微电子制造综合课程设计报告

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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一、设计内容与要求二、设计目的意义三、PCB设计四、焊盘设计五、模板设计六、工艺分析与设计七、工艺实践方法与步骤八、课程设计总结九、参考文献十、附录一、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PROTEL制作印刷电路板，包括设计电路

2、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。设计参数如下：表1 设计参数表元器件数量元器件数量要求080510120610连线总长不小于500mm；至少有2种不同的线宽；过孔不少于20个。SOP232SOIC2PLCC442FQFP484DIP142通孔插装电阻5DIP84通孔插装电容52、设计要求：（1）掌握印制电路板计算机辅助设计软件，包括： 掌握电路原理图与印制电路版图分析对比，提高识图能力； 掌握电路原理图与印制电路版图的特点、规律及识图方法； 掌握印

3、制电路板计算机辅助设计软件PROTEL的应用； 依据制定的电路原理图，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： DFM原理与基本应用、设计原则以及相应的考核表； 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； 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： 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； 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

4、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： 掌握贴片参数的设置与选取，贴片机的操作与编程； 掌握引线键合的设置与选取，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： 设计目的、元器件布局方案的选取、PCB布线设计说明等； 绘制电路原理图、PCB板图等； 编写SMT工艺文件清单； 编写元器件清单。二、设计目的意义本综合设计内容主要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，

5、应用计算机进行辅助设计撰写完整的技术报告的能力；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设计到的内容与基本要求；（2）掌握应用广泛的EDA软件，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的设计；（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。通过电子工程设计与制造综合设计，初步掌握DFM的原理与基本应用、设计基本原

6、则以及相应的考核表。初步掌握印制电路板的计算机辅助设计软件，基本熟悉焊盘设计标准（IPC-SM-782文件）、焊盘设计的基本原理与设计过程，基本熟悉模板设计标准（IPC-7525文件），掌握模板设计的基本原理与方法。初步掌握SMT工艺设计及其工艺文件的编写，包括SMT工艺设计的原理与方法，对已知的电路原理图进行SMT工艺设计，掌握SMT工艺文件的编写要点和过程，初步掌握SMT典型工艺的操作技能与实施过程。通过电子工程设计与制造综合设计，培养一定的自学能力和分析问题、解决问题的能力，独立完成工作任务的能力，为今后开展科学研究工作打下一定的基础，包括学会自己分析、找出解决问题的方法，对设计中的遇到

7、的问题，能独立思考、查阅资料，寻找答案，能按照国际标准、行业标准、企业标准进行设计与编写有关文件，能对设计结果进行分析和正确的评价。通过电子工程设计与制造综合设计，培养自己树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结合作精神。三、PCB设计1、PCB的作用与构成（1）PCB的作用印制电路板PCB是附着于绝缘基材表面，用于连接电子元器件的导电图形。它对电路的电性能、热性能强度和可靠性都起着重要的作用。通常，电子设计在原理设计完成后，需要设计一块PCB来完成原理设计中的电气连接，并将各种元器件焊接在PCB上，经调试后，完成原理图上功能。可以说PC

8、B是电子设计的最终结果。其作用有： 提供集成电路中各种电子元器件的固定、装备的机械支撑； 实现集成电路中各种电子元器件之间的布线和电器连接或者电绝缘，提供所要求的电器特性； 为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修等提供识别字符和图形。（2）PCB的结构组成元器件：完成电路功能的各种元器件，各元器件都包含若干引脚，电信号通过引引脚入元件内部，以完成相应的功能，引脚还有固定的功能，PCB上的元器件包括集成电路芯片、分立元件、提供PCB输入输出端口和供电端口的连接器，某些PCB上还有用于指示的元器件。铜箔：铜箔在PCB上表现为导线、焊盘、过孔和敷铜，其作用如下： 导线：连接PCB上各元器件

9、的引脚，完成各元器件之间的电信号连接； 过孔：连接各层线路，各层连通导线交汇处的公共孔就是过孔，工艺上，过孔孔壁常用化学沉积的方法渡上一层金属，以连通各层铜箔，过孔的上下两面做成焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，多层板中，某些导线上会出现过孔； 焊盘：在PCB上某个区域填充铜箔称为敷铜，敷铜可以改善电路性能，一般双层板上下两面都有铜箔； 敷铜：在PCB上某个区域填充铜箔称为敷铜，敷铜可以改善电路性能，一般双层板在上下两面都有铜箔； 丝印层：PCB的顶层，用绝缘材料制成，铜箔层上的丝印层可以保护铜箔，在丝印层上，通常印刷所需要的标志图案和文字代号等，例如，元件标号和标称值、元件轮廓形状和厂家

10、标志、生产日期等，以方便电路安装和维修； 印制材料：在铜箔层之间采用的绝缘材料，印制材料将支撑整个PCB，主要有无机材料和有机材料两类，无机材料主要指陶瓷，有机材料中最常用的是环氧玻璃纤维。2、PCB设计（1）焊接方式与PCB整体设计一般，再流焊工艺适于所有片式元件的焊接，波峰焊工艺则只适于矩形片式元件，圆柱形器件、SOT和较小的SOP（管脚数小于28、脚间距1mm以上）。从生产的可操作性考虑，PCB整体设计应尽量按以下顺序优化： 单面混装在PCB单面布放贴片元件或插装元件； 两面贴装在PCB单面或两面均布放贴片元件； 双面混装PCB的A面布放贴装/插装元件，B面布放适于波峰焊的贴片元件。（2

