鄭友文

汕頭超聲印制板公司

1 概述

眾所周知，PCB布圖設(shè)計直接關(guān)系到PCB生產(chǎn)的可制造性，業(yè)界PCB布圖設(shè)計的EDA工具大致有Protel、PCAD、Mentor graphics、PowerPCB和Allegro，輸出數(shù)據(jù)格式有Gerber、Pentax、ODB++、DPF、Image、Orbotech，Gerber格式為最流行的數(shù)據(jù)格式，大多數(shù)PCB制造商都采用這種格式，以Gerber為例，數(shù)據(jù)經(jīng)Genesis系統(tǒng)處理后形成可用于生產(chǎn)制造的圖形菲林。原始CAD設(shè)計數(shù)據(jù)經(jīng)CAM導入、轉(zhuǎn)換、MI制前優(yōu)化處理、生產(chǎn)菲林繪制、加工流程及控制參數(shù)設(shè)置，屬PCB生產(chǎn)鏈的前沿工序。如何更合理、更有效地進行制前DFM（可制造性設(shè)計）不僅關(guān)系到產(chǎn)品加工成本、產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)效率，而且直接影響到客戶與供應(yīng)商合作的信心，是決定PCB制造商能否在激烈的行業(yè)競爭中立于不敗之地的重要一環(huán)。換言之，CAD設(shè)計者在PCB 布線設(shè)計前需要深入了解PCB生產(chǎn)過程中的加工要素及難點，努力避免設(shè)計上的不合理造成加工質(zhì)量、成本及生產(chǎn)效率上的雙重浪費。 以下分別從CAM、MI、PANEL三部分加以解析、概述，系統(tǒng)闡明PCB制前DFM的必要性及重要性。

2 作業(yè)流程

Pre-production DFM作業(yè)流程如圖1所示。

3 CAM

CAM對客戶數(shù)據(jù)處理的目的是將客戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成GENESIS2000系統(tǒng)內(nèi)部多層次視圖，對圖形優(yōu)化處理并作MRC檢查，同時將客戶提供的各類信息加以可視化處理，達到將客戶信息準確無誤的向下傳遞的目的，最終形成原始內(nèi)部客戶資料。

Gerber數(shù)據(jù)一般有兩種：RS274X和RS274D，RS274X是RS274D 的擴展，文件已包含D碼；CAM 軟件可自動錄入RS274X數(shù)據(jù)，錄入過程無需人工參與，處理速度速、效率高，但有一些指令定義不嚴謹，如 G36 & G37 指令所形成的自交叉多邊形填充，經(jīng)CAM軟件還原為圖形后可能與原始圖形有所差異。而RS274D數(shù)據(jù)必須同時提供D碼表，錄入D碼過程人工參與程度大，煩瑣、耗時。另一種重要的數(shù)據(jù)格式ODB++（Open Data Base），由Valor公司推出，其思想最適應(yīng)當今設(shè)計制造一體化的要求，可將DFM 規(guī)則真正嵌入設(shè)計過程，集設(shè)計、制造、組裝所需要的數(shù)據(jù)于一體，是一種能真實描述印制板的智能級ASCⅡ格式數(shù)據(jù)庫，很可能是未來發(fā)展的趨勢。

CAM作業(yè)內(nèi)容主要包括：INPUT（將客戶數(shù)據(jù)導入GENESIS系統(tǒng)），Netlist Analyzer（將導入GENESIS系統(tǒng)形成的網(wǎng)絡(luò)與客戶提供的網(wǎng)絡(luò)文件進行對比，以確保數(shù)據(jù)導入的正確性及完整性），CLEANUP（將客戶原始點、線數(shù)據(jù)定義的形狀轉(zhuǎn)換為面屬性的圖形，并定義圖形屬性，孔與盤中心對位校準，形成可用于GENESIS系統(tǒng)內(nèi)部可編輯的圖形數(shù)據(jù)），MRC CHECK，OUTPUT。

CAM制作所運用到的工具有：GENESIS2000系統(tǒng)、CAM350及AutoCAD。

4 MI

4.1 概述

MI英文全稱為Manufacture Instruction，指生產(chǎn)某一產(chǎn)品的生產(chǎn)流程指示。MI工程師以符合客戶要求為基準，結(jié)合工廠實際生產(chǎn)能力，選擇最佳的工藝路線、加工手段及盡可能的以最低的成本制造出最好的產(chǎn)品為原則進行MI設(shè)計。如果說CAM的作用是將客戶數(shù)據(jù)完整的轉(zhuǎn)換為GENESIS2000系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)，則MI將對這些數(shù)據(jù)進行DFM分析及優(yōu)化，主要包含：阻焊分析、字符分析、孔分析、線路分析、外形分析、疊層及阻抗設(shè)計、拼板設(shè)計及其他方面設(shè)計。以下分別從上述各方面進行討論，闡述設(shè)計過程中經(jīng)常遇到的客戶設(shè)計及實際生產(chǎn)上碰到的問題。

