PCB板设计与制作的可靠性研究毕业论文.docx
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PCB板设计与制作的可靠性研究毕业论文
PCB板设计与制作的可靠性研究毕业论文
本科生毕业论文（设计）
题目：
PCB板设计与制作的可靠性研究
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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指导教师签名：
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使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
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学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
内容摘要
摘要：
随着社会和科技的不断发展，PCB的布线布局也更趋向于精密化，这就对生产有了更高的要求，换句话来说，对生产的可靠性有了更大的要求，生产过程中的可靠性高了，生产出来的产品才会有更高的可靠性。
本文通过对生产中一些问题的分析，来阐述设计对制造生产过程中的可靠性的影响，或者说，设计时要怎么考虑才能使得生产中有更高的可靠性。
关键词：
PCB;可靠性;设计;生产
Abstract:
Withthecontinuousdevelopmentofsocietyandtechnology,PCBwiringlayoutisalsomoreinclinedtoprecision,whichhavehigherrequirementsontheproduction,inotherwords,thereliabilityofproductionhaveagreaterRequirements,highreliabilityoftheproductionprocess,andtheproductsproducedwillhaveahigherreliability.Basedontheanalysisoftheproductionofanumberofissuestoillustratethedesignprocessonthereliabilityofmanufacturingeffects,orthatthedesignshouldconsiderhowtomaketheproductionofhigherreliability.
Keyword:
PCB;reliability;design;production
绪论
1.印刷电路板的背景
PCB（printedcircuitboard），即印制电路板是在绝缘基材上，按预定设计，制成印制线路，印制元件或有两者组合而成的导电图形后制成的板。
它作为元器件的支撑，并且提供系统电路工作所需要的电气连接，是实现电子产品小型化、轻量化、装配机械化和自动化的重要基础部件，在电子工业中有广泛应用。
它在整个电子产品中，扮演了整合连结总其成所有功能的角色。
图1是电子构装层级区分示意。
图1电子构装层级区分
而近年来，随着科学技术的不断发展，电子产品日趋轻薄短小，使得PCB的制造面临了几个挑战：
（1）薄板
（2）高密度（3）高性能（4）高速（5）产品周期缩短（6）降低成本等。
以往以灯桌、笔刀、贴图及照相机作为制前工具，现在已经被计算机、工作软件及激光绘图机所取代。
过去，以手工排版，或者还需要Micro-Modifier来修正尺寸等费时耗工的作业，今天只要在CAM（ComputerAidedManufacturing）工作人员取得客户的设计资料，可能几小时内，就可以依设计规则或DFM（DesignForManufacturing）自动排版并变化不同的生产条件。
同时可以输出如钻孔、成型、测试冶具等资料。
而为了提高PCB生产的效率，提升生产中的成品率，降低生产的成本，在生产设备允许的条件下，规范的、符合生产设备要求的PCB设计在其中占了很大比重。
