SMT电子制造成本是设计出来的！PCB路线设计真的很重要 !

导读：PCB（Printed Circuit Board），中文名称为印制电路板，又称印刷线路板，是重要的电子部件，是电子元器件的支撑体，是电子元器件电气连接的载体。由于它是采用电子印刷术制作的，故被称为“印刷”电路板。随着电子设备越来越复杂，对PCB尺寸的要求也越来越小，与此同时，PCB设计难度也越来越大;电子制造各行各业的PCB控制板，如空调，液晶电视，汽车电子，智能手机，智能安防等等电子产品都要用到PCB电路板；今天本文就对此谈谈一款优秀PCB设计中要把握的几大要点及案例。

做产品设计的研发人员一定都听说过一句话：成本是设计出来的。刚刚走上研发岗位的新手们对此可能不太理解，但做研发越久的人对这句话的理解越深刻。产品的物料成本、加工成本、生命周期维护成本等等，都是与设计息息相关的。当一个新产品的设计图纸定稿的时候，它80 % 的成本也随之确定了，因此对于成本敏感的产品，做好前期的设计就显得尤为重要了。

产品设计需要考虑的维度有很多很多，比如物料厂家的选择、物料归一化、降额设计、安规 / EMC设计、PCB工艺设计以及单板工艺路线设计等等。其中单板工艺路线设计就是影响产品成本的因素之一，好的工艺路线设计不但可以让产品加工顺畅，还能有效降低加工成本；反之，如果在设计时不考虑好工艺路线，就会给生产造成很多不必要的麻烦，随之而来的就是产品质量的下降和加工成本的上升。

这几年接触到的客户的产品，这方面的案例很多，比如下面这几个：

1、设计不合理导致单板不满足波峰焊要求，必须采用手工焊接。如下图这款产品的双面插件设计。

手工焊接的成本是波峰焊的2 - 3倍，插件数越多，对加工成本的影响越显著，更何况手工焊接还会带来焊点质量不可靠的隐患。

2、单板SMT加工效率低，比较常见的是小尺寸的单板不做拼板或是拼板数偏少，造成SMT加工资源的浪费。

对于这一点，我自己有深切的体会，几年前开发一款产品时，仅仅是讲1 * 2的拼板改为2 * 2的拼板，就可以节省3块多钱的加工成本，这款产品的年发货量超百万，带来的成本收益相当可观。

3、单板未预留贴片机传送边，导致需要增加工艺辅助边或者是SMT托盘。

这种设计也是比较常见的，单板异形或者是板边SMT器件根本不满足传送边基本要求，就会导致SMT无法加工，而增加辅助边就会带来加工工序的增加，直接导致加工加工成本的上升。

4、工艺路线不够简洁，增加了额外的工序。

这种比较常见的是整块单板只有一个或少数几个插座选用了插件型号，其他的都是表贴器件，生产加工就必须得多安排一道DIP波峰焊的工序或人工补焊工序。或者是有一些产品本来可以做到单面SMT的，却非要在背面布局几颗电容，加工时就硬生生多出来一次SMT流程。

PCB的元器件焊盘设计是一个重点，最终产品的质量都在于焊点的质量。因此，焊盘设计是否科学合理，至关重要。

对于同一个元件，凡是对称使用的焊盘（如片状电阻、电容、SOIC、QFP等），设计时应严格保持其全面的对称性，即焊盘图形的形状与尺寸应完全一致。以保证焊料熔融时，作用于元器件上所有焊点的表面张力（也称为润湿力）能保持平衡（即其合力为零），以利于形成理想的焊点。

以下分类讲一下不同类型元器件的焊盘设计要求：

一、片式（Chip）元件焊盘设计应掌握以下关键要素

对称性：两端焊盘必须对称，才能保证熔融焊锡表面张力平衡；对于小尺寸的元件0603、0402、0201等，两端融焊锡表面张力的不平衡，很容易引起元件形成“立碑”的缺陷。

