SMT基礎與工藝項目教程

印制電路板的設計是以電路原理圖為根據，實現電路設計者所需要的功能。印刷電路板的設計主要指版圖設計，需要考慮外部連接的布局。內部電子元件的優化布局、金屬連線和通孔的優化布局、電磁保護、熱耗散等各種因素。優秀的版圖設計可以節約生產成本，達到良好的電路性能和散熱性能。簡單的版圖設計可以用手工實現，復雜的版圖設計需要借助電子設計自動化(EDA)實現。項目2印制電路板PCB設計任務2.1單片機電路PCB設計

印制電路板PCB設計是電子產品生產的基礎性條件。PCB設計合理，才能為生產出合格的電子產品奠定基礎，因此PCB設計是SMT生產前端非常重要的環節。通過本任務的學習，旨在讓學者了解PCB文件的建立、掌握原理圖文件導入PCB的方法、PCB布線基本流程以及PCB板優化和審核，同時通過該項目實施，強化對于EDA工具的使用。相關知識

電子設計自動化（ElectronicDesignAutomation,EDA），指利用計算機輔助設計（ComputerAidedDesign,CAD）軟件，來完成超大規模集成電路（VeryLargeScaleIntegration,VLSI）芯片的功能設計、綜合、驗證、物理設計（包括布局、布線、版圖、設計規則檢查等）等流程的設計方式。2.1.1計算機輔助設計EDA相關知識

目前具有廣泛影響的EDA軟件是系統設計輔助類軟件和可編程芯片輔助設計軟件。2.1.1計算機輔助設計EDA1.Protel2.AltiumDesigner3.Cadence4.Kicad5.OrCAD6.MATLAB7.EWB8.嘉立創EDA2.1.2電路設計流程相關知識1.需求分析2.原理設計3.參數設定4.電路仿真5.PCB布局設計6.PCB布線設計7.電路板制造8.電路調試和測試9.產品驗證10.文檔編寫和備案2.1.3PCB布局相關知識1.一般布局2.元器件排列方向

（1）再流焊接

（2）波峰焊接2.1.2電路設計流程相關知識3.元器件的間距設計1）兩個相鄰導線之間的最小電氣間隙為0.25mm。2）兩個相鄰焊盤之間的最小電氣間隙為0.25mm。3）兩個相鄰貼片元件之間的最小電氣間隙為0.25mm。4）兩個相鄰插件元件之間的最小電氣間隙為1.0mm。2.1.2電路設計流程相關知識4.PCB外形設計和拼板設計外形:

一般為矩形，長寬比為3:2或4:3,厚度一般在0.5~2mm。為方便加工，單板板角或工藝邊應為R型倒角，一般圓角直徑為Φ5，小板可適當調整。定位孔:大小為4±0.1mm，為了定位迅速，其中一個孔可以設計成橢圓形狀。PCB拼板內的每塊小板至少要有三個定位孔。當單板尺寸小于100mm×70mm的PCB應進行拼板。2.1.2電路設計流程相關知識4.PCB外形設計和拼板設計2.1.2電路設計流程相關知識4.PCB外形設計和拼板設計2.1.2電路設計流程相關知識5.PCB拼板相關名詞

（1）MARK點MARK點，也就是光學基準點。SMT廠貼片機進行貼裝元件時，是需要對每個元件進行定位，它是以MARK點為基準點定位PCB板內的貼片元件。2.1.2電路設計流程相關知識5.PCB拼板相關名詞

（2）工藝邊

工藝邊也稱夾持邊。工藝邊就是在PCB兩邊各留出5mm，在這5mm以內不能有任何貼片元件，這是為了回流焊生產用的。2.1.2電路設計流程相關知識5.PCB拼板相關名詞

