，元器件的外形等数据。在这其中，MARK点的坐标起着关键的作用，一般情况下，要求每个PCB板要有至少两个MARK点，通过这两个MARK点坐标，可以换算出PCB的原点坐标，然后机器人才能依据这个原点坐标将一个个元器件准确无误地放到指定位置。

机器又是如何知道MARK点的位置呢？我们在设置程序时，会设定PCB在机器里的大概位置，然后安装在机器里的摄相机会到指定区域去读取MARK点，读到之后会精确计算MARK点在机器里的坐标数据，然后再转换PCB的数据。因此，MARK点的图像读取的清晰和准确对于贴片精度的影响是非常重要的。

设置MARK有几项要求：

第一是位置，两个或三个MARK都可以，如果板面尺寸比较大，可以设三个。MARK点的相互距离要尽量远，一般设置在PCB的两个对角。但是，MARK点不能离板边太近，防止机器中的压板遮挡，离板边最少应该5mm。MARK点尽量放在一个相对空的位置，比较容易识别。

第二是形状和尺寸，MARK点其实就是一个空焊盘，推荐的尺寸是圆形，实心圆，直径1-1.5mm。尺寸不要太大，有人喜欢做个3mm的MARK，以为大了看得清楚，其实不然，机器的摄相机的视野是很小的，尺寸太大就可能照不全，影响定位精度。尺寸太小了也不好，太小了容易在生产PCB时，造成MARK点表面不平整。MRAK点周围最好有一个无阻焊膜的保护区，环宽1mm，这样对比度比较强，容易识别清楚。

如果是双面贴装板，一定要在两面都设MARK点，有人比较粗心，在一面设了，另一面没有，结果没法生产。

还有就是有人喜欢在附加的工艺边上设置MARK点，而PCB板上没有。这一点有时让人挺无耐，在工艺边上设置的MARK点经常会因边离板太近，被机器的压板遮挡了而无法识别，造成生产困难。在生产线上被这种问题困扰的时候，真是又窝火又无耐。记得从前在研究所做机械设计时，一个同事在一个机械上多设计了一个螺钉，结果安装完后发现，有个部件因为这个螺钉而不能运动了，当时领导为了这个事，组织开现场会，我那个同事丢人丢到家了。

所以我希望电子设计者也能认识到这些小问题的重要性。

元器件布局之布局原则

前面两部分内容提到的工艺边和MARK点都是直接跟生产相关的内容，与PCB的功能一点关系都没有，正因如此，才会有不少人忽略这些问题。但是，正是这些问题，在生产中造成了很大的麻烦，可能会增加生产工序（无法自动化生产改手工），加大成本，质量水平下降等等。

因此，我希望看到这篇文件的设计师都能将工艺边和MARK点做为基本规范，在以后的设计中首先考虑。

接下来，说下具体的元器件布局。我不是学电子设计的，不懂电路，所提的这些内容都是从生产工艺的角度出发，如果有不合适的地方，请大家指出，互相学习。

首先，元器件的布局要考虑整体PCB的生产工艺要求。如果是单面板，元件都在一面的，这是比较简单的一种；双面板，又分为几种：双面贴装板（两面都是贴片器件），双面混装板-1（两面都有贴片器件，其中正面还有插装器件），双面混装板-2（两面都有贴片器件，两面都有插装器件）。

双面混装板-1是最常见的类型，我们就以这种类型的PCB板简单介绍一下生产流程：首先是背面的贴片元件进行SMT贴装和焊接，然后是正面的贴片元件进行SMT贴装和焊接，最后是进行插装元件的焊接（可以采用波峰焊接或手工焊接）。

由于要进行两次SMT贴装和焊接，所以在元件布局的时候就要考虑两面的元件要分类，基本原则就是小的器件放在背面，大的器件和重的器件放在正面。这主要是考虑到二次贴装和焊接时，第一次焊接的元器件要再次经受加热，如果太大太重可能会掉下来。当然现在的生产设备越来越先进，可以控制回流焊炉上下温区采用不同的温度，但是毕竟是在一块PCB上焊接，还是要尽量避免这些问题。一般情况下，背面主要放置一些电阻、电容、小尺寸的SOP等IC，我的建议是超过48PIN的IC 就不要放在背面，QFP和BGA基本上要放在正面。