焊盘间距：确保元件端头或引脚与焊盘恰当的搭接尺寸；焊盘剩余尺寸：搭接后的剩余尺寸必须保证焊点能够形成弯月面；焊盘宽度：应与元件端头或引脚的宽度基本一致。

二、BGA的焊盘设计原则

1、PCB上的每个焊盘的中心与BGA底部相对应的焊球中心相吻合；2、PCB焊盘图形为实心圆，导通孔不能加工在焊盘上；3、与焊盘连接的导线宽度要一致，一般为0.15mm~0.2mm；4、阻焊尺寸比焊盘尺寸大0.1mm~0.15mm；5、焊盘附近的导通孔在金属化后，必须用阻焊剂进行堵塞，高度不得超过焊盘高度；6、在BGA器件外廓四角加工丝网图形，丝网图形的线宽为0.2mm~0.25mm。

BGA器件的焊盘形状为圆形，通常PBGA焊盘直径应比焊球直径小20 % 。焊盘旁边的通孔，在制板时须做好阻焊，以防引起焊料流失造成短路或虚焊。BGA焊盘间距应按公制设计，由于元件手册会给出公制和英制两种尺寸标注，实际上元件是按公制生产的，按英制设计焊盘会造成安装偏差。

上面提到的PBGA是塑封体，有铅PBGA的焊球的材料为63Sn37Pb，与有铅焊料的成份是一致的，在焊接过程中与焊料同时融化，形成焊点。无铅PBGA的焊球是SAC307或SAC305，与常用的无铅焊料的成份也比较接近，在焊接中也会融化，形成焊点。

但是还有一种BGA，封装体是陶瓷，称为CBGA，CBGA的焊球是高温焊料，其熔点远远高于常见的焊料，在焊接中，CBGA的焊球是不融化的，因此，CBGA的焊盘设计与PBGA的焊盘设计是不一样的。

三、插装元器件焊盘设计

1、孔距为5.08mm或以上的，焊盘直径不得小于3mm；2、孔距为2.54mm的，焊盘直径最小不应小于1.7mm；3、电路板上连接220V电压的焊盘间距，最小不应小于3mm；4、流过电流超过0.5A（含0.5A）的焊盘直径应大于等于4mm；5、焊盘以尽可能大一点为好，对于一般焊点，其焊盘直径最小不得小于2mm。

插装元器件焊盘孔径设计

采用波峰焊接工艺时，元件插孔孔径，一般比其引脚线径大0.1 mm - 0.3mm为宜，其焊盘的直径应大于孔径的3倍。电阻、二极管的安装孔距应设计为标准系列7.5mm、10mm、12.5mm、15mm，电解电容的安装孔距应与元件引脚距一致，三极管的安装孔距应为2.54mm。

四、采用波峰焊工艺时，贴片元件的焊盘设计

采用波峰焊焊接片式元件时，应注意“阴影效应 (缺焊)、‘桥接’ (短路)”的发生，对于CHIP元件，应将元件的轴向方向垂直于PCB的传送方向，小的元件应在大的元件前面，间距应大于2.5mm；

采用波峰焊工艺时焊盘设计的几个要点

1、高密度布线时应采用椭圆焊盘图形，以减少连焊；2、为了减小阴影效应提高焊接质量，波峰焊的焊盘图形设计时对于SOT、钽电容，延伸元件体外的焊盘长度，在长度方向应比正常设计的焊盘向外扩展0.3mm；3、对于SOP，为防止桥接，对SOP最外侧的两对焊盘加宽，以吸附多余的焊锡；或设置工艺焊盘（也称为盗锡焊盘）。工艺焊盘是个空焊盘，作用就是吸收多余的焊锡，它的位置是在沿传送方向的最后一个焊盘的后面。

挑战：消除原理图设计错误

原理图是每个PCB设计的控制文件。它控制着设计目的，驱动着下游工艺流程，包括仿真、分析、布局、制造和组装。因此，原理图非常关键，它要准确反映出产品的电了要求和技术规格。

在过去，验证原理图是否正确地传达了设计意图的所有关键任务是由一名或多名硬件工程师手动完成的。这种验证方式通常是每次检验一张表或一个区块，过程中会采用一些自动化技术辅助完成验证，例如将物料清单和 / 或网表导出到文本文件或电子表格。