11、）PCB基板的选用对PCB基板的性能要求主要有： 铜箔粘合强度：由于表面贴装元器件的焊区较小，因此要求基板的与铜箔具有良好的粘合强度，一般应达到1.5kg/cm以上； 外观：基板外观应光滑平整，不可有翘曲、高低不平、表面裂纹、锈斑等； 热膨胀系数：表面贴装元器件的组装形态会由于基板受热后的胀缩应力对元器件产生影响，热膨胀系数不同时会由于应力很大而造成元器件接合部电极的剥离，降低产品可靠性，一般元器件尺寸大于3.21.6mm时，就必须注意这个问题； 耐热性：由于基板将经过数次焊接，故要求基板耐焊接热要达到260C,10秒； 导热系数：集成电路工作时的热量主要通过基板扩散，在电路密集，发热量最大时

12、，基板必须具有高的导热系数； 弯曲强度：贴装后，由于元器件的质量和外力，会使基板扰曲，这将给元器件和接合点增加应力，使元器件产生微裂，因此要求基板的抗弯强度要达到25kg/cm以上； 电性能：由于电路传输速度的高速比，要求基板的介电常数，介电正切要小，同时随着布线密度的提高，基板的绝缘性能要达到规定要求，基板在清洗剂中浸渍5分钟，表面不产生任何不良，并具有良好的冲裁性，基板的保存性与SMD的保管条件相同；（3）PCB外形设计 PCB厚度：一般PCB厚度取0.5-4mm，推荐采用1.6-2mm； 定位孔：为了PCB的准确定位，需要设置一对大小约为5+0.1mm的定位孔，为了定位迅速，其中一个孔可

13、以设计成椭圆形状，在定位孔周围1mm范围内不能有元器件。 工艺夹持边：在组装以及插件波峰焊过程中，PCB应留出5cm左右的夹持边，以便于设备夹持，在此范围内不允许布放元器件和焊盘； PCB缺槽：PCB一些边缘区域不能有缺槽，以免PCB定位或传感器检测时出现错误，具体位置因设备不同而有所变化； PCB翘曲度：PCB翘曲度应小于0.0075mm/mm，其中上翘曲0.5mm，下翘曲1.2mm。 拼板设计：对PCB的拼版格式一般有以下几点要求：l 拼板尺寸应适中，以制造、装配和测试中便于加工，不产生较大的变形为宜；l 拼板的工艺夹持边和安装工艺孔应由PCB的制造和安装工艺确定；l 每块拼板上应设计基准

14、标志，让机器将每块拼板当作单板看待；l 拼板可采用邮票版或双面对刻V形槽的分离技术，用邮票版时，搭边应均匀分布于每块拼板的四周，以避免焊接时印制板受力不均而导致变形，在采用双面对刻的V形槽时，V形槽深度应控制再板厚的1/61/8左右；l 采用波峰焊的双面PCB，可选择双数拼板正反两面各半，两面图形用相同的排列方法可以提高设备利用率，节约生产准备费用和时间。3、元器件布局设计元器件布局应满足SMT生产工艺的要求，工艺设计所引起的质量的问题是比较难以克服的。因此，PCB设计人员应了解基本的SMT工艺特点，根据不同的工艺要求进行元器件布局，正确的设计可以将焊接缺陷降至最低，元器件布局设计主要考虑：

15、布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。 遵照“先大后小，先难后易”布置原则，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。 相同结构电路部分，尽可能采用“对称式”标准布局，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。 发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，

16、除温度检测元件以外的温度敏感器件应远离发热量大的元器件。 元器件的排列要便于调试和维修，亦即小元件周围不能放置大元件、需调试的元器件周围要有足够的空间。 需用波峰焊工艺生产的单板，其紧固件安装孔和定位孔都应为非金属化孔。当安装孔需要接地时, 应采用分布接地小孔的方式与地平面连接。 焊接面的贴装元件采用波峰焊接生产工艺时，阻、容件轴向要与波峰焊传送方向垂直， 阻排及SOP（PIN间距大于等于1.27mm）元器件轴向与传送方向平行；PIN间距小于1.27mm（50mil)的IC、SOJ、PLCC、QFP等有源元件避免用波峰焊焊接。 BGA与相邻元件的距离5mm。其它贴片元件相互间的距离0.7mm；

17、贴装元件焊盘的外侧与相邻插装元件的外侧距离大于2mm；有压接件的PCB，压接的接插件周围5mm内不能有插装元、器件，在焊接面其周围5mm内也不能有贴装元、器件。 用于阻抗匹配目的阻容器件的布局，要根据其属性合理布置。 串联匹配电阻的布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。 匹配电阻、电容的布局一定要分清信号的源端与终端，对于多负载的终端匹配一定要在信号的最远端匹配。 IC去偶电容的布局要尽量靠近IC的电源管脚，并使之与电源和地之间形成的回路最短。 元件布局时,应适当考虑用同一种电源的器件尽量放在一起, 以便于将来的电源分隔。 布局完成后打印出装配图供原理图设计者检查器件封装的正确

18、性，并且确认单板、背板和接插件的信号对应关系，经确认无误后方可开始布线。 排列元器件方向时应尽量做到：所有无源元件要相互平行，所有SOIC要垂直于无源元件的长轴；无源的长轴方向要垂直于PCB的传送方向。 贵重的器件不要布防在PCB边缘或靠近接插件、安装孔、槽、拼板的切割、豁口和拐角等处，以上这些位置都是印制板的高应力区，容易造成元器件和焊点的开裂和裂纹。波峰焊时，有极性的表面贴装元器件都应以相同的方向放置。4、布线设计（1）散热器正面下方无走线（或已作绝缘处理）为了保证电气绝缘性，散热器下方周围应无走线（考虑到散热器安装的偏位及安规距离），若需要在散热器下布线，则应采取绝缘措施使散热器与走线绝

19、缘，或确认走线与散热器是同等电位。（2）印制板距板边距离：V-CUT 边大于0.75mm，铣槽边大于0.3mm。为了保证PCB 加工时不出现露铜的缺陷，要求所有的走线及铜箔距离板边：VCUT 边大于0.75mm，铣槽边大于0.3mm（铜箔离板边的距离还应满足安装要求）。（3）线宽和线间距的设置主要考虑的因素 ： 单板的密度。板的密度越高，倾向于使用更细的线宽和更窄的间隙。 信号的电流强度。当信号的平均电流较大时，应考虑布线宽度所能承载的的电流，线宽可参考以下数据： 线宽和电流的关系如表2示： 表2 线宽和电流关系电流（A）0.200.550.801.101.351.602.00线宽（mm）0.

