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PCB布局中的DFM
PCB布局中的DFM
構(gòu)建電路板意味著符合您的層堆疊和材料選擇的制造流程。在某些時候，您必須設(shè)計(jì)PCB上的連接，即使這些連接也有特定要求，因?yàn)檫@些要求旨在確保可制造性。在我們的DFM速成課程的這一部分中，我們將了解PCB中導(dǎo)電元件的一些基本DFM限制，以及用于DFA的表面絲印/阻焊層的開發(fā)。
PCB布局中成功的DFM始于設(shè)置您的設(shè)計(jì)規(guī)則以考慮重要的DFM約束。下面顯示的DFM規(guī)則反映了大多數(shù)制造商可以找到的一些當(dāng)代設(shè)計(jì)能力。確保您在PCB設(shè)計(jì)規(guī)則中設(shè)置的限制不違反這些限制，以便您可以確保符合大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)限制。
制定PCB布局策略
隨著您的材料選擇最終確定，現(xiàn)在是時候深入了解PCB布局的具體細(xì)節(jié)了。雖然各個設(shè)計(jì)人員的工程工作流程可能不同，但有許多主要設(shè)計(jì)考慮因素需要精確的DFM要求，以考慮100%準(zhǔn)備好制造的電路板。在以下部分中，您將了解制定PCB布局策略的細(xì)節(jié)，包括SMT和通孔規(guī)范、絲印文檔、阻焊層應(yīng)用等。
通孔尺寸和間隙要求
專業(yè)設(shè)計(jì)師使用在兩層上布線的多層PCB，這需要使用通孔。通孔是每個PCB設(shè)計(jì)的關(guān)鍵部分，負(fù)責(zé)在各層之間傳輸電流。在設(shè)計(jì)電鍍通孔時，建議在孔徑和通孔長度之間保持8:1的縱橫比。下表顯示了一組標(biāo)準(zhǔn)鉆頭尺寸（以密耳為單位）：
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鉆號 |
孔徑（密耳） |
成品孔徑（密耳） |
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70 |
28 |
25 |
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65 |
35 |
32 |
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58 |
42 |
39 |
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55 |
52 |
49 |
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53 |
595 |
56 |
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44 |
86 |
83 |
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?” |
125 |
122 |
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24 |
152 |
149 |
標(biāo)準(zhǔn)通孔應(yīng)與相鄰導(dǎo)體保持最小間隙。間隙將取決于制造廠的特定加工能力，以及某些類型的PCB（如高壓板）所需的特定間隙。通孔到通孔的間隙將限制通孔的允許密度，典型的鉆孔壁到鉆孔壁的間隙高達(dá)10密耳。這些要求將限制層之間布線的密集程度以及將平面或多邊形連接在一起時的縫合過孔的密度。
通孔還是貼片？
選擇通孔元件或表面貼裝器件(SMD)將對您的總體成本和制造時間產(chǎn)生直接影響。建議在現(xiàn)代電路板設(shè)計(jì)中堅(jiān)持使用SMD，因?yàn)檫@樣可以加快電路板周轉(zhuǎn)速度和提高可靠性。現(xiàn)代設(shè)計(jì)所需的大多數(shù)組件都是作為SMD組件制造的。一些例外情況包括連接器，它們通常以SMD或通孔組件的形式提供。為了在設(shè)計(jì)中保持較低的生產(chǎn)成本并確保需要最少的焊道，最好只在一層上放置，即使在兩種類型的組件混合在同一類型的設(shè)計(jì)中的情況下也是如此。
環(huán)形圈
圓環(huán)通常定義為所需的墊板直徑與相應(yīng)的鉆頭直徑之間的差異，盡管這并不完全正確。我剛才提到的經(jīng)典定義是指通孔上的著陸墊。現(xiàn)實(shí)情況是，環(huán)形圈與通孔著陸焊盤尺寸大不相同；是指鉆孔、蝕刻、鍍銅后，鉆孔周圍的剩余銅環(huán)。由于制造過程中的漂移，鉆頭并不總是能完美地?fù)糁泻副P的死點(diǎn)。結(jié)果是鉆頭可能會稍微偏離中心，并會在通孔周圍留下一些銅。
從上圖中，我們可以看到完美制造過孔的環(huán)形圈寬度將遵循以下公式：