这里提一下BGA，由于BGA焊接对于温度的要求更高一些，所以尽量避免双面焊接BGA，当然有时候是必须这样设计（例如内存芯片），那就要工艺上采取精确的控制。

提到BGA，就多说点，BGA贴装和焊接其实没什么难题（会者不难），关键是之后的检验和维修比较麻烦，因为焊点在封装下面，从外面看不到，所以无法用目视方法检查焊点，目前生产中有条件的工厂都是X光进行测试，但是如果有不良品，维修就更麻烦，只能拆下来。这里就提出了一个问题，设计PCB时要给BGA留出一定的维修空间，因为维修都是用专用的维修工作站进行，拆焊BGA有专用的热风嘴，需要BGA器件周围有一个空间，这个空间一般4-5mm，也就是说，在BGA周围4-5mm的空间里不能放器件。

前面提到的BGA需要有维修空间。还有一类器件，也有类似要求，就是压接件。在压接件周围5mm不允许有插件及高于3mm的贴片元件，3mm范围内不允许有任何器件。

元器件布局之波峰焊工艺布局原则

波峰焊工艺是使用了几十年的电子装配工艺，由于目前大部分电子产品当中还是要用到各种类型的接插件、电解电容、继电器等等直插类的器件，所以在生产当中，波峰焊仍然占据了重要的地位。但是，由于波峰焊工艺较之回流焊工艺要复杂，工艺控制的难度也大，因此波峰焊的不良率明显要比回流焊工艺高许多，甚至是高一两个数量级。

波峰焊由于不同的焊接特点，对设计也提出了特殊的要求。由于一般情况下，波峰焊接面都是PCB的背面，我们一般称为BOTTOM面。

采用波峰焊工艺时，有以下一些原则：

1、BOTTOM面不能排布QFP、PLCC、BGA、QFN、SOT-89、穿心电容、阻排等不宜过波峰的器件。

2、BOTTOM面不能有引脚间距小于1.27mm的SOIC及0603以下的（0603也不推荐）片式元件。

3、BOTTOM面片式元件轴向应与传送方向垂直，SOIC元件轴向应与传送方向一致。

4、BOTTOM面高度不一致的器件，要尽量避免高度大的器件在过波峰时挡住高度小的器件，器件与器件之间的最小距离为前一器件高度的1.2-1.5倍，否则会引起阴影效应。

波峰焊由于与回流焊不同，元件的焊盘设计也应有所区别，有关波峰焊工艺的焊盘设计，在后面讲到焊盘设计的内容时会详细说明。

元器件布局之热设计原则

热设计在电路设计中的应用上是很重要的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加，而在元件体形上不断缩小，造成单位体积内的热量不断提高，会造成元器件的性能发生变化。另一原因是SMT的元件和组装结构，对因尺寸变化引起的应力的消除或分散能力不佳，造成对热变化引起的问题特别严重。常见的故障是经过一定时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度)，焊点发生断裂的现象。

发热是不可避免的，所以散热就成了必须要考虑的问题，关于这方面的内容由于本人的经验有限，只能提一些基本原则：

1、在自然对流的条件下，元器件与元器件之间，元器件与结构件之间，必须保持一定的距离，以利于空气流动，增加对流换热的效果。

2、在空气流动的方向上，对热较敏感的元件应分布在‘上游’的位置。不耐热的元件（如电解电容器）尽可能放在靠近进风口的位置，本身发热而又耐热的元件（如电阻，变压器等）放在靠近出风口的位置。

在风冷条件下，电解电容等温度敏感器件离热源距离要求大于或等 2.5mm；自然冷条件下，电解电容等温度敏感器件离热源距离要求大于或等于 4.0mm。

3、发热较高的元件分散开来，使单位面积的热量较小。
4、将热源尽量靠近冷却面(如传导散热的板边等等)
在使用强制空气对流的情况下：
5、较高的元件应分布在热源的下游地方。
6、下游的高元件应和热源有一定的距离。
7、高而且长外形的元件应和空气流动方向平行。