因此，在本文中将具体探究基于日常生产参数之上的PCB的设计规范问题。
2.“可靠性”的来源
第二次世界大战中，美国自己认为其军工技术是高超的，但事实上却相反，在许多地方都暴露了它的缺陷。
例如，根据已公开的统计，在美军运到远东的武器中，60%的飞机不能使用，电子设备有50%在库存中就发生了故障，轰炸机的电子设备寿命仅有20h，海军用的电子设备70%是有故障的。
而大部分故障都是发生在军用机器的心脏部分———电子设备。
据说这些事实使美国政府感到震惊，因而军方和民用企业共同努力，开展了可靠性的研究。
这就是可靠性问题真正受到重视的开始。
开始时，可靠性问题是专门针对电子管的，并且是以军方的研究为主，并成立了一系列研究机构和组织。
经过它们的研究，结果确定了高可靠度的规格，除电气特性之外，还提出了振动、冲击等环境因素。
与此同时，振动和冲击的试验、测量等技术也进一步发展起来了。
20世纪50年代，可靠性研究的范围从电子管扩大到整套电子设备，走上了轨道。
1950年，美国国防部成立了电子设备研究小组，陆海空三军中也分别开展了电子设备和元器件的可靠性研究工作。
1952年8月，美国国防部设立了著名的电子设备可靠性咨询小组（AGREE,Advisory,Group,onReliabilityofElectronicEquipment）。
电子设备可靠性咨询小组于1957年7月提出了报告。
报告以生产、试制时的可靠性测量方法为主提出了许多建议，成为以后军用品生产的规格和相继而来的许多研究工作的基础。
依据这份报告可以认为，到这个时期为止，可靠性问题的方向已具体地确立了。
3.可靠性的定义
可靠性一词有狭义和广义两种解释。
从广义上来说，可靠性是指消费者对产品满意的程度，或对企业信赖的程度。
但是这些都是由主观上来判定的，如要对可靠性作出具体的定量判定，就有必要为可靠性作出更为客观的解释。
这不是本书中要谈到的可靠性。
狭义上的可靠性是有客观的科学定义的，现在工业界广泛地使用如下的定义：
所谓可靠性，就是在给定条件下和规定时间内，元器件、设备或者系统完成规定功能的概率。
可靠性定义是一个科学的概念，对这一定义有必要加以说明。
1、可靠性具有定量性
所谓可靠性，并不是平常所说的那种可靠或不可靠，它不用“非常可靠”或“相当可靠”之类的方式来表达，而是要求用概率（Probability）来作定量的、客观的表示。
2、问题的对象
“零件、器件、设备或系统”是可靠性问题的主要对象。
3、完成规定的功能
“完成规定的功能”是制造设备或者系统的目的。
4、规定的时间
“规定的时间”是通过合同来决定的，长短不一，短的如导弹那样只有几分钟，长的也有如光缆之类达几十年之久的。
5、规定的条件
“规定的条件”就是使用条件、环境条件等，它包括所有物理、化学及人一机工程学的因素。
第1章PCB板设计的工艺规范及参数
1.1、总则
PCB设计在整个硬设计中起着关键的连接作用，它不仅要考虑考虑电原理功能上的实现，也要考虑后续生产、测试、使用、维修、归档继承等方面的因素。
1.2、基本工艺要求
1.2.1组装形式
PCB的设计首先应该确定SMD（贴装）与THC（插装）在PCB正反两面上的布局。
不同的组装形式有不同的工艺流程，对生产线也有不同的要求。
表1大致列出的几种组装形式是比较常见的。
表1PCB的组装形式
组装形式
示意图
PCB设计特征
1、单面全SMD
单面装有SMD
2、双面全SMD
双面装有SMD
3、单面混装
单面既有SMD又有THC
4、A面混装
B面仅贴简单SMD
一面混装，另一面仅装简单SMD
5、A面插件
B面仅贴简单SMD
一面装THC，另一面仅装简单SMD
注1：
简单SMD是指管脚间距或引线中心距大于1mm的SMD。
注2：
在波峰焊的板面上（4、5组装形式）避免出现仅几个SMD的现象，它增加了组装流程。
1.2.2PCB尺寸
在设计时，考虑到装焊以及生产的可行性，其最小的单板尺寸应不小于“宽120mmX长120mm”,一般最理想的尺寸范围是“宽（200mm-250mm）X长（250mm-350mm）”。
而表2列出其厚度与表面铜箔的厚度。
表2PCB厚度及铜箔厚度
PCB厚度