（3）拼板的連接方式1）V-CUT連接2.1.2電路設計流程相關知識5.PCB拼板相關名詞

（3）拼板的連接方式2）空心加連接邊的形式2.1.4PCB布線設計相關知識1.布線主要原則（略）2.布線工藝要求（略）2.1.5絲印和鋪銅相關知識PCB布線優化完成之后，就可以鋪銅了(Place->polygonPlane)。鋪銅一般鋪地線（注意模擬地和數字地的分離），多層板時還可能需要鋪電源。對于絲印，要注意不能被器件擋住或被過孔和焊盤去掉。同時，設計時正視元件面，底層的字應做鏡像處理，以免混淆層面。2.1.6DRC檢查和結構檢查相關知識首先，在確定電路原理圖設計無誤的前提下，將所生成的PCB網絡文件與原理圖網絡文件進行物理連接關系的網絡檢查（NETCHECK)，并根據輸出文件結果及時對設計進行修正，以保證布線連接關系的正確性；網絡檢查正確通過后，對PCB設計進行設計規則檢查(Designruleschecking,DRC)檢查，并根據輸出文件結果及時對設計進行修正，以保證PCB布線的電氣性能。最后需進一步對PCB的機械安裝結構進行檢查和確定。2.1.7審核與檢查相關知識1.電源、地線的處理2.數字電路與模擬電路的共地處理3.信號線布在電（地）層上4.大面積導體中連接腿的處理5、布線中網絡系統的作用6.注意事項(1)檢查尺寸(2)檢查有極性的元器件封裝。(3)檢查絲印(4)檢查器件布局(5)檢查線徑(6)檢查走線任務實施1.實訓目的及要求1）熟悉PCB設計流程；2）了解PCB設計注意事項；3）掌握PCB板設計流程；

4）完成單片機PCB設計任務2.實訓器材3.

設計要求

使用AltiumDesigner或者其他EDA軟件繪制如圖所示電路原理圖的單片機電路雙面板PCB設計。任務實施4.知識儲備任務實施Altium

Designer

20集成了相當強大的開發管理環境，能夠有效地對設計的各項文件進行分類及層次管理。關于該軟件的使用這里不再贅述，讀者可查閱相關文件進行自學。菜單欄工作面板繪制工作區層顯示繪圖工具欄4.知識儲備任務實施

（1）PCB文件建立任務實施4.知識儲備(2)原理圖導入為了限定元器件布局和布線的范圍，用禁止布線區來實現。任務實施4.知識儲備(2)原理圖導入①為了限定元器件布局和布線的范圍，用禁止布線區來實現。②PCB文件建立之后，需要把編譯好的原理圖導入到PCB文件中任務實施4.知識儲備(2)原理圖導入③如果在PCB里面更改了封裝，同步到原理圖就執行工程變更命令。任務實施4.知識儲備

（3）網表對比導入1）在工程目錄下單擊鼠標右鍵，執行“添加已有文檔到工程”命令，把需要對比導入的網表添加到工程中任務實施4.知識儲備

（3）網表對比導入2）選中加入工程的網表，右鍵選擇執行“顯示差異”命令，如圖所示，進入網表對比窗口任務實施4.知識儲備

（3）網表對比導入3）出現對比結果反饋窗口，把網表和PCB對比的相關所有結果準備導入進PCB。任務實施4.知識儲備

（3）網表對比導入4)執行左下角的“創建工程變更單”命令，進入和直接導入法一樣的導入執行窗口任務實施4.知識儲備

（3）網表對比導入4)導入效果圖如圖所示。任務實施4.知識儲備(4)PCB布局

完成元器件庫調入之后，可以通過移動Room把所有元器件一次性移動到禁止布線區里面，當然有些器件可能超出禁止布線區域，需要我們手動把器件拖動到區域內，也可以直接刪除Room，初步調整如圖所示。任務實施4.知識儲備(4)PCB布局

