设置PCB元件放置公差

2021-09-01

设置PCB元件放置公差

PCB组件放置公差对于电路板的最佳性能至关重要

宽容这个词根据使用的上下文可以有很多不同的含义。作为父母，我的宽容是我的孩子们通常试图将其推向临界点的东西。类似地，在电子设计中，公差通常也被尽可能地推高而不会破坏。当然，问题在于超出公差时设计会发生什么。

在印刷电路板上放置元件时，必须保持特定的间隙公差。这些容差包括 CAD 系统中元件封装的规格、如何定位元件以获得最佳电气性能，以及如何放置部件以实现电路板的可制造性。让我们仔细看看这些PCB组件放置公差，以及如何设置您的设计工具以适应它们。

PCB元件公差

在我们查看元件如何放置在电路板上的不同公差之前，我们需要首先从零件的公差开始。 

CAD 系统中的每个组件封装都必须根据其制造商的规格进行构建。如果 CAD 封装构建不正确，实际的物理部件可能不适合电路板的金属焊盘图案。诸如此类的问题会导致电路板无法制造。 

在PCB设计系统中构建元件封装包括两个步骤： 

创建零件引线将焊接到的金属焊盘图案。焊盘图案尺寸有时可以在制造商的数据表中找到，或者它们可能已经作为行业标准焊盘图案存在，例如 SOIC-14。 

根据制造商数据表中的规格构建组件的物理形状或轮廓。

构建PCB CAD 封装是PCB布局中比大多数人意识到的要重要得多的部分，了解原因很重要。以 0603 封装的标准旁路电容器为例。根据其密度，您的设计可能需要数百个采用相同 0603 封装的不同旁路电容器。您在设计中只需要一个 0603 封装，CAD 系统将为整个电路板上的每个电容器实例复制它。但是，如果它构建不正确，那么所有这些部分都将是错误的。如果占用空间太小，实际零件甚至可能无法安装在电路板上，而更大的占用空间可能会影响制造过程中电容器的焊接方式。

为避免PCB组件放置容差问题，在您使用PCB布局进行布局时，请牢记以下准则：

表面贴装(SMT) 焊盘图案需要足够大，以在PCB组装期间促进良好的焊料填充。虽然这些焊盘图案通常在行业标准中指定，但有时您可能需要为特殊需要的零件创建自己的焊盘图案。在这种情况下，确保构建焊盘图案以占据零件的最小和最大引脚尺寸。

通孔焊盘应该有一个足够大的钻孔以插入元件，但又足够小以防止焊料通过孔芯吸。

组件轮廓应构造为制造商数据表中指定的最大材料宽度。

此外，请记住，来自不同制造商的同一部件必须使用许多焊盘图案。在这种情况下，您将需要使用多个数据表以确保允许所有零件的最大材料宽度。

此时，您的设计应该具有良好的PCB占用空间，因此让我们看看部件之间的放置公差，以实现电路板的最佳电气性能。

CAD 封装需要按照精确的规格构建，以确保其适合性和可制造性

电气设计性能的放置公差

在PCB布局中放置组件时，要记住的一个考虑因素是组件在其他部件中的功能。例如，电源组件有严格的放置要求，以确保它们产生尽可能少的噪声和 EMI。这些部件在放置时当然必须符合可制造性 (DFM) 要求的良好设计，但它们也必须按照最佳功能进行安排。以下是一些通用布局规则，可确保您的电路发挥最大性能：