0.50.81.01.51.62.02.43.03.26.4（单位:
mm）
铜箔厚度
18（0.5oz/Ft2）35（1oz/Ft2）70（2oz/Ft2）105（3oz/Ft2）（单位
）
1.2.3PCB外形
1、对波峰焊，PCB的外形必须是矩形的（四角为R=1～2mm圆角更好，但不做严格要求）。
偏离这种形状会引起PCB传送不稳、插件时翻板和波峰焊时熔融焊料汲起等问题。
2、对纯SMT板，允许有缺口，但缺口尺寸须小于所在边长度的1/3，应该确保PCB在链条上传送平稳，见图2所示。
图2PCB外形
3、对于特殊情况，需要将PCB设计成非矩形，必须通过拼版方式将整体外形设计成矩形，有利于装焊，装焊后将附加的拼版部分掰去。
1.2.4传送边、挡条边、定位孔
PCB应该留出两条
5mm宽度的传送边，一边在流水线上传送。
如果元件较多，安装面积不够，可以将元件安装到边，但必须加上工艺传送边（通过拼板方式）。
另外，距边
1mm范围内不得有导体，否则在PCB制作时将进行刮铜处理，可能造成缺陷。
每一块PCB必须在其角部位置设计三个定位孔，以便在线测试和PCB本身加工时进行定位，定位孔直径为φ3.2mm。
定位孔、非接地安装孔均应设计成非金属化孔，非金属化孔周围需留出0.3mm宽的非铜箔区（即留出封孔圈），以便PCB制作时能封住孔使之不金属化。
1.2.5光学定位标志
对采用光学定位的贴装设备应该设计出光学定位标志。
光学定位标志用于贴片机整体自动定位，要求统一使用圆形定位标志。
光学定位标志应该在贴片机的光源照射下有高的对比度。
1.2.6PCB拼板设计
拼板设计首先要考虑的就是小板如何摆放，拼成较大的板。
建议以拼板后最终尺寸接近理想的尺寸为拼板设计的依据。
拼板的连接方式主要有双面对刻V形槽、长槽孔加圆孔和长槽孔三种，视PCB的外形而定。
具体见表3所示。
表3拼板连接方式
拼板方式
试用范围
特点
双面对刻V形槽
方形PCB
分离后边缘整齐、加工成本低
长槽孔加圆孔
各种外形的子板（小PCB，相对于拼后大的板而言）之间的拼板
分离后边缘不整齐，不适用导槽固定的PCB
同时为了分离方便以及满足插装时的刚度需要需设计连接桥，连接桥位置和数量的设置应该根据此板的组装工艺具体考虑。
1.2.7孔位图和非金属化孔的表示
在PCB的设计中应区分金属化和非金属化孔。
非金属化孔周围应该设禁止布线区，以免紧固件接触电路，直径大小根据紧固件的尺寸决定。
1.2.8铜箔与边框的间距
边框露铜容易造成一系列的问题，边缘腐蚀，与机壳短路等等。
因此要求，在PCB板覆铜时要离开板边缘最少1mm。
如果有电源、地层，则在电源、地层应沿PCB外框线画一条2mm宽的隔离线。
如图3所示。
同时地层的边框应比电源层的边框宽5mm。
图3为保证边框不露铜使用的隔离线
1.3、布线
1.3.1布线的基本原则
1、布线面的选择顺序应是单面、双面和多层，布线密度应综合结构要求、加工条件限制和电性能要求等各项因素合理选区。
在布线密度允许的条件下，应适当放宽导线宽度和间距。
2、两相邻面的印制导线应采取相互垂直、斜交、或弯曲走线，避免互相平行，以减小寄生耦合。
在同一面布设高频电路的印制导线，也应避免相邻导线平行段过长，以免发生信号反馈或串扰。
3、线拐弯处的外拐角应成圆形或圆弧形,以免在高频电路中造成辐射干扰和衰减。
避免使用直角拐角或45度拐角，推荐使用135度拐角和圆弧形拐角。
1.3.2布线密度设计
在组装密度许可的情况下，选用较低密度布线设计，以提高无缺陷和可靠性的制造能力，常用布线密度设计参考表4。
表4布线密度说明
（单位mm）
布线密度
一般
较密
高密度
甚高密
2.54mm网格通孔间布线示意图
线宽
0.3
0.25
0.2
0.15
线间隔
0.3
0.25
0.2
0.15
焊盘外径
1.78
1.67
1.54
1.5
1.3.3焊盘与印制线的连接
焊盘与印制线的连接设计主要是针对再流焊时元件处于浮动状态，为防止元件位置变动、防止每个焊盘上焊膏不同时熔化情况的产生而考虑的。
1、对于两个焊盘安装的元件，如电阻、电容，与其焊盘连接的印制线最好从焊盘中心位置对称引出，且与焊盘连接的印制线必须具有一样宽度，如图4所示。