根據原理圖的功能，按照就近原則把器件進行調整重新布局，如圖所示。任務實施4.知識儲備(4)PCB布局

布局的細節調整，使用元器件排列調整K1、K2、K3、K4。任務實施4.知識儲備

調整元器件編號和外框之后，如圖所示，調整元器件標注信息，使其不在元器件圖形、焊盤、過孔下面。(4)PCB布局任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線

項目設定PCB雙面布線，接地導線寬度為50mil，電源導線寬度為45mil，其它導線寬度為8mil，電氣間距為8mil。1）調用規則界面2）設置一般線寬3）設置電源、接地導線的寬度4）設置布線寬度優先級5）線間距電氣規則設置6）按布線規則設置進行自動布線7）手動修改布線任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線1）調用規則界面執行菜單命令“設計（Design）”/規則（Rules），將彈出一個對話框，左側顯示設計規則類型，本項目用到的是Electrical(電氣類型)和Routing(布線)設計規則，右側顯示對應設計規則的具體屬性界面。任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線2）設置一般線寬任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線3）設置電源、接地導線的寬度項目規定，電源和地線寬度分別為45mil、50mil。任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線4）設置布線寬度優先級任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線5）線間距電氣規則設置

不同導線之間、焊盤之間、導線與焊盤之間要保持適當的距離，以免造成短路。系統默認為10mil(1mil-0.0254mm)。任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線6）按布線規則設置進行自動布線

執行菜單命令“布線（Route）自動布線”/（Auto

Route）/All系統將彈出布線策略對話框，選用默認的雙面板選項，單擊Route

All按鈕，即可自動布線。沒有完成的布線需要進行手動修改。布線結果提示任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線7）手動修改布線

對于一些需要特殊考慮的電氣性能，自動布線不能很好地解決，在這些情況下，可以在自動布線情況下進行手動修改，或者進行全部手動布線。

層顯示控制

任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線7）手動修改布線

導線重疊，走線冗余

檢查PCB布線情況，發現存在導線重疊，走線冗余問題，存在繞行直角問題，如圖所示。

直角走線任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線7）手動修改布線

冗余走線的修改

任務實施4.知識儲備

（5）PCB自動布線

最終布線效果圖

任務實施5.實訓結果及數據1）熟悉PCB設計流程；2）熟悉PCB設計注意事項；3）掌握PCB設計流程及設置要求；

4）能按要求完成單片機PCB設計任務。任務2.2PCB電路板設計檢測任務描述PCB電路板的制造也是中國集成電路發展中重要的一環。本任務主要涉及到采用常州奧施特信息科技有限公司所設計的虛擬仿真軟件。通過虛擬仿真檢查和驗證PCB電路板設計中存在的問題，提前加以修改和完善，使讀者達到了解和熟悉PCB可制造性設計DFM設計知識、PCB設計檢測(含PCB仿真、裸板檢測、可裝配性檢測、可焊接性檢測)等學習目標。相關知識2.2.1可制造性設計DFM概念可制造性設計DFM（DesignForManufacture）就是從產品開發設計時起，就考慮到可制造性和可測試性，使設計和制造之間緊密聯系，實現從設計到制造一次成功的目的。DFM具有縮短開發周期、降低成本、提高產品質量等優點，是企業產品取得成功的途徑。相關知識2.2.1可制造性設計DFM概念1.現代設計DFX系列