元器件焊盘设计

PCB的元器件焊盘设计是一个重点，最终产品的质量都在于焊点的质量。因此，焊盘设计是否科学合理，至关重要。

对于同一个元件，凡是对称使用的焊盘（如片状电阻、电容、SOIC、QFP等），设计时应严格保持其全面的对称性，即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致。以保证焊料熔融时，作用于元器件上所有焊点的表面张力（也称为润湿力）能保持平衡（即其合力为零），以利于形成理想的焊点。

以下分类讲一下不同类型元器件的焊盘设计要求：

一、片式（Chip）元件焊盘设计应掌握以下关键要素

对称性：两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡；对于小尺寸的元件0603、0402、0201等，两端融焊锡表面张力的不平衡，很容易引起元件形成“立碑”的缺陷。

焊盘间距：确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸；

焊盘剩余尺寸：搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面；

焊盘宽度：应与元件端头或引脚的宽度基本一致。

A ：焊盘宽度

B ：焊盘长度

G ：焊盘间距

S ：焊盘剩余尺寸

在实际生产中，最常见到0402元件焊盘设计不合理，造成缺陷比较多，在这里，给大家一个0402元件的优选焊盘设计方案，这个方案在生产实际中效果比较好，缺陷率极低。

0402优选焊盘各项参数及焊盘图形：

A=0.7-0.71

B=0.38

G=0.52

S=0.14

焊盘的两端可以设计成半园形，焊接后的焊点比较饱满。

二、SOP及QFP设计原则：

1、焊盘中心距等于引脚中心距；

2、单个引脚焊盘设计的一般原则

Y=T+b1+b2=1.5~2mm （b1=0.3～1.0mm b2=0.3～0.7mm）

X=1~1.2W

3、相对两排焊盘内侧距离按下式计算（单位mm）

G=F-K

式中：G—两排焊盘之间距离，

F—元器件壳体封装尺寸，

K—系数，一般取0.25mm，

SOP包括QFP的焊盘设计中，需要注意的就是上面第2条中的b1和b2两个参数。良好的焊点可以看下面的图，在这个图里，前面称为的焊点的脚趾，后面称为焊点的脚跟，一个合格的焊点，必须包含这两部分，缺一不可，而且焊点的强度也是靠这两个部位来保证的，尤其是脚跟部位。在一些设计不良的案例中，或者是b2太短，或者b1太短，导致的结果就是无法形成合格的焊点。

三、BGA的焊盘设计原则

1、PCB上的每个焊盘的中心与BGA底部相对应的焊球中心相吻合；

2、PCB焊盘图形为实心圆，导通孔不能加工在焊盘上；

3、与焊盘连接的导线宽度要一致，一般为0.15mm~0.2mm；

4、阻焊尺寸比焊盘尺寸大0.1mm~0.15mm；

5、焊盘附近的导通孔在金属化后，必须用阻焊剂进行堵塞，高度不得超过焊盘高度；

6、在BGA器件外廓四角加工丝网图形，丝网图形的线宽为0.2mm~0.25mm。

BGA器件的焊盘形状为圆形，通常PBGA焊盘直径应比焊球直径小20%。焊盘旁边的通孔，在制板时须做好阻焊，以防引起焊料流失造成短路或虚焊。BGA焊盘间距应按公制设计，由于元件手册会给出公制和英制两种尺寸标注，实际上元件是按公制生产的，按英制设计焊盘会造成安装偏差。

上面提到的PBGA是塑封体，有铅PBGA的焊球的材料为63Sn37Pb，与有铅焊料的成份是一致的，在焊接过程中与焊料同时融化，形成焊点。无铅PBGA的焊球是SAC307或SAC305，与常用的无铅焊料的成份也比较接近，在焊接中也会融化，形成焊点。

