PCB布局中的DFM

2022-07-09

PCB布局中的DFM

构建电路板意味着符合您的层堆叠和材料选择的制造流程。在某些时候，您必须设计PCB上的连接，即使这些连接也有特定要求，因为这些要求旨在确保可制造性。在我们的DFM速成课程的这一部分中，我们将了解PCB中导电元件的一些基本DFM限制，以及用于DFA的表面丝印/阻焊层的开发。

PCB布局中成功的DFM始于设置您的设计规则以考虑重要的DFM约束。下面显示的DFM规则反映了大多数制造商可以找到的一些当代设计能力。确保您在PCB设计规则中设置的限制不违反这些限制，以便您可以确保符合大多数标准设计限制。

制定PCB布局策略

随着您的材料选择最终确定，现在是时候深入了解PCB布局的具体细节了。虽然各个设计人员的工程工作流程可能不同，但有许多主要设计考虑因素需要精确的DFM要求，以考虑100%准备好制造的电路板。在以下部分中，您将了解制定PCB布局策略的细节，包括SMT和通孔规范、丝印文档、阻焊层应用等。

通孔尺寸和间隙要求

专业设计师使用在两层上布线的多层PCB，这需要使用通孔。通孔是每个PCB设计的关键部分，负责在各层之间传输电流。在设计电镀通孔时，建议在孔径和通孔长度之间保持8:1的纵横比。下表显示了一组标准钻头尺寸（以密耳为单位）：

 

标准通孔应与相邻导体保持最小间隙。间隙将取决于制造厂的特定加工能力，以及某些类型的PCB（如高压板）所需的特定间隙。通孔到通孔的间隙将限制通孔的允许密度，典型的钻孔壁到钻孔壁的间隙高达10密耳。这些要求将限制层之间布线的密集程度以及将平面或多边形连接在一起时的缝合过孔的密度。

通孔还是贴片？

选择通孔元件或表面贴装器件(SMD)将对您的总体成本和制造时间产生直接影响。建议在现代电路板设计中坚持使用SMD，因为这样可以加快电路板周转速度和提高可靠性。现代设计所需的大多数组件都是作为SMD组件制造的。一些例外情况包括连接器，它们通常以SMD或通孔组件的形式提供。为了在设计中保持较低的生产成本并确保需要最少的焊道，最好只在一层上放置，即使在两种类型的组件混合在同一类型的设计中的情况下也是如此。

环形圈

圆环通常定义为所需的垫板直径与相应的钻头直径之间的差异，尽管这并不完全正确。我刚才提到的经典定义是指通孔上的着陆垫。现实情况是，环形圈与通孔着陆焊盘尺寸大不相同；是指钻孔、蚀刻、镀铜后，钻孔周围的剩余铜环。由于制造过程中的漂移，钻头并不总是能完美地击中焊盘的死点。结果是钻头可能会稍微偏离中心，并会在通孔周围留下一些铜。

从上图中，我们可以看到完美制造过孔的环形圈宽度将遵循以下公式：

环形环宽度 =（垫的直径 - 孔的直径）/ 2

为确保电路板符合IPC可靠性标准，焊盘直径应比通孔钻孔直径大8mil（IPC Class 2）或10mil（IPC Class 3）。这是一个保守的限制，将确保完成的通孔周围几乎总是有一些环形圈。

通过纵横比

通孔的纵横比是通孔深度与钻孔直径之间的比率（电镀后）。通孔的纵横比应保持足够低，以确保这些结构的高产量制造。对于更高级的设计，例如使用微孔的HDI PCB，纵横比限制可能非常小，达到1:1或更小。在开始将通孔添加到PCB布局之前，请务必检查制造商的能力。您可以在PCB设计规则中设置通孔尺寸限制。