20、150.200.300.400.500.600.80组装密度的提高要求导线密度的增大、导线间距的减小。PCB层数的增加则要求使用更多的通孔来实现这些增加层的必要连接。表2为引脚间距和PCB有关参数的关系：表 3 引脚间距和PCB有关参数的关系PCB相关参数2.54mm间距1.25mm间距0.63mm间距引脚数86481248244组装公差（mm）0.250.1250.05导线/间距（mm）0.300.150.125焊盘（mm）1.50.750.63孔（mm）1.00.40.4圆环（mm）0.250.20.125（4）表面导线连接焊盘的宽导线有将焊锡从焊盘上吸到导线上的偷锡作用，与内层电源或地线

21、板通孔相连的宽导线还起散热片的作用，在焊接时将热量从焊盘/引脚区带走，造成冷焊。当导线进入焊盘区时应变窄，最大导线宽度应取0.25mm，最小长度应取0.25mm。这个细颈提供了有效的焊锡阻挡，可避免使用焊锡膜。按右图导线连接焊盘的方法可以防止分立器件在再流焊时移动。有源器件IC组装时，这种布线允许设计者或焊盘帽的PCB使用相同的库形状。这种设计中两种结构之间转换容易，不需要改变或编辑元件库，任何情况下都可以保证100%的测试点访问。若要求较宽的导线，则通孔焊盘的尺寸要相应减小，以保证焊盘和导线间的空隙。阻焊层或选择性去掉电镀层的裸铜是焊锡迁移的有效阻碍，可以提供足够的保护。本设计采用三种线宽：

22、l 6mil ：用于FQFP焊盘的引出线；l 10mil：用作基本线宽；l 20mil：用作地线和电源线（如图1所示）。图1 线宽5、基准点标记（1）基准点类型基准点是组装工艺中各工序的共同测量点，是各组装设备精确定位的电路图形，是电路布线图中同一工艺的印制图特征，和电路引线同时腐蚀。基准点主要有以下两种类型： 全局基准点(Global Fiducials) 基准点标记用于在单块板上定位所有电路特征的位置。当一个多重图形电路以组合板的形式处理时，全局基准点叫做组合板基准点。（见图2） 局部基准点(Local Fiducials) 用来定位单个元器件的标记。（见图3）图3局部基准点图2全局基准点

23、要求至少两个全局基准点标记来纠正平移偏移（X与Y位置）和旋转偏移（位置）。这些点在电路板或组合板上应该位于对角线的相对位置，并尽可能地距离分开。要求至少两个局部基准点标记来纠正平移偏移（X与Y位置）和旋转偏移（位置）。这可以是两个位于焊盘图案范围内对角线相对的两个标记。如果空间有限，则至少可用一个基准点来纠正平移偏差（X与Y位置）。单个基准点应该位于焊盘图案的范围内，作为中心参考点。局部、全局或组合板基准点的最小尺寸1.0mm。一些公司已经为组合板基准点选用较大的基准点（达到1.5mm）。保持所有的基准点为同一尺寸是个很好的方法。（2）基准点的制作 形状三角形、菱形、圆形、正方形等，最佳基准点

24、形状是实心圆。 空旷度(clearance)在基准点标记周围，应该有一块没有其它电路特征或标记的空旷面积。空旷区的尺寸要等于标记的半径。标记周围首选的空地等于标记的直径。如图4所示。图4 基准点空旷度要求 平整度(flatness)基准点标记的表面平整度应该在15微米0.0006之内。 边缘距离基准点要距离印制板边缘至少5.0mm0.200(SMEMA的标准传输空隙)，并满足最小的基准点空旷度要求。 材料基准点可以是裸铜、由清澈的防氧化涂层保护的裸铜、镀镍或镀锡、或焊锡涂层（热风均匀的）电镀或焊锡涂层的首选厚度为510微米0.00020.0004。焊锡涂层不应该超过25微米0.001。如果使用

25、阻焊(solder mask)，不应该覆盖基准点或其空旷区域。应该注意，基准点标记的表面氧化可能降低它的可读性。 尺寸基准点标记最小的直径为1mm0.040。最大直径是3mm0.120。基准点标记不应该在同一块印制板上尺寸变化超过25微米0.001。 对比度当基准点标记与印制板的基质材料之间出现高对比度时可达到最佳的性能。如图5所示，将全局或组合板的基准点位于一个三点基于格栅的数据系统中是一个很好的设计。第一个基准点位于0,0位置。第二和第三个基准点位于正象限中从0,0点出发的X与Y的方向上。全局基准点应该位于那些含有表面贴装以及通孔元件的所有印制板的顶层和底层，因为甚至通孔装配系统也正开始利

26、用视觉对准系统。图5 对比度所有的密间距元件都应该有两个局部基准点系统设计在该元件焊盘图案内，以保证每次当元件在板上贴装、取下和/或更换时有足够的基准点。所有基准点都应该有一个足够大的阻焊(soldermask)开口，以保持光学目标绝对不受阻焊的干扰。如果阻焊要在光学目标上，那么一些视觉对中系统可能造成由于目标点的对比度不而不起作用。6、可测试性设计（可测性设计主要针对目前ICT的装备情况，将后期产品制造的测试问题在电路和PCB设计时就综合考虑。提高可测性设计应考虑工艺设计和电气设计两方面的要求。l 工艺设计中要求的定位精度、基板制造程序、基板大小、探针类型等都是影响测试可靠性的因素。要求如下