作為一種科學的方法，DFX將不同團隊的資源組織在一起，共同參與產品的設計和制造過程。通過發揮團隊的共同作用，實現縮短產品開發周期，提高產品質量、可靠性和客戶滿意度，最終縮短從概念到客戶手中的整個時間周期。PCB可制造性常用專業術語英文專業術語中文釋義DFM:DesignforManufacturing可制造性設計DFT:DesignforTest可測試性設計DFD:DesignforDiagnosibility可分析性設計DFA:DesignforAssembly可裝配性設計DFE:DesibnforEnviroment環保設計DFF:DesignforFabricationofthePCB可加工性設計DFS:DesignforSourcing物流設計DFR:DesignforReliability可靠性設計2.2.1可制造性設計DFM概念2.提高PCB設計質量的DFM措施1）首先管理層要重視DFM，認識DFM的必要性，編制本企業DFM規范文件。2）要求設計人員了解一些SMT工藝，熟悉可制造性設計（DFM）規范，自覺考慮組裝、測試、檢驗、返修等整個產品制造成本和工藝流程，選擇標準元器件和標準工藝，減少制具、工具的復雜性和成本。3）形成專門的DFM團隊4）在設計階段，工藝一開始就要介入5）建立假想分析模型6）通過反饋步驟來證實所有DFM的內容對生產的影響，起到的作用。7）制訂審核制度（可利用DFM工具和軟件）2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題1.焊盤結構尺寸不正確焊盤間距過大或過小焊盤尺寸大小不對稱兩個元件的端頭在同一個焊盤上2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題2.通孔設計不正確導通孔設計在焊盤上，焊料會從導通孔中流出，會造成焊膏量不足。2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題3.阻焊和絲網不規范

阻焊和絲網加工在焊盤上，其原因：一是設計；二是PCB制造加工精度差造成的。其結果造成虛焊或電氣斷路。2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題4.元器件布局不合理

沒有按照波峰焊要求設計，波峰焊時造成陰影效應；沒有按照再流焊要求設計，再流焊時造成溫度不均勻。2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題5.PCB外形設計不正確1）基準標志(Mark)做在大地的網格上，或Mark圖形周圍有阻焊膜，由于圖像不一致與反光造成不認Mark、頻繁停機。2）導軌傳輸時，由于PCB外形異形、PCB尺寸過大、過小、或由于PCB定位孔不標準，造成無法上板，無法實施機器貼片操作。3）在定位孔和夾持邊附近布放了元器件，只能采用人工補貼。4）拼板槽和缺口附近的元器件布放不正確，裁板時造成損壞元器件。2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題5.PCB外形設計不正確5）PCB厚度與長度、寬度尺寸比不合適造成貼裝及再流焊時變形，容易造成焊接缺陷，還容易損壞元器件。特別是焊接BGA時容易造成虛焊，如圖所示。

焊接BGA時容易造成虛焊6）PCB外形不規則、PCB尺寸太小、沒有加工拼板造成不能上機器貼裝等等。2.2.2SMT印制電路板設計中的常見問題6.BGA的常見設計問題

焊盤尺寸不規范，過大或過小；通孔設計在焊盤上，通孔沒有做埋孔處理；焊盤與導線的連接不規范；沒有設計阻焊或阻焊不規范。

A面再流焊，B面波峰焊工藝時，BGA的導通孔應設計盲孔7.元器件和元器件的包裝選擇不合適沒有按照貼裝機供料器配置選購元器件和元器件的包裝，造成無法用貼裝機貼裝。2.2.3熱設計和抗干擾EMC設計1.熱設計

熱處理在SMT的應用上是很重要的學問。原因之一是SMT技術在組裝密度上不斷增加，而在元件體形上不斷縮小，造成單位體積內的熱量不斷提高。另一原因是SMT的元件和組裝結構，對因尺寸變化引起的應力的消除或分散能力不佳。常見的故障是經過一定時間的熱循環后(環境溫度和內部電功率溫度)，焊點發生斷裂的現象。2.2.3熱設計和抗干擾EMC設計1.熱設計

（1）熱處理考慮的問題

一是半導體本身界面的溫度，另一是焊點界面的溫度。在分析熱性能的時候，有兩大注意方面。一是溫度的變化幅度和速率，另一是處在高低溫度下的時間。前者關系到和溫差有關的故障，如熱應力斷裂等。后者關系到和時間長短有關的故障，如蠕變之類。產品在其壽命期間，尤其是在組裝過程受到的熱沖擊(來自焊接和老化)，如果處理不當，將會大大的影響其質量和壽命。除了制造上的熱沖擊，產品在服務期間也會經歷程度不一的熱沖擊，比如汽車電子在冷天氣下啟動而升溫等等。2.2.3熱設計和抗干擾EMC設計1.熱設計

