通孔插裝PCB板的設計分析

在電子產品設計中，可制造性設計是生產工藝質量的保證，并有助于提高生產效率，產品的可制造性設計(Design For Manufacture，簡稱DFM)是一個必須要考慮的因素。目前通孔插裝技術(Through Hole Technology，簡稱THT)仍然在使用，DFM在提高通孔插裝制造的效率和可靠性方面可以起到很大作用，DFM方法能有助于通孔插裝制造商降低缺陷并保持競爭力。本文將就通孔插裝PCB設計時需考慮的一些制造工藝性問題進行闡述，給設計人員提供一個參考。
　　1、排版與布局
　　在設計階段排版得當可避免很多制造過程中的麻煩。
　　(1)用大的板子可以節約材料，但由于翹曲和重量原因它在生產中運輸會比較困難，它需要用特殊的夾具進行固定，因此應盡量避免使用大于23×30cm的板面。最好是將所有板子的尺寸控制在兩三種之內，這樣有助于在產品更換時縮短調整導軌、重新擺放條形碼閱讀器位置等所導致的停機時間，而且板面尺寸種類少還可以減少波峰焊溫度曲線的數量。
　　(2)在一個板子里包含不同種拼板是一個不錯的設計方法，但只有那些最終做到一個產品里并具有相同生產上藝要求的板才能這樣設計。
　　(3)在板子的周圍應提供一些邊框，尤其在板邊緣有元件時，大多數自動裝配設備要求板邊至少要預留5mm的區域。
　　(4)盡量在板子的頂面(元件面)進行布線，線路板底面(焊接面)容易受到損壞。不要在靠近板子邊緣的地方布線，因為生產過程中都是通過板邊進行抓持，邊上的線路會被波峰焊設備的卡爪或邊框傳送器損壞。
　　(5)對于具有較高引腳數的器件如接線座或扁平電纜，應使用橢圓形焊盤而不是圓形以防止波峰焊時出現錫橋(圖1)。
　　(6)盡可能使定位孔間距及其與元件之間的距離大一些，并根據插裝設備對其尺寸進行標準化和優化處理；不要對定位孑L做電鍍，因為電鍍孔的直徑很難控制。
　　(7)盡量使定位孔也作為PCB在最終產品中的安裝孔使用，這樣可減少制作時的鉆孔工序。
　　(8)可在板子的廢邊上安排測試電路圖樣以便進行工藝控制，在制造過程中可使用該圖樣監測表面絕緣阻抗、清潔度及可焊性等等。
　　(9)對于較大的板子，應在中心留出一條通路以便過波峰焊時在中心位置對線路板進行支撐，防止板子下垂和焊錫濺射，有助于板面焊接一致。
　　(10)在排版設計時應考慮針床可測性問題，可以用平面焊盤(無引線)以便在線測試時與引腳的連接更好，使所有電路節點均可測試。
　　2、元件的定位與安放
　　(1)按照一個柵格圖樣位置以行和列的形式安排元件，所有軸向元件應相互平行，這樣軸向插裝機在插裝時就不需要旋轉PCB，因為不必要的轉動和移動會大幅降低插裝機的速度。像圖2上這些45度角元件實際上無法由機器插入。
　　(2)相似的元件在板面上應以相同的方式排放。例如使所有徑向電容的負極朝向板件的右面，使所有雙列直插封裝(DIP)的缺口標記面向同一方向等等，這樣可以加快插裝的速度并更易于發現錯誤。如圖3所示，由于A板采用了這種方法，所以能很容易地找到反向電容器，而B板查找則需要用較多時間。實際上一個公司可以對其制造的所有線路板元件方向進行標準化處理，某些板子的布局可能不一定允許這樣做，但這應該是一個努力的方向。
　　(3)將雙列直插封裝器件、連接器及其他高引腳數元件的排列方向與過波峰焊的方向重直，這樣可以減少元件引腳之間的錫橋。
　　(4)充分利用絲印在板面上作記號，例如畫一個框用于貼條形碼，印亡一個箭頭表示板子過波峰焊的方向，用虛線描出底面元件輪廓(這樣板子只需進行一次絲印即可)等等。
　　(5)畫出元件參考符(CRD)以及極性指示，并在元件插入后仍然可見，這在檢查和故障排除時很有幫助，并且也是一個很好的維護性工作。
　　(6)元件離板邊緣應至少有1．5mm(最好為3mm)的距離，這將使線路板更加易于進行傳送和波峰焊接，且對外圍元件的損壞更小。
　　(7)元件高出板面距離需超過2mm時(如發光二極管、大功率電阻器等)，其下面應加墊片。如果沒有墊片，這些元件在傳送時會被“壓扁”，并且在使用中容易受到震動和沖擊的影響。