27、： 精确的定位孔。基板上定位孔的误差应在-0.05到+0.05mm以内。一般至少应设置两个定位孔，且距离愈远愈好。采用非金属化的定位孔可以减少由于焊锡镀层的增厚而不能达到公差要求的问题。基板整片制造后再分开测试时，定位孔必须设在主板及单独基板上。 应将测试点放置在元器件周围1.0mm以外，以避免探针和元器件撞击而损伤，定位空环状周围3.2mm以内，不可有元器件或测试点。 测试点直径不应小于0.4mm，相邻试点的间距最好在2.54mm以上，不应小于1.27mm。 在测试面上不能放置高度超过64mm的元器件，过高的元器件将引起在线测试夹具探针对测试点的接触不良等现象。 测试点不可设置在PCB边缘5

28、mm的范围内，以留出保证夹具夹持的空间。 所有探测点最好镀锡或选用质地较软、易贯穿、不易氧化的金属传导物，以保证可靠接触，延长探针的使用寿命。 测试点不可被阻焊剂或文字油墨覆盖，否则将会缩小测试点的接触面积，降低测试的可靠性。l 电气设计的要求如下： 在电路的走线上设置测试点时，可将其宽度放大到40mil宽。 应将测试点均衡分布在PCB上，如果探针集中在某区域，较高的压力会使带侧板或针床变形，进一步造成部分探针不能接触到测试点。 应尽量将元器件的测试点用过孔引到焊接面，过孔直径应大于1mm。这样在线测试时可采用单面针床来进行测试，从而降低了在线测试成本。 每个电气节点都必须有一个测试点，每个I

29、C都必须有POWER及GROUND的测试点，且尽可能接近元器件，最好在距离IC的2.54mm范围内。 PCB上的供电线路应份区域设置测试断点，以便电源去耦电容或电路板上其它元器件对电源短路时，查找故障点更为快捷准确。设计断点时，应考虑恢复测试断点后的功率承载能力。通过延伸线在元器件引线附近设置测试焊盘或利用过孔焊盘测试节点。测试节点严禁选在元器件的焊点上，这可能使虚焊节点在探针压力作用下挤压到理想位置，从而使虚焊故障被掩盖，发生所谓的“故障遮蔽效应”。探针因定位误差引起的偏晃，容易使探针直接作用与元器件的端点或引脚上而造成元器件的损坏。四、焊盘设计1、影响焊盘的因素焊盘是PCB中的关键部分，它

30、将确定元器件在PCB上的位置，对焊点的可靠性、焊接过程中可能的出现的缺陷、可清洗性、可测试性和检修都有很大影响。良好的焊盘应该是指在工艺上容易组装、便于检查和测试以及组装后的焊点有较长的使用寿命等。焊盘的设计包括焊盘本身的尺寸、阻焊剂或阻焊层框框的尺寸、元件占地面积、元器件下面的布线和点胶等。焊盘的设计应主要考虑以下五个方面的因素：元件的外形和尺寸、基本的种类和质量、组装设备能力、所采用的工艺能力、要求的品质水平。2、焊盘的链接方式线路和焊盘的连接可以多种方式，连接可在任意点进行，导线应避免成一定角度与焊盘连接，一般从焊盘的长边中心处与其连接。如下图6所示： 图6 焊盘的链接 图7 有引线元件

31、的焊盘连接3、有引线元件的焊盘连接线路在与SOIC、PLCC、QFP、SOT和有引线元件的焊盘连接时，一般建议在两端连接，如图7所示。焊盘与线路的连接，将影响焊接中器件的泳动、焊接热量控制和焊锡沿布线迁移等。 焊盘的导热路径由于元器件布局不合理，焊盘上焊膏不等以及焊盘导热路径不同等，在再流时可能使焊盘再流开始的时间不同而使元器件产生偏转或者“立碑”现象。为了保证再流时间的一致，必须控制焊盘和引线间的热耦合，以保证焊盘有足够均匀的热量。一般不允许把宽度大于10mil的引线和再流焊盘相连，电源线或地线要和焊盘连接时，须将线变至0.25mm，且长度不应断于0.635mm。 焊盘连接对元器件的影响再流

32、焊时元器件泳动的方向和焊盘连线的润湿面积有关，引线可以从任一端和焊盘连接，不应使焊锡的表面张力过分集中在某一根轴上。当各轴受到的焊锡力均衡时，元器件一般就不会相对焊盘发生偏转而出现泳动。4、焊盘细化连接应尽量减少导线连接焊盘处的宽度，一般最大宽度取0.4mm，或者取焊盘宽度的一半（对较小焊盘而言）。焊盘与较大面积的导电区如地、电源线相连时，应用较细的导线进行电隔离。5、阻焊膜的设计阻焊膜的开口尺寸应比焊盘大0.050.25mm，视焊盘间距而定。既要防止阻焊剂污染焊盘，又要避免焊膏印刷、焊接时的桥联，且阻焊膜的厚度不得大于焊盘的厚度。常用的包括SMD（如图8右图）和NSMD（如图8左图）两种类型

33、。SMD是指由阻焊膜决定大小的焊盘，但由于高的应力容易造成阻焊膜脱落，在实际没有得到广泛应用；NSMD指非阻焊膜决定大小的焊盘，应用比较广泛。图8 SMD（右图）和NSMD（左图）6、PCB制造工艺设计本设计采用双面印制板，双面印制电路板指的是两面都有导电图形的印制板，通常由环氧玻璃树脂覆铜箔板制造。主要用于电子性能要求较高的通信电子设备、高级仪表等。近年来，制造双面镀覆孔印制板的典型工艺是SMOBC，其工艺流程如下：双面覆铜箔板钻孔化学镀铜板电镀堵孔网印电路图形蚀刻去网印料和堵孔油墨清洗印阻焊图形插头镀镍镀金插头贴胶带热风整平清洗网印字符标志外形加工清洗干燥检验包装用ProtelDXP制作印