環(huán)形環(huán)寬度 =（墊的直徑 - 孔的直徑）/ 2
為確保電路板符合IPC可靠性標(biāo)準(zhǔn)，焊盤直徑應(yīng)比通孔鉆孔直徑大8mil（IPC Class 2）或10mil（IPC Class 3）。這是一個保守的限制，將確保完成的通孔周圍幾乎總是有一些環(huán)形圈。
通過縱橫比
通孔的縱橫比是通孔深度與鉆孔直徑之間的比率（電鍍后）。通孔的縱橫比應(yīng)保持足夠低，以確保這些結(jié)構(gòu)的高產(chǎn)量制造。對于更高級的設(shè)計(jì)，例如使用微孔的HDI PCB，縱橫比限制可能非常小，達(dá)到1:1或更小。在開始將通孔添加到PCB布局之前，請務(wù)必檢查制造商的能力。您可以在PCB設(shè)計(jì)規(guī)則中設(shè)置通孔尺寸限制。
Via-in-Pad 和 Micro Vias
當(dāng)連接密度變得非常高時，例如在具有細(xì)間距的BGA中，可以將過孔直接放置在組件的連接盤中。Via-in-pad設(shè)計(jì)允許緊密放置組件，因?yàn)橥撞槐胤胖迷诰嚯x其連接焊盤一定距離的地方。Via-in-pad設(shè)計(jì)需要填充一些導(dǎo)電或非導(dǎo)電環(huán)氧樹脂，然后進(jìn)行封蓋和電鍍以保護(hù)通孔結(jié)構(gòu)的內(nèi)部。
在仍然可以進(jìn)行機(jī)械鉆孔的情況下，Via-in-pad與通孔通孔一起使用，其限制可以小至8mil。當(dāng)組件密度極高時，需要使HDI設(shè)計(jì)技術(shù)來連接內(nèi)層。這是一個更高級的主題，在我們的其他電子書中進(jìn)行了討論。
過孔應(yīng)該搭帳篷嗎？
帳篷通孔是一種標(biāo)準(zhǔn)通孔，其表面層覆蓋有阻焊層，因此沒有銅暴露。通常將小通孔（12 密耳或更小）定義為帳篷。較大的通孔可能需要蓋帽和填充，然后才能用阻焊層覆蓋。過孔有多種原因，當(dāng)它們非常靠近SMD元件上的著陸焊盤時，最好將它們覆蓋。下面的示例顯示了一個實(shí)例，由于通孔和SMD組件上的一組焊盤之間的距離很近，因此需要使用帳篷。在這種情況下，如果通孔沒有搭上帳篷，焊料可能會通過這些通孔芯吸到電路板的背面，從而可能導(dǎo)致短路。
盡管存在組裝問題，但仍可能有理由讓通孔不加帳篷。例如，如果需要將特定的通孔用作測試點(diǎn)，則需要用探針訪問它，因此需要從該通孔去除阻焊層。測試將在本系列的下一章中詳細(xì)討論。
盲孔和埋孔
與通孔類似，盲孔和/或埋孔(BBV)是連接一層或多層的孔。在這個過程中，盲孔將外層連接到一個或多個內(nèi)層，但不連接到兩個外層，埋孔連接一個或多個內(nèi)層，但不連接到外層。下圖顯示了帶有盲孔和埋孔的6層PCB的示例橫截面圖：
不要僅僅假設(shè)您的制造商將能夠生產(chǎn)盲孔和埋孔的所有可能組合。機(jī)械鉆孔和激光鉆孔的盲孔和埋孔必須設(shè)置在特定層中以確保成功制造，它們不能放置在任意層對上。確保您首先聯(lián)系您的制造商，并獲得有關(guān)在PCB布局中使用盲孔和埋孔的一些指導(dǎo)。
縮頸
在某些情況下，有必要使走線縮頸，以便布線到組件的著陸焊盤中。頸縮跡線（有時稱為頸縮）連接到焊盤，并在距焊盤至少0.010英寸的地方延伸，然后逐漸變細(xì)至較大的跡線寬度。
對于受控阻抗走線，例如在高速設(shè)計(jì)中需要的，應(yīng)用頸縮通常不是一個好主意，因?yàn)檫@會產(chǎn)生阻抗偏差。相反，如果您需要保持更小的寬度，我們可以使用更薄的層。無論如何，這些設(shè)計(jì)的組件往往具有較小的著陸焊盤，因此如果疊層和走線尺寸合適，它們就不需要頸縮。
放置和定向您的組件
確定了您首選的組件類型后，現(xiàn)在是時候決定如何在板上有效地放置和定向這些部件了。此過程將對您如何利用電路板布局上的可用空間產(chǎn)生很大影響，并且可能是您設(shè)計(jì)過程中最具挑戰(zhàn)性的步驟之一。您將在下面找到有關(guān)如何優(yōu)化組件放置以使其既可制造又能夠滿足您的特定設(shè)計(jì)要求的具體建議。
在詳細(xì)介紹組件放置和方向之前，需要牢記幾條一般準(zhǔn)則：
將具有I/O和類似封裝的組件定向在同一方向。
嘗試將所有SMT組件放置在電路板的同一側(cè)，并將所有通孔組件（如果混合）放置在電路板的頂部。
當(dāng)您使用混合技術(shù)組件（SMT和PTH）時，制造商可能需要額外的焊接工藝來放置底部組件。
您應(yīng)該只用一條痕跡終止所有土地。
當(dāng)您在設(shè)備下指定芯片時，這會使檢查、返工和測試變得更加困難。
在組件的波峰焊側(cè)使用的所有組件都應(yīng)首先獲得制造商的批準(zhǔn)，以便浸入焊浴中。
有了本章中提供的信息，您現(xiàn)在已經(jīng)準(zhǔn)備好開始您的元件放置和定向過程，以滿足基本的可制造性要求?，F(xiàn)在您的設(shè)計(jì)已經(jīng)順利完成，是時候通過在下一章中配置您的測試點(diǎn)要求來完成電路板布局過程了。