（2）散熱處理和熱平衡設計1）熱較敏感的元件、較高的元件、以及上下游元件的分布規則2）高熱器件應考慮放于出風口或利于對流的位置。散熱器的放置應考慮利于對流。3）對于自身溫升高于30℃的熱源的要求4）大面積銅箔要求用隔熱帶與焊盤相連5）為了避免器件過回流焊后出現偏位、立碑現象，回流焊的0805以及0805以下片式元件兩端焊盤應保證散熱對稱性，焊盤與印制導線的連接部寬度不應大于0.3mm。2.2.3熱設計和抗干擾EMC設計2.抗干擾能力

沒有按照EMC（電磁兼容）規格設計的電子設備，很可能會散發出電磁能量，并且干擾附近的電器。EMC對電磁干擾（EMI），電磁場（EMF）和射頻干擾（RFI）等都有最大限制的規定，目的就是要防止電磁能量進入或由裝置散發出。（1）電源線設計（2）地線設計（3）退耦電容配置（4）反射干擾2.2.4可測試設計DFT1.什么是可測試性?

可測試性的意義為測試工程師可以用盡可能簡單的方法來檢測某種元件的特性，看它能否滿足預期的功能。簡單地講就是檢測產品是否符合技術規范的方法簡單化到什么程度？編制測試程序能快到什么程度？發現產品故障全面化到什么程度？在可制造性和可測試性之間應明確區別，因為這是完全不同的概念，從而構成不同的前提。2.2.4可測試設計DFT2.在線測試設計一般原則（1）測試點的選擇1）測試點均勻分布于整個電子產品的裝配印制板（PrintedBoard

Assembly，PBA）板上。2）器件的引出管腳，測試焊盤，連接器的引出腳孔均可作為測試點，貼片元件最好采用測試焊盤作為測試點，如圖所示。2.2.4可測試設計DFT2.在線測試設計一般原則（1）測試點的選擇3）布線時對每一條網絡線上測試點的要求4）對電源和地應測試點要求5）測試點的添加時，附加線應該盡量短，見圖所示2.2.4可測試設計DFT2.在線測試設計一般原則（1）測試點的選擇6）測試焊盤表面與焊盤相同的表面處理，測試孔設置與再流焊導通孔要求相同。7）盡力采用一面測試，避免兩面用針床測試。2.2.4可測試設計DFT2.在線測試設計一般原則（2）測試點要求1）導通孔的測試要求、探針測試的焊盤直徑、面積、焊盤直徑的要求2）測試點不能選擇在元器件的焊點上，金手指不作為測試點，以免造成損壞。3）測試針周圍的間隙，由裝配工藝決定，最小間隙要求4）在PCB有探針的一面，零件高度不超過5.7mm，若超過5.7mm，測試工裝必須讓位，避開高元件，所以焊盤必須遠離高元件5mm。5）套牢孔，呈對角線配置，定位精度為±0.05mm，直徑精度為±0.076mm，相對于測試點的定位精度為±0.05mm，離開元件邊緣距離至少為3mm。平臺頁面2.2.5仿真課程平臺技術參數2.2.5仿真課程平臺章節

技術參數和功能

PCB設計PCB設計課件，視頻

，作業

PCB設計檢測工程1.PCB設計檢測：文件提取：AD（Protel軟件）；靜態3D仿真：PCB基板（正反面）、鉆孔、貼片器件；

物理加密算法參數檢測：通孔Via、焊盤Pin、線段Track；可裝配性檢測：PCB尺寸、Mark標號、工藝邊、定位孔、機插間距；可焊接性檢測：再流焊/波峰焊元器件排列檢測、SMT焊盤寬度設計檢測；可視化檢測：可3D可視化顯示PCB上具體錯誤位置和類型