34、制电路板流程如图9所示： 图9 印制电路板制作流程（1）工艺设计 全表面组装时，若电路板尺寸允许，可采用单表面组装。这样可以减少印刷焊膏和焊接的次数，缩短生产周期，降低成本。 电路中有表面贴装件也有插装件的应采用混合组装。如果只有表面贴装元件和小外形集成电路，应把这些元器件放在波峰面。这样可以用单面印制电路板，并只用一次波峰焊就可以完成组装。 混合组装时，若有四边引线的器件，如PLCC、QFP等时，不能采用波峰焊，因为用波峰焊容易产生焊接桥联，所以只可用再流焊，且这些器件和插装件应布局在同一面。 在PLCC 的下方不要放置片式元件，因为片式元件的厚度稍有变化就会抬起PLCC，使PLCC的引线不

35、能直接和焊盘接触，从而影响焊接质量，且片式元器件的焊接质量不容易检测。 插装元器件应尽量采用“短插”工艺，避免使用浸焊工艺，以减少对元器件的热冲击。 若采用插装机对元器件的引脚进行剪短和打弯，则插装件和贴装件间应留下一定的空隙以便操作。 设计阶段应尽量不考虑采用手工焊接。（2） 设计结果按照要求及以上的分析，本设计选用双面板印制板。利用Protel 绘制电路原理图和PCB布线图见附录。五、模板设计1、板材选择与厚度模板材料一般来说有三种：不锈钢、尼龙和聚酯，不同的材料有各自不同的性能特点。设计模板时应该根据具体的情况来选择模板的材料，本设计选用不锈钢板。钢网钢片厚度设计主要考虑元器件最小引脚间

36、距，两者关系如表4：表4 网板厚度与引脚间距引脚间距0.3mm0.4mm0.50.65mm1.27mm网板厚度0.1mm0.12mm0.15mm0.150.18mm模板印刷是接触印刷，模板厚度决定了焊膏量。模板厚度应根据组装密度、元器件大小、引脚间距确定。大的Chip、PLCC要求焊膏量多一些，模板厚度则应厚一些；小的Chip以及窄节距QFP和CSP要求焊膏量少一些，模板厚度应薄一些。本设计元器件最小间距为0.5mm，还有插装元件，因此厚度选用0.18mm较合适。2、模板的外形尺寸与标识模板的外形及参数如图10和表5所示。DPCB传送方向正视图acabXYd侧视图cb图10 模板外形尺寸（mm

37、）表5 模板参数钢网类型网框尺寸a钢片尺寸b胶布粘贴宽度c网框厚度d小钢网584+0/-545010255303PCB中心、钢片中心、钢网外框中心需要重合，三者中心距最大偏差不应超过3mm。PCB、钢片、钢网外面的轴线在方向上应一致，任意两条轴线的角度偏差不应超过2。钢网Mark点的制作为了保证钢网和PCB的准确对位，钢网B面至少需要制作两个Mark点，钢网上的Mark点应与PCB上的一致。两个Mark点应放置在板子的对角线位置。本设计钢网采用激光制作，Mark点用表面烧结方式制作，Mark点的灰度应与实际生产中印刷机的识别能力相匹配。本设计中的Mark图形如图11示：10.15mm图11 M

38、ark图形3、模板开孔设计焊膏印刷量主要取决于模板厚度和开孔尺寸。焊膏从开孔孔壁释放到PCB上的能力主要取决于：面积比/宽厚比、开孔孔壁的几何形状、开孔孔壁的光滑程度。一般面积比0.66，宽厚比1.5。当焊盘面积比开孔孔壁面积大0.66倍时，焊膏才能完全释放到PCB焊盘上。模板开孔应该比PCB焊盘相应减小，常根据PCB焊盘尺寸更改。减小面积和修正开孔形状是为了提高焊膏印刷质量，使模板在焊膏印刷中更加清洁。（1）开孔大小锡膏印刷量的大小主要取决于开孔大小和模板的厚度。印刷机印刷锡膏刮刀行进过程中，锡膏填满模板的开孔；PCB与模板脱膜过程中，锡膏须完全脱离模板，释放到PCB上，从模板的角度来看，锡

39、膏从开孔孔壁释放到PCB上的能力主要有以下三个因素： 设计的面积比和宽厚比； 开孔孔壁的几何形状； 开孔孔壁的光滑程度。（2）面积比/宽厚比开孔面积比和宽厚比，如图18所示。锡膏有效释放的通用设计导则为：宽厚比1.5，面积比0.66。宽厚比是面积比的一维简化结果。当开孔长度大大地大于宽度时，面积比（W/2T）就成了宽厚比（W/T）的一个因数。当模板与PCB相互剥离时，锡膏处在被相互争夺的情况：锡膏将被转移到PCB上，或粘在模板的开孔孔壁内。当焊盘面积比开孔孔壁面积的0.66倍大时，锡膏才能完全释放到PCB焊盘上（3）开孔大小与PCB焊盘大小的比对通用的设计标准认为，开孔大小应该比PCB焊盘要相

