微电子制造综合课程设计报告.docx
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微电子制造综合课程设计报告
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
0805
10
1206
10
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。
SOP23
2
SOIC
2
PLCC44
2
FQFP48
4
DIP14
2
通孔插装电阻
5
DIP8
4
通孔插装电容
5
2、设计要求：
（1）掌握印制电路板计算机辅助设计软件，包括：
①掌握电路原理图与印制电路版图分析对比，提高识图能力；
②掌握电路原理图与印制电路版图的特点、规律及识图方法；
③掌握印制电路板计算机辅助设计软件PROTEL的应用；
④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：
①DFM原理与基本应用、设计原则以及相应的考核表；
②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；
③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：
①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；
②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：
①掌握贴片参数的设置与选取，贴片机的操作与编程；
②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：
①设计目的、元器件布局方案的选取、PCB布线设计说明等；
②绘制电路原理图、PCB板图等；
③编写SMT工艺文件清单；
④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，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PCB是电子设计的最终结果。
其作用有：
①提供集成电路中各种电子元器件的固定、装备的机械支撑；
②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；
③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：
①导线：
连接PCB上各元器件的引脚，完成各元器件之间的电信号连接；
②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；
③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；
④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；
⑤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
件轮廓形状和厂家标志、生产日期等，以方便电路安装和维修；
⑥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：
①单面混装━在PCB单面布放贴片元件或插装元件；
②两面贴装━在PCB单面或两面均布放贴片元件；
③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）PCB基板的选用
对PCB基板的性能要求主要有：
1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/cm²以上；
2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；
3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3.2×1.6mm²时，就必须注意这个问题；
4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260ºC,10秒；
5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，基板必须具有高的导热系数；
6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/cm²以上；
7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
1PCB厚度：
一般PCB厚度取0.5-4mm，推荐采用1.6-2mm；
2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，其中一个孔可以设计成椭圆形状，在定位孔周围1mm范围内不能有元器件。
3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；
4PCB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；
5PCB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。
6拼板设计：
对PCB的拼版格式一般有以下几点要求：
●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；
●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；
●每块拼板上应设计基准标志，让机器将每块拼板当作单板看待；
●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1/6━1/8左右；
●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：
1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。
2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。
3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。
4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。
5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。
6发热元件要一般应均匀分布，以利于单板和整机的散热，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。
7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。
8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。
9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。
10BGA与相邻元件的距离>5mm。
其它贴片元件相互间的距离>0.7mm；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。
11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。
12IC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。
13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。
14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。
15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。
16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：
V—CUT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：
1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。
2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）
0.20
0.55
0.80
1.10
1.35
1.60
2.00
线宽（mm）
0.15
0.20
0.30
0.40
0.50
0.60
0.80
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
8～64
8～124
8～244
组装公差（mm）
0.25
0.125
0.05
导线/间距（mm）
0.30
0.15
0.125
焊盘（mm）
1.5
0.75
0.63
孔（mm）
1.0
0.4
0.4
圆环（mm）
0.25
0.2
0.125
（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：
●6mil：
用于FQFP焊盘的引出线；
●
10mil：
用作基本线宽；
●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：
①全局基准点（GlobalFiducials）━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）
②局部基准点（LocalFiducials）━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
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（θ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（θ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
1形状
三角形、菱形、圆形、正方形等，最佳基准点形状是实心圆。
2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
3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。
4边缘距离
基准点要距离印制板边缘至少5.0mm[0.200"]（SMEMA的标准传输空隙），并满足最小的基准点空旷度要求。
5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5~10微米[0.0002~0.0004"]。
焊锡涂层不应该超过25微米[0.001"]。
如果使用阻焊（soldermask），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。
6尺寸
基准点标记最小的直径为1mm[0.040"]。
最大直径是3mm[0.120"]。
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"]。
7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。
●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：
①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。
②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。
③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。
④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。
⑤测试点不可设置在PCB边缘5mm的范围内，以留出保证夹具夹持的空间。
⑥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。
⑦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。
●电气设计的要求如下：
①在电路的走线上设置测试点时，可将其宽度放大到40mil宽。
②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。
③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。
④每个电气节点都必须有一个测试点，每个IC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。
⑤PCB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。
1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
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