但是还有一种BGA，封装体是陶瓷，称为CBGA，CBGA的焊球是高温焊料，其熔点远远高于常见的焊料，在焊接中，CBGA的焊球是不融化的，因此，CBGA的焊盘设计与PBGA的焊盘设计是不一样的。

具体设计参数可参考下图：

四、焊盘的热隔离

SMD器件的引脚与大面积筒箔连接时，要进行热隔离处理，否则会由于元件两端热量不均衡，造成焊接缺陷。

五、再流焊工艺导通孔的设置

1、一般导通孔直径不小于0.75mm；

2、除SOIC、QFP、PLCC 等器件外，不能在其它元器件下面打导通孔；

3、导通孔不能设计在焊接面上片式元件的两个焊盘中间的位置；

4、更不允许直接将导通孔作为BGA器件的焊盘来用；

5、导通孔和焊盘之间应有一段涂有阻焊膜的细连线相连，细连线的长度应大于0.5mm；宽度大于0.4mm。

要绝对避免在表面安装焊盘以内设置导通孔，在距表面安装焊盘0.635mm以内设置导通孔，应该通过一小段导线连接，并用阻焊剂将焊料流失通道阻断，否则容易引起“立片”或“焊料不足”等缺陷。

六、插装元器件焊盘设计

1、孔距为5.08mm或以上的，焊盘直径不得小于3mm；

2、孔距为2.54mm的，焊盘直径最小不应小于1.7mm；

3、电路板上连接220V电压的焊盘间距，最小不应小于3mm；

4、流过电流超过0.5A（含0.5A）的焊盘直径应大于等于4mm；

5、焊盘以尽可能大一点为好，对于一般焊点，其焊盘直径最小不得小于2mm。

插装元器件焊盘孔径设计

采用波峰焊接工艺时，元件插孔孔径，一般比其引脚线径大0.1 mm- 0.3mm为宜，其焊盘的直径应大于孔径的3倍。电阻、二极管的安装孔距应设计为标准系列7.5mm、10mm、12.5mm、15mm，电解电容的安装孔距应与元件引脚距一致，三极管的安装孔距应为2.54mm。

七、采用波峰焊工艺时，贴片元件的焊盘设计

采用波峰焊焊接片式元件时，应注意“阴影效应(缺焊)、‘桥接’(短路)”的发生，对于CHIP元件，应将元件的轴向方向垂直于PCB的传送方向，小的元件应在大的元件前面，间距应大于2.5mm；

采用波峰焊工艺时焊盘设计的几个要点

1、高密度布线时应采用椭圆焊盘图形，以减少连焊；

2、为了减小阴影效应提高焊接质量，波峰焊的焊盘图形设计时对于SOT、钽电容，延伸元件体外的焊盘长度，在长度方向应比正常设计的焊盘向外扩展0.3mm；

3、对于SOP，为防止桥接，对SOP最外侧的两对焊盘加宽，以吸附多余的焊锡；或设置工艺焊盘（也称为盗锡焊盘）。工艺焊盘是个空焊盘，作用就是吸收多余的焊锡，它的位置是在沿传送方向的最后一个焊盘的后面。

八、丝印字符的设计

1、一般情况需要在丝印层标出元器件的丝印图形，丝印图形包括丝印符号、元器件位号、极性和IC的第一脚标志，高密度窄间距时可采用简化符号，特殊情况可省去元器件的位号；

2、有极性的元器件，应按照实际安装位置标出极性以及安装方向；

3、对两边或四周引出脚的集成电路，要用符号（如：小方块、小圆圈、小圆点）标出第1号管脚的位置，符号大小要和实物成比例；

4、BGA器件最好用阿拉伯数字和英文字母以矩阵的方式标出第一脚的位置；

5、对连接器类元件，要标出安装方向、1号脚的位置。

6、以上所有标记应在元件安装框外，以免焊接后遮盖，不便于检查。

7、丝印字符应清晰，大小一致，方向尽量整齐，便于查找；

8、字符中的线、符号等不得压住焊盘，以免造成焊接不良。

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