40、应减小。模板开孔通常比照PCB原始焊盘进行更改。减小面积和修正开孔形状通常是为了提高锡膏的印刷质量、回流工艺和模板在锡膏印刷过程中更加清洁，这有利于减少锡膏印刷偏离焊盘的几率，而印刷偏离焊盘易导致锡珠和桥连。在所有的开孔上开倒圆角能促进模板的清洁度。六、工艺分析与设计1、组装工艺流程制定本次设计中，PCB上既有SMD又有THC，且在同一面上，两面都有导电图形所以采用双面混装工艺，其工艺流程如下：来料检测组装开始PCB的A面涂敷焊膏贴装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图12 双面混装工艺流2、组装工艺材料选用（1）焊料组装工艺中的焊膏由焊粉、粘合剂、溶剂、助

41、焊剂和溶变剂等混合而成，在规定的存储条件下，不凝结，表面不出现硬壳、硬块。内部各种成分易搅拌均匀，确保特定的流体特性，极佳的可印刷性和稳定的粘度。常见焊膏如下：表6 常见焊膏焊膏成份熔点Sn/Pb:63/37183CSn/Pb/Ag:62/36/2179CSn/Pb/Ag:10/88/2268302 CSn/Pb/Sb:5/85/10239242 CSn/Pb/Ag:5/92.5/2.5287296 CSn/Pb/Bi:5/92.5/2.5144163 CSn/Ag:96.5/3.5221 C综合焊膏性能和成本并联系实际情况，本设计采用63Sn/37Pb焊膏。（2）助焊剂助焊剂在焊接工艺中起着

42、重要的作用。正确使用的助焊剂，可焊性和焊接缺陷都可以改进和减少。传统助焊剂焊后固体残余物较多需清洗。而清洗工艺一直采用的CFC氟氯烃及1，1，1-三氯乙烷等清洗剂，虽然可以消除PCB表面残留的导电物质或其它污染物，保证产品可靠性，但CFC清洗中含有ODS破坏生态环境，严重威胁人类安全。免清洗助焊剂是随着电子工业发展及环境保护的需要而产生的一种新型助焊剂。它解决了使用CFC清洗剂环境污染的问题，以及因细间距、高密度元器件组装带来的清洗困难问题。结合设计和实际条件，本设计采用非免清洗助焊剂。3、印刷工艺的设计（1）印刷工艺流程如下：焊膏准备安装并校准模板调节参数印刷焊膏检查清洗（2）焊膏将待用的焊

43、膏从冰箱取出，在室温下放置回温4小时后打开盖子，均匀搅拌10分钟左右即可使用。本设计焊膏黏度为200Pa.s，由于设计中元器件的中心距是0.651.27mm，故选择粒度为40微米的焊膏。（3）印刷工艺参数的设计l 刮刀速度印刷过程中，焊膏需要时间滚动并流进模板孔中，所以应准确控制刮刀速度。刮刀的最大速度取决于PCB上元器件的最小间距。高精度印刷时，印刷速度一般取2030mm/s，由于本设计中元器件间距大于0.5mm，故刮刀速度取20mm/s。l 刮刀类型印刷工艺中所用刮刀按材料分为橡胶刮刀和金属刮刀两类，其中金属刮刀由不锈钢或黄铜制成，具有平的刀片形状，印刷角度多为3045。因为所用压力较低，

44、故不容易产生挖掘现象，也不容易磨损，基于以上优点，本设计选用不锈钢刮刀。l 刮刀压力刮刀压力对印刷效果有着较大影响，压力过低会造成遗漏和边缘粗糙，压力过大会引起斑点状印刷，容易产生挖掘现象，也可能损坏刮刀和模板。一般，刮刀的压力和速度应以正好把网板上的焊膏刮净为宜。本设计中刮刀压力取1.75105Pa。l 印刷方式为提高效率，减小占地面积，本设计采用双路PCB传送印刷l 刮刀角度一般刮刀角度与焊膏的转移深度成反比，本设计中取60度l 印刷间隙印刷时模板和焊盘表面的间隙应控制在02.5mm，本设计取2.0mm。4、点胶工艺设计由于本设计只包含少量的贴装件，且使用单面组装方式焊接，所有的元器件都集

45、中在PCB的焊接A面，而B面没有元件。所以本设计不必用到点胶工艺。 5、贴装工艺设计（1）贴装工艺编程上料核对物料贴片检测（2）贴片参数本设计的无铅制成中，由于无铅焊膏的流动性不如63/37。元器件在焊接中的自对中能力比较弱，故要求贴片机的精度高一些，贴片速度选择8000片/小时，分辨率为0.05mm，转角分辨率为0.0035度，重复精度为0.01度。贴装大型集成芯片器件时，使用泛用机，为减小工作时间，采用双路输送贴装机，它在保留了单路贴片机的性能下，将PCB的输送、定位、检测、贴片等设计成双路结构。本设计采用同步贴装方式，将大小两块相同的PCB拼板由双路轨道同步送入贴片机。6、再流焊工艺设计

46、（1）再流焊方式设计表7 各种焊接方式比较机器种类加热方式优点缺点红外回流焊辐射传导热效率高，温度陡度大，易控制温度曲线，双面焊时PCB上下温度易控制。有阴影效应，温度不均匀、容易造成元件或PCB局部烧坏热风回流焊对流传导温度均匀、焊接质量好。温度梯度不易控制强制热风回流焊红外热风混合加热结合红外和热风炉的优点，在产品焊接时，可得到优良的焊接效果会吹走小型元件气相回流焊惰性液体汽化加热焊接温度可以精确定义价格昂贵，维护困难结合实际情况和成本等考虑，本设计采用强制热风对流焊接方式。（2）传输系统设计传输系统是将组件传送通过回流炉的通用方法。要求具有良好的平行性和稳定性，同时还要具有良好的耐热性。