　　(8)避免在PCB兩面均安放元件，因為這會大幅度增加裝配的人工和時間。如果元件必須放在底面，則應使其物理上盡量靠近以便一次完成防焊膠帶的遮蔽與剝離操作。
　　(9)盡量使元件均勻地分布在PCB上，以降低翹曲并有助于使其在過波峰焊時熱量分布均勻。
　　3、機器插裝
　　(1)所有板上元件的焊盤都應該是標準的，應使用業界標準的間隔距離。
　　(2)選用的元件應適用于機器插裝，要牢記自己工廠內的設備的條件與規格，事先考慮好元件的封裝形式以便能更好地與機器配合。對于異型元件來講，封裝可能是一個較大的問題。 (3)如果可能，徑向元件盡量用其軸向型，因為軸向元件的插裝成本比較低，如果空間非常寶貴，也可以優先選用徑向件。
　　(4)如果板面上僅有少量的軸向元件，則應將它們全部轉換為徑向型，反之亦然，這樣可完全省掉一種插裝工序。
　　(5)布置板面時應從最小電氣間隔的角度考慮引腳折彎方向和自動插裝機部件所到達的范圍，同時還要確保引腳折彎方向不會導致出現錫橋。
　　4、導線與連接器
　　(1)不要將導線或電纜線直接接到PCB上，而應使用連接器。如果導線一定要直接焊到板子上，則導線末端要用一個導線對板子的端子進行端接。從線路板連出的導線應集中于板子的某個區域，這樣可以將它們套在一起避免影響其他元件。
　　(2)使用不同顏色的導線以防止裝配過程中出現錯誤，各公司可采用自己的一套顏色方案，如所有產品數據線的高位用藍色表示而低位用黃色表示等。
　　(3)連接器應有較大焊盤以提供更好的機械連接，高引腳數連接器的引線應有倒角以便能更容易地插入。
　　(4)避免使用雙列直插式封裝插座，它除了延長組裝時間外，這種額外的機械連接還會降低長期使用可靠性，只有因為維護的原因需要DIP現場更換時才使用插座。如今DIP的質量已取得長足的進步，無需經常更換。
　　(5)應在板面上刻出辨別方向的標記，防止安裝連接器時出現錯誤。連接器焊點處是機械應力較為集中的地方，因此建議使用一些夾持工具，例如鍵和卡扣。
　　5、整機系統
　　(1)應在設計印制電路板前選好元器件，這樣可以實現最佳布局并且有助于實施本文中所闡述的DFM原則。
　　(2)避免用一些需要機器壓力的零部件，如導線別針、鉚釘等，除了安裝速度慢以外，這些部件還可能損壞線路板，而且它們的維護性也很低。
　　(3)采用下面的方法，盡量減少板上使用元件的種類：用排電阻代替單個電阻；用一個六針連接器取代兩個三針連接器；如果兩個元件的值很相似，但公差不同，則兩個位置均使用公差較低的那一個；使用相同的螺釘固定板上各種散熱器。
　　(4)最好設計成可在現場進行配置的通用板。例如裝一個開關將國內使用的板改為出口型號，或使用跳線將一種型號轉變為另一種型號。
　　6、常規要求
　　(1)當對線路板做敷形涂層時，不需要涂層的部分應在工程設計時在圖上標注出來，設計時應考慮涂層對線間電容的影響。
　　(2)對于通孔來說，為了保證焊接效果最佳，引腳與孔徑的縫隙應在0．25mm到0．70mm之間。較大的孔徑對機器插裝有利，而想要得到好的毛細效果則要求有較小的孔徑，因此需要在這兩者之間取得一個平衡。 (3)應選用根據工業標準進行過預處理的元件。元件準備是生產過程中效率最低的部分之一，除了增添額外的工序(相應帶來了靜電損壞風險并使交貨期延長)，它還增加了出錯的機會。
　　(4)應對購買的大多數手工插裝元件定出規格，使線路板焊接面上的引線伸出長度不超過1．5mm，這樣可減少元件準備和引腳修整的工作量，而且板子也能更好地通過波峰焊設備。
　　(5)避免使用卡扣安裝較小的座架和散熱器，因為這樣速度很慢且需要工具，應盡量使用套管、塑料快接鉚釘、雙面熱帶或者利用焊點進行機械連接。
　　本文介紹一些和通孔插裝有關的DFM方法，這些原則從本質上來講具有普遍性，但不一定在任何情況下都適用，不過對于與通孔插裝技術打交道的PCB設計人員和工程師來說還是有一定的幫助。