原理图验证是硬件工程师的一项常规职责，这就如同PCB布局验证是PCB设计师的一项工作职责。但随着如今的电路设计变得越来越复杂，对原理图进行手动验证，这种耗时的方法已经不再可行。手动验证复杂的电路会带来很大的风险，因为人工无法检测出的原理图设计错误，随后可能会进入下游工艺流程，最终会影响到成品线路板。其后果就是重新设计，导致成本增加、上市时间延长。

最近，一项由Aberdeen集团完成的调查表明，65 % 的受访公司认为不断增加的产品复杂程度已经成为PCB设计的主要挑战（图1）。

图1：PCB设计面临的主要挑战

（来源：Aberdeen集团）

Aberdeen Group的调查结果强调了确保原理图设计在整个产品开发过程中零错误的重要性。一个高效的全自动原理图审查流程可以帮助设计团队消除原理图设计错误，从而减少费用高昂的重新设计，并缩短上市时间。

上面只是简单举了几个例子，工艺路线的设计其实并不复杂，只要在产品开发的过程中有工艺人员把把关，上面这几个问题都是可以规避掉的。难就难在现在大多数的企业，并没有工艺人员参与到研发设计，生产与研发处于脱节的状态，就会导致一些本来可以避免的问题遗留到生产环节来解决，而生产在解决这些遗留问题的时候，往往需要投入大量额外的时间、人力以及物力。这些，都是造成加工成本上升的原因。所以，研发阶段的评审是非常有必要的，让各个维度的专业工程师对产品做全方位的审核把关，才是最有效的提高质量、降低成本的方法。

当一块PCB板完成了布局布线，又检查连通性和间距都没有报错的情况下，一块PCB是不是就完成了呢？答案当然是否定。很多初学者也包括一些有经验的工程师，由于时间紧或者不耐烦亦或者过于自信，往往草草了事，忽略了后期检查。结果出现了一些很基本的BUG，比如线宽不够，元件标号丝印压在过孔上，插座靠得太近，信号出现环路等等。从而导致电气问题或者工艺问题，严重的要重新打板，造成浪费。所以，当一块PCB完成了布局布线之后，很重要的一个步骤就是后期检查。

PCB在设计后需要做哪些检查？

在电子制造行业，工艺设计师设计完PCB后，是否需要对设计成果进行检查？回答是肯定的，而且检查方式不止一种。

第一种是DRC检查。DRC检查也叫设计规则检查，是PCB设计软件 (EDA)中用于在PCB Layout过程中实时检查和发现与预定设计规范不符的设计。用于保证设计正确性和满足常规设计规范为出发点，是PCB设计中不可缺少的部分。基于DRC的作用和目的，它的检查项目一般不超过100个检查细项。

第二种则是DFM检查。DFM检查也叫可制造性设计分析，是依据PCB设计数据通过真实三维元件模型和实际制造工艺进行仿真，在制造前对PCB和PCBA进行全面的可制造性设计评审，第一时间发现设计的缺陷或不足、工艺难点、制造风险、设计和工艺的不匹配因素等，确保设计与工艺能力完全匹配，从实质上减少产品试产次数，节约生产成本，提升产品可靠性。

这两种检查是设计在不同阶段的不同检验，缺一不可。DRC是PCB设计软件用于确保不违反自身设计的规范（约束条件），满足DRC检查是PCB设计的最基本要求，满足DRC不代表就一定满足了可制造性要求。DFM是PCB设计和制造工艺之间的桥梁，属于工艺设计范畴，通过它可以发现设计和制造工艺的不匹配因素、评估出制造难度、制造风险等等，这些都是PCB设计软件中的DRC不能涵盖的。

DFM本身和DRC检查没有冲突，二者解决的问题不同、阶段不同、最终的目的也不同。所以，区别也是非常明显。

1、DRC和DFM的区别

2.元器库区别

EDA元件库 = 焊盘封装库

DFM元件库 = 三维实物模型

3、DFM：PCB + 元件模型 + 工艺 = 装配仿真

4、DFM：真实的三维模拟装配仿真分析

5.DFM：全面的分析规则

因此，在PCB设计后的检验中，应该在不同阶段，进行不同的检验，才能确保产品达到预期效果。