47、（3）冷却方式设计由于高的温度会造成金属间化合物的增长，使得焊点脆化，降低电子产品可靠性，所以冷却须快速而有效，本设计采用强制风冷的冷却方式。7、波峰焊工艺设计波峰焊工艺系统，包括涂覆助焊剂、预热、波峰焊接、冷却和轨道传输系统。各系统对焊接工艺都非常重要，直接影响PCB的焊接质量。传送带上的电路板组件将按照规定的时间和路线通过这些系统。对于无铅波峰焊来说，另一个重要系统就是氮气保护系统。（1）助焊剂涂覆系统免清洗助焊剂是随着电子工业的发展和环境保护的需要而产生的一种新型助焊剂，且将成为未来发展的必然趋势。但由于免清洗助焊剂的固体含量较低（2%左右），就对助焊剂的涂覆系统就提出了较高的要求。无铅

48、波峰助焊剂的涂覆方法主要有发泡法和喷雾法。l 发泡发发泡发和连续焊接工艺相容，精度不高，但因溶液沸点高，预热时间长，故蒸发量较大。另外，发泡发涂覆不均匀，在印制板上有残留物，且涂覆量难以控制。该方法对于固体含量大于5%的助焊剂来说，效果较好。对免清洗助焊剂来说，其固体含量基本上都在2%左右，故不宜使用。l 喷雾发喷雾法可以精确控制助焊剂涂覆量而使用广泛。其喷雾系统可以是单通路系统，由单通路系统中非再循环封闭容器供给助焊剂，则不需要监控助焊剂的固体含量。喷雾法涂覆均匀、用量少、不需进行滴定或比重的监控，不需定期排放旧助焊剂。基于喷雾法的上述优点，本设计采用喷雾法涂覆助焊剂。（2）预热系统基板助焊

49、剂涂覆之后，首先是蒸发助焊剂中的多余溶剂，增加粘性，这就需要在焊接前进行预热，其作用如下：l 提升焊接表面温度，有助于助焊剂表面的反应和更快捷的焊接。l 减少元器件的热冲击，避免元器件功能削弱或失效l 加快助焊剂中的挥发性物质从PCB上的蒸发速度，从而避免焊球和桥联出现目前常用的波峰焊预热方法有强制热风对流、电热板对流、电热棒加热和红外加热等，本设计采用的是强制热风对流的方式。（3）波峰焊接系统与63/37焊料相比，高Sn的无铅焊料在高温焊接中更容易氧化，从而在锡炉液面形成氧化物残渣而影响焊接质量，同时也造成浪费。解决办法就是采用氮气保护。由于无铅焊料的焊接温度比有铅焊料高3050度，且Sn的

50、含量较高就增加了无铅焊料对锡炉和喷口的腐蚀性。为了提高设备的使用寿命，锡炉的叶轮、输送管、喷口以及焊炉都采用表面渗氮的不锈钢。 焊接温度的设计焊接温度并不等于锡炉的温度，一般比锡炉的温度低5度，也就是250度测量的润湿性能大致对应于255度的锡炉温度。对于本设计选用的无铅焊料合金，当锡炉温度270度时，该焊料有最小的润湿时间和最大的润湿力。 波峰高度设计波峰高度直接影响波峰平稳性及波峰表面焊锡的流动性，适当的波峰高度可以保证PCB有良好的 压锡的高度，使焊点能和焊锡充分接触，平稳的波峰可得到均匀的焊接。当波峰较高时，泵内液态焊料的流速增大，对PCB的压力增大，虽有利于焊缝的填充，但容易引起拉尖

51、。桥连等缺陷。而波峰偏低时，泵内液态钎料流体流速降低并为层流，此时波峰跳动小、平稳、但流动性差、容易产生吃锡不够、锡点不饱和等缺陷。波峰高度通常应控制在PCB厚度的1/21/3。 浸锡时间设计被焊表面浸入和退出熔融焊料的速度，对润湿质量焊点的均匀性和厚度都影响很大，焊料被吸收到PCB焊盘通孔内，立刻产生热交换。当印制板离开波峰时，放出潜热，焊料固化。当锡炉温度在250260度时，焊接温度约为245度，焊接时间控制在35秒。（4）冷却工艺无铅工艺过程中，常会出现基板发生剥离的缺陷，产生的原因在于冷却过程中，焊料合金的冷却速度与PCB的冷却速度不一致。目前最好的解决办法就是在波峰焊出口加冷却系统，

52、而冷却速率和方式示具体情况而定。（5）轨道传输参数设计倾角波峰焊接设备的传送带控制着PCB通过各工序的速度和位置。因此，传输带必须运行平稳，并维持恒定的角度。调节传送带角度，可以调节PCB与波峰的接触时间。合适的倾角，有利于液态焊料与PCB更快的脱离。本设计中采用的轨道倾角为57度速度当其他参数不变时，改变轨道的传送速度，则助焊剂的喷雾量、预热温度、浸锡时间，都将改变。所以选择合适的速度非常重要，传输速度过快，PCB上助焊剂涂覆不足，预热温度不够，焊接中容易产生焊接不良，导致上锡量不足、漏焊、而且还会由于浸锡时间过长，会使助焊剂挥发过度，同样会导致锡量不足、漏焊。而且还会由于浸焊时间过长，容易

53、桥连。甚至损坏元器件。本设计中的传送速度采用1.4m/min。8、检测工艺设计常用的有人工视觉检查（MVI）、在线测试（ICT）、自动光学测试（AOI）、自动X射线测试（AXI）、功能测试（FT）等。本设计采用AOI检测方法。（1）AOI的主要检测两方面内容：最终品质检测对下线产品的最终状态进行检测；过程跟踪用检测设备来监视生产过程，包括详细的缺陷分类和元件贴放偏移等信息。（2）AOI主要检测三个位置：锡膏印刷之后这个位置最直接地支持过程跟踪和特征化，其定量过程控制数据包括印刷偏移和焊锡量信息；再流焊前可以发现锡膏印刷以及贴片的大多数缺陷，可提供高速贴片机和细间距元器件贴装设备的校准信息；再流