Via-in-Pad 和 Micro Vias

当连接密度变得非常高时，例如在具有细间距的BGA中，可以将过孔直接放置在组件的连接盘中。Via-in-pad设计允许紧密放置组件，因为通孔不必放置在距离其连接焊盘一定距离的地方。Via-in-pad设计需要填充一些导电或非导电环氧树脂，然后进行封盖和电镀以保护通孔结构的内部。

在仍然可以进行机械钻孔的情况下，Via-in-pad与通孔通孔一起使用，其限制可以小至8mil。当组件密度极高时，需要使HDI设计技术来连接内层。这是一个更高级的主题，在我们的其他电子书中进行了讨论。

过孔应该搭帐篷吗？

帐篷通孔是一种标准通孔，其表面层覆盖有阻焊层，因此没有铜暴露。通常将小通孔（12 密耳或更小）定义为帐篷。较大的通孔可能需要盖帽和填充，然后才能用阻焊层覆盖。过孔有多种原因，当它们非常靠近SMD元件上的着陆焊盘时，最好将它们覆盖。下面的示例显示了一个实例，由于通孔和SMD组件上的一组焊盘之间的距离很近，因此需要使用帐篷。在这种情况下，如果通孔没有搭上帐篷，焊料可能会通过这些通孔芯吸到电路板的背面，从而可能导致短路。

尽管存在组装问题，但仍可能有理由让通孔不加帐篷。例如，如果需要将特定的通孔用作测试点，则需要用探针访问它，因此需要从该通孔去除阻焊层。测试将在本系列的下一章中详细讨论。

盲孔和埋孔

与通孔类似，盲孔和/或埋孔(BBV)是连接一层或多层的孔。在这个过程中，盲孔将外层连接到一个或多个内层，但不连接到两个外层，埋孔连接一个或多个内层，但不连接到外层。下图显示了带有盲孔和埋孔的6层PCB的示例横截面图：

不要仅仅假设您的制造商将能够生产盲孔和埋孔的所有可能组合。机械钻孔和激光钻孔的盲孔和埋孔必须设置在特定层中以确保成功制造，它们不能放置在任意层对上。确保您首先联系您的制造商，并获得有关在PCB布局中使用盲孔和埋孔的一些指导。

缩颈

在某些情况下，有必要使走线缩颈，以便布线到组件的着陆焊盘中。颈缩迹线（有时称为颈缩）连接到焊盘，并在距焊盘至少0.010英寸的地方延伸，然后逐渐变细至较大的迹线宽度。

对于受控阻抗走线，例如在高速设计中需要的，应用颈缩通常不是一个好主意，因为这会产生阻抗偏差。相反，如果您需要保持更小的宽度，我们可以使用更薄的层。无论如何，这些设计的组件往往具有较小的着陆焊盘，因此如果叠层和走线尺寸合适，它们就不需要颈缩。

放置和定向您的组件

确定了您首选的组件类型后，现在是时候决定如何在板上有效地放置和定向这些部件了。此过程将对您如何利用电路板布局上的可用空间产生很大影响，并且可能是您设计过程中最具挑战性的步骤之一。您将在下面找到有关如何优化组件放置以使其既可制造又能够满足您的特定设计要求的具体建议。

在详细介绍组件放置和方向之前，需要牢记几条一般准则：

将具有I/O和类似封装的组件定向在同一方向。

尝试将所有SMT组件放置在电路板的同一侧，并将所有通孔组件（如果混合）放置在电路板的顶部。

当您使用混合技术组件（SMT和PTH）时，制造商可能需要额外的焊接工艺来放置底部组件。

您应该只用一条痕迹终止所有土地。

当您在设备下指定芯片时，这会使检查、返工和测试变得更加困难。

在组件的波峰焊侧使用的所有组件都应首先获得制造商的批准，以便浸入焊浴中。

有了本章中提供的信息，您现在已经准备好开始您的元件放置和定向过程，以满足基本的可制造性要求。现在您的设计已经顺利完成，是时候通过在下一章中配置您的测试点要求来完成电路板布局过程了。