微電子SMT組裝技術

SMT組裝工藝實驗1.BGA電腦工藝流程設計和仿真：根據組裝類型，下拉選擇工藝流程每個工序，選擇工藝流程的每道工序的設備；3D仿真顯示所設計的工藝流程.實驗2.QFP家電工藝流程設計和仿真：根據組裝類型，下拉選擇工藝流程每個工序，選擇工藝流程的每道工序的設備；3D仿真顯示所設計的工藝流程.實驗3.BGA/QFP工控工藝流程設計和仿真：根據組裝類型，下拉選擇工藝流程每個工序，選擇工藝流程的每道工序的設備；3D仿真顯示所設計的工藝流程.實驗4.BGA/QFN汽車電子工藝流程設計和仿真：根據組裝類型，下拉選擇工藝流程每個工序，選擇工藝流程的每道工序的設備；3D仿真顯示所設計的工藝流程.工程2.BGA電腦工藝參數設計

微電子組裝工藝實驗5.FC智能卡工藝流程設計和仿真實驗6PoP手機組裝工藝流程設計實驗7.MCM軍工組裝工藝流程設計和仿真

SMT組裝設備和工廠

SMT組裝設備工程3.絲印機CAM程式編程和VR操作工程4.點膠機CAM程式編程和VR操作工程5.貼片機PCB正反面CAM程式編程，并進行設備交互式VR操作.工程6.回流焊PCB正反面CAM程式編程和溫度曲線仿真,并進行設備交互式VR操作.

SMT組裝工廠工程7.QFP家電組裝VR工廠：在虛擬VR制造工廠中，按照電子產品類型的工藝流程，漫游找到每步工序的設備，完成生產模擬運行；查看每個工序的設備加工完成前后產品的結構變化，模擬產品生產真實過程.工程8.QFP家電生產準備工程9.QFP家電故障處理工程10.FC智能卡組裝VR工廠工程11.BGA電腦組裝VR工廠工程12.BGA/QFP工控組裝VR工廠工程13.BGA/QFN汽車電子組裝VR工廠工程14.PoP手機組裝VR工廠工程15.MCM軍工組裝VR工廠

質量控制和維修

SMT質量控制工程16.生產故障VR處理：針對每個生產故障（缺焊膏、網板塞孔、貼片缺料、貼裝飛件等）的原因，正確選擇相應處理方法；再在虛擬工廠中漫游到相應設備并撞擊，查看所選方法的對應動畫工程17.產品質量VR控制：針對每個產品質量（元件移位、橋接、虛焊、立碑、焊料球）缺陷的原因，正確選擇相應處理方法；再在虛擬工廠中漫游到相應設備并撞擊，查看所選方法的對應動畫

SMT設備維修工程18.絲印機維修維護：針對每個設備故障的原因，正確選擇相應處理方法；再在虛擬工廠中漫游到相應設備并撞擊相應故障的部位，查看所選方法的對應動畫或圖片工程19.貼片機設備維修維護：針對每個設備故障的原因，正確選擇相應處理方法；再在虛擬工廠中漫游到相應設備并撞擊相應故障的部位，查看所選方法的對應動畫或圖片工程20.點膠機設備維修維護：針對每個設備故障的原因，正確選擇相應處理方法；再在虛擬工廠中漫游到相應設備并撞擊相應故障的部位，查看所選方法的對應動畫或圖片工程21.回流爐設備維修維護：針對每個設備故障的原因，正確選擇相應處理方法；再在虛擬工廠中漫游到相應設備并撞擊相應故障的部位，查看所選方法的對應動畫或圖片

考評和教師系統課程大綱學生可查詢課程大綱。課程考試出題基于課程大鋼選擇出題，