54、焊后这个位置可以发现全部的组装错误，可以提高高度的安全性，因为它可以识别由锡膏印刷、元器件贴装和再流过程引起的缺陷。（3）检测内容IPC-A-610C焊点验收标准也基本是以目测为主，其对焊点外观质量检测的内容有：润湿程度良好；焊料在焊点表面铺展均匀连续，接触角一般小于30 ，对于焊盘边缘的较小焊点，应见到凹状的弯月面，被焊金属表面不允许有焊料的阻挡层及其它污染物；焊点处的焊料层要适中，避免过多或过少；焊点位置必须准确，元器件的端头或引脚应处于焊盘的中心位置，宽度和长度方向不应出现超越现象；焊点表面应连续、圆滑，再流焊形成的焊点应用光亮的外观。七、工艺实践方法与步骤1、实践内容与要求设计出8个0

55、805片式电阻的焊盘相应的PCB板和模板，并印刷焊膏到焊盘上，将8片1206手工贴装在制好的PCB板上，并经过再流焊接，最后对焊好的焊点进行AOI质量检测及缺陷分析。 2、实践过程及步骤整个工艺实践的流程如下：设计原理图生成PCB图打印PCB图和掩膜图纸图形转移至覆铜板氯化铁腐蚀制作掩膜板焊膏印刷贴放元件光学检测再流焊接焊点分析图13 工艺实践流程 PCB板的制作先用protel设计出相关的PCB版图后打印出来，把PCB图覆在100mm*100mm的覆铜板上，用熨斗烫印将油墨转印到覆铜板上，然后三氯化铁溶液进行腐蚀，最后得到所要制作的PCB板。 模板的制作用大约100mm*100mm的铝箔作为

56、模板。把PCB粘在铝箔上，然后用钻孔机在相应的位置上钻孔，所钻出的孔对应着8个0805的电阻，这样便得到了相关的模板。 印刷焊膏把PCB板和模板对应叠放在一起，模板开口相关着相应的8个电阻焊盘位置，然后在模板上括动焊膏。印刷好焊膏后，PCB板与模板分离。 贴片用镊子把8个0805的电阻放到对应的位置上，完成手动贴片。 焊接利用BGA返修台对PCB板进行再流焊接。先设计好BGA返修台再流焊的温度曲线，其曲线如图14所示。图14 BGA返修台再流焊的温度曲线 焊点的AOI检测利用AOI检测仪对焊接好的PCB板进行焊点的检测，并对各个焊点进行照相，分析焊点的各种缺陷。3、焊点的缺陷分析 对焊接的PC

57、B焊点的照相分析，看到几个比较完美的焊点，同时发现几个有不同的缺陷焊点，如桥连、锡珠、焊膏不完全熔融、焊膏过多和焊膏过少等。比较完美的焊点如图15所示，各种缺陷的焊点如图16所示。 图15 比较好的焊点 (a) (b)(c) (d) 图16 各种焊点缺陷（a）焊膏过多 （b）锡珠 （c）焊膏不完全熔融（d）焊膏过少八、课程设计总结课程设计是一个漫长而充满挑战的过程。本次设计进一步地掌握了电子工程设计与制造综合设计基本过程，同时加强了思考问题的完善性和实际生活联系的可行性。方案设计选择，锻炼学生个人的查阅能力、动手能力、发现问题和解决问题的能力，最主要是加强了个人的动手能力。设计过程中，对于书本

58、上的很多知识还不能灵活运用，有很多我们需要掌握的知识在等着我去学习，我会在以后的学习生活中弥补我所缺少的知识。本次的设计使我从中学到了一些很重要的东西，那就是如何从理论到实践的转化，怎样将我所学到的知识运用到我以后的工作中去。在大学的课堂的学习只是在给我们灌输专业知识，而我们应把所学的用到我们现实的生活中去，此次设计给我奠定了一个实践基础，我会在以后的学习、生活中磨练自己，使自己适应于以后的竞争，并且在查找资料的过程中学到了许多。三周之久的课程设计，包括PCB的设计、焊盘的设计、模板的设计，以及工艺的设计。通过焊盘、模板和工艺的设计，了解了相关的设计规则以及参数的设定。整个过程要经过多个环节，

59、由于对课本理论的不熟悉导致编程出现不少错误。不过最终都解决了这些问题。这是对我今后的学习工作的一次实战训练,从中锻炼自己分析问题、解决问题的能力。在课程设计过程中，多次得到辅导老师的辅导以及不少同学的指导，使我到得不少的学习机会，是他们让我吸收到了更多的知识。些次设计过程，不论是理论知识结构还是实际动手能力，都得到了很大的提高，也有不少的感触。经过自己的努力和老师、同学的指导，最终完成了整个计时秒表的设计，并且实现了任务所要求的功能。感谢指导老师的辅导和同学们的指导。九、参考文献1 王豫明 王天曦. SMT 高密度细间距装配中的模板设计和焊膏选择J.电子产品与技术，2004 2 周德俭 吴兆华. 表面组装工艺技术 M. 北京：国防工业出版社，2002.93 吴兆华 周德俭. 表面组装技术基础 M. 北京：国防工业出版社，2002.14 袁志敏. SMT焊盘设计中的工艺分析J.生产技术与工艺管，2003.125 鲜飞. 印制板设计与制作工艺J.印制电路信息，2005.67张文典.实用表面组装技术M. 北京：电子工业出版社，2006.16周德俭. SMT组装质量检测与控制M.北京：国防工业出版社，20078张文典. 实用表面组装技术M. 北京：电子工业出版社，2006.19 曾峰 侯亚宁 曾凡雨. 印刷电路板（PCB）设计与制作M. 北京：