电源组件应尽可能靠近，以尽量减少走线长度。电源中更短和更宽的走线可降低电感并减少电磁干扰(EMI)。

大引脚数高速器件的旁路电容器需要尽可能靠近器件的电源引脚放置。这种接近将有助于减少电流尖峰和由此产生的接地反弹信号完整性问题。

通过信号路径连接的高速组件必须靠近放置，以防止信号路径在电路板上四处游荡。紧密放置的信号路径将有助于确保高速传输线中的阻抗较低。

将功能分区的组件保持在一起，除非信号在功能区域之间交叉。这将防止模拟噪声污染数字电路，反之亦然。

对于热管理，让处理器和内存芯片等热运行组件更靠近电路板的中心，并将电源电路彼此分开。

这些PCB组件放置容差建议旨在帮助您的电路板发挥最佳性能。然而，电路板仍然需要可制造，需要一套完全不同的放置公差。 

可制造性的PCB元件放置公差

即使您的电路板具有最好的PCB封装和精确放置和布线的组件以提高性能，但如果最终无法制造该电路板，那一切都没有关系。为了确保电路板的可制造性，以下是必须遵守组件放置公差的四个关键原因。

组件到组件的间距

放置得太近的零件可能会给以下制造过程带来潜在问题：

自动化组装：用于在电路板上安装元件的贴片机将难以处理靠得太近的部件，需要手动安装这些部件。

波峰焊：小分立部件需要按照电路板通过波峰的方向小心放置。应放置双引脚部件，以便两个引脚同时进入波形。较大的零件不应在较小的零件之前进入波峰，以防止产生阴影，导致焊点不良。

调试和返工：不应将较小的组件放在较大的组件下，以帮助组装技术人员在板上调试和返工。

元件到板边缘间隙

由于以下原因，在靠近电路板边缘放置组件时还必须小心：

测试：靠近电路板边缘的部件会干扰测试夹具的真空下降。

面板：太靠近板边缘的组件将需要一个分线片而不是 V 型槽来进行去面板。对于带有连接器的电路板，这是意料之中的。否则，V 型槽是一种将电路板与面板分离的更具成本效益的方法。还需要与电路板边缘保持足够的间隙，以防止在分板过程中元件或金属电路开裂。

散热：靠近电路板边缘的部件可能会干扰冷却电路板所需的预期气流。

测试点间隙

尽管不是物理组件，但需要将测试点放置在与其接触的测试夹具探针不会与电路板上的零件发生碰撞的位置。对于测试夹具探针，测试点之间还需要有足够的间距。

人员访问

大多数电路板都有必须由人手接触的接口部件。必须设置开关，插入和拔出连接器，并且需要使用手动测试设备探测某些网络。这些部件不仅需要放置在用户可以接触到的地方，而且还需要与其他部件保持足够的间隙，这样用户就不会在此过程中冒对其他部件造成附带损坏的风险。

这些 DFM 问题通常可以在原型板上解决，其中快速周转对于推出新产品至关重要。但是当电路板进入正常生产时，这些问题需要得到纠正，以帮助降低制造时间和成本。幸运的是，PCB CAD 系统中有一些功能和实用程序可以提供帮助。

使用您的 CAD 系统的 DRC 功能可以为您省去很多麻烦，如 Cadence Allegro 中所示

使用 PCB设计工具管理元件放置公差

统一搜索实用程序，可在 Cadence Allegro 设计工具中使用

正如我们所见，使用精确的 PCB封装对于保持正确的组件放置公差至关重要。有多种辅助工具可以帮助解决此问题，包括行业标准和封装创建向导，但最好的方法之一是使用外部库服务。高级 PCB设计系统通常有一个实用程序，允许设计人员直接连接到外部库服务以搜索和下载 CAD 模型。在上图中，您可以看到在 Cadence 设计工具套件中找到的统一搜索实用程序的图片。使用统一搜索工具，设计人员可以找到他们正在寻找的部件并下载制造商的原理图符号、SPICE 模型、数据表、部件信息、图像和 PCB 封装。

这些设计工具中还有其他有用的功能也可以提供帮助。其中之一是约束管理系统，可以针对不同的组件间隙进行设置。您不仅可以设置组件到组件的间隙，还可以为组、区域甚至特定零件设置间隙。像这样的约束系统将允许您的设计规则检查 (DRC) 提醒您组件放置间隙不在容差范围内，并帮助您设计更好的电路板。