图4阻容元件焊盘与印制线的连接
2、与较宽印制线连接的焊盘，中间最好通过一段窄的印制线过渡，这一段窄的印制线通常被称为“隔热路径”，否则，对2125（英制即0805）及其以下CHIP类SMD，焊接时极易出现“立片”缺陷。
具体要求如图5所示。
图5隔热路径的设计
3、对焊盘、过孔与连线的连接，采用水珠连接方式，可有效解决连线与焊盘、过孔的连接牢固问题，这一点在生产过程中尤为重要，一般工厂的工程部会的对非水珠连接方式的电路图进行修改。
1.3.4过孔位置的设计
过孔的位置主要与再流焊工艺有关，过孔不能设计在焊盘上，更不允许直接将过孔作为BGA器件的焊盘来用，应该通过一小段印制线连接，否则容易产生“立片”、“焊料不足”缺陷。
1.3.5大面积电源区和接地区的设计
面积超过φ25mm大面积电源区和接地区，如果无特殊需要，一般都应该开设窗口，以免其在焊接时间过长时，产生铜箔膨胀、脱落现象。
1.3.6引脚的连接
对于QFP等引脚间距很小（小于0.5mm）的器件，两脚相连时不可直接相连，而应通过引出线相连，否则在生产目检时容易与焊盘搭锡混淆。
如图6。
图6高密度引脚间距时，引脚间连接方式
1.4、基本参数
1.4.1最小线宽与最小线距
对于一般数字电路来说，最小线宽和线距受生产工艺条件限制。
太细易断路；太密易短路；太宽则无法布通。
布线完成后，必须进行DRC检查。
如表5所示最佳
最小线宽最先线距参数。
表5推荐最小线宽最先线距参数
布线密度
最小线宽、线距（mm）
一般
0.3
较密
0.25
高密度
0.2
甚高密度
0.15
1.4.2孔径
焊盘和过孔的孔径均是指喷锡以后的孔径。
生产厂家会自动加大钻孔尺寸，以保证喷锡后的孔径等于钻孔图中标示的孔径。
如表6。
表6推荐优先采用的孔径系列
公制（mm）
公制（mm）
0.25
0.9
0.4
1.0
0.5
1.3
0.6
1.6
0.7
2.0
0.8
1.4.3过孔
目前采用贯通式过孔（throughhole），如果因为布线密度问题需要采用埋孔（blind/buriedvia）应先与厂商协商。
表7所示过孔系列尺寸。
表7孔系列尺寸
外径（mm）
内径（mm）
过孔1
0.66
0.25
过孔2
1.0
0.5
过孔3
1.27
0.71
最小过孔
0.61
0.25
1.4.4焊盘
焊盘除了要求电气连接性能以外，还要求有一定的可焊性和机械强度。
一般焊盘应留有足够的焊环宽度，以保证焊接的可靠性，焊环宽度受布线密度影响。
通常越大的焊盘焊环宽度越大。
对于常用的IC和接插件，焊环宽度可0.33mm~0.41mm之间。
对于压接式焊盘，焊环允许减小。
允许的最小焊环宽度为0.20mm。
表8推荐优先选用的过孔、焊盘外径数值系列
公制（mm）
公制（mm）
0.66
1.50
0.75
1.55
0.90
1.80
1.00
2.00
1.25
2.50
第2章PCB板加工的工序工艺及参数控制
2.1、工程
工程部的作用主要是将用户提供的PCB布线图通过软件转化成实际加工所需要的工程图，为钻孔、丝印提供相关资料和菲林的制作。
工程部的工作可分为3个部分，即：
资料审查、资料转换、菲林制作。
2.1.1资料审查
工程部在开始生产之前，必须要对客户提供的PCB布线图进行审核，看能否符合本公司工厂生产的技术指标和参数，以避免无效加工，浪费材料，对效率和利润造成损害。
2.1.2资料转换
这一步主要是涉及CAD/CAM作业。
工程师将PCB布线图输入所使用的CAM系统中，将apertures和shapes定义好，就可以设定参数直接输出程式。
同时，目前已经有很多PCB的CAM系统可以接受ODB++格式，而且使用该格式就可以减少提供aperturefiles的步骤，提高了效率。
而关于ODB++格式，它是一种可扩充的ASCⅡ格式，ODB++是一種可扩充的ASCII格式，它可在单一数据库中保存PCB生产和装配所必需的全部工程数据。
单一文件即可包含图形、钻孔资讯、布线、元件、网表、规格、绘图、工程处理定义、报表功能、ECO和DFM结果等。
作业人员可改进和改正D
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