4.2 阻焊分析

業(yè)界阻焊劑一般采用液態(tài)感光阻焊劑，常規(guī)加工方式有絲印和噴涂兩種，顏色則有綠、藍、黑、紅色等阻焊劑，由于綠色為普遍采用的阻焊顏色，故阻焊生產(chǎn)上很多時候稱為 “綠油”，其加工原理為阻焊層未開窗區(qū)域曝光時發(fā)生光聚合反應(yīng)，而開窗區(qū)域未發(fā)生光聚合反應(yīng)而被顯影液溶解掉形成阻焊圖形（圖2）

圖2 曝光原理示意圖

阻焊分析項目主要包含過孔阻焊分析、PTH孔阻焊分析、線路阻焊分析、SMT阻焊條分析、阻焊字符分析、特殊區(qū)域阻焊分析（如：金手指區(qū)域阻焊分析）及二次裝配蓋可剝離藍油區(qū)域阻焊分析。

4.2.1 過孔阻焊分析

客戶原始設(shè)計過孔阻焊開窗情況分為：開半窗、單面開窗、開小窗；表格1列出各種過孔開窗情況的處理方式及問題點。

表1 過孔阻焊分析

4.2.2 PTH孔阻焊分析

PTH孔（這里指除Via孔外鍍通孔）阻焊設(shè)計一般為開窗，這些孔部分為元件孔（將元件接線端固定于印制板并實現(xiàn)電氣連接），需分析此類孔阻焊設(shè)計以避免CAD設(shè)計錯漏，為客戶設(shè)計把關(guān)。

4.2.3 線路阻焊分析（是否露線、銅）

線路表面涂覆阻焊劑，以防止導體等不應(yīng)有的沾錫，防止導體間因潮氣或化學品引起的電氣短路；防止印制板后道工序生產(chǎn)和電裝中不良持取所造成的斷路；以及抵抗各種惡劣環(huán)境對印制板的侵蝕，從而保證印制板能發(fā)揮其應(yīng)有的功能。在線路阻焊分析時，特別對于阻焊設(shè)計開窗露線、銅等要提出確認，以確認是客戶特殊設(shè)計還是設(shè)計上的遺漏。

4.2.4 SMT阻焊條分析

客戶原始SMT阻焊設(shè)計通常分為兩種，整排開窗、獨只開窗。整排開窗的SMT阻焊設(shè)計當然對PCB生產(chǎn)最有利，但由于SMT器件封裝的要求，SMT間往往要求保留阻焊條以避免焊接連焊問題。影響SMT間阻焊條加工的因素有：阻焊劑厚度要求、阻焊顏色要求、外層銅厚要求及SMT間距及尺寸。

阻焊劑厚度要求越厚，阻焊條寬度需越寬，由于后續(xù)表面處理工藝的藥水、藥液對阻焊橋有攻擊、侵蝕的作用，小阻焊橋容易受沖擊而存在剝離脫落的風險；

阻焊顏色：不同顏色的阻焊油墨具有不同的性能，其加工參數(shù)及特性都有所不一致，特別是結(jié)合力，故阻焊劑顏色對SMT間阻焊條加工也是一個相當大的影響要素。一般情況下主流為綠色阻焊劑，阻焊條加工能力較好。

外層銅厚要求對SMT阻焊條能否良好加工是另一個決定性的因素，外層線路通過蝕刻的方式形成圖形，制前DFM對客戶原始圖形進行定量的工藝線寬補償形成生產(chǎn)菲林，線路補償以抵消蝕刻過程中藥水對銅的蝕刻損耗以達到客戶要求的線寬，不同的基銅厚度生產(chǎn)線路補償值不同，銅厚越厚補償值越大，同時，銅厚越厚則阻焊橋也越厚，對于曝光能量的要求，側(cè)蝕的控制及油墨的結(jié)合力要求也越高，需要更寬SMT間距以滿足補償要求及確保阻焊條，表2以列表方式舉例說明不同基銅的SMT間距設(shè)計參考。

表2 SMT間距設(shè)計參考表

4.2.5 阻焊字符分析

阻焊字符分析主要針對噴錫板件，小線寬阻焊字符容易受高溫沖擊而產(chǎn)生剝離現(xiàn)象，因而需要加大線寬以增強阻焊字符與板件的附著力，這就需要客戶設(shè)計時調(diào)整阻焊窗分布以便有更足夠的空間來放置阻焊字符。

4.2.6 金手指區(qū)域阻焊分析

金手指是重要的插接區(qū)域，金手指焊墊良好的接觸性有賴于金手指表面的平整度，故一般金手指區(qū)域阻焊開窗設(shè)計為整排開窗，而連接金手指焊墊的過孔建議塞油處理以避免過孔盤半鍍金或是受后續(xù)表面處理工藝藥水侵蝕半鍍金過孔盤而引起鍍金層剝離，對于連接金手指焊墊的開窗PTH孔，建議設(shè)計在距金手指焊墊邊緣1.2 mm以外的區(qū)域。

4.2.7 二次裝配蓋可剝離藍油區(qū)域的阻焊分析

二次裝配區(qū)域要求印可剝離藍油以避免二次裝配區(qū)域受首次裝配錫膏污染，由于可剝離藍油對位精度稍差，需分析與阻焊區(qū)域的間距能否滿足公差要求，以避免藍油印上阻焊開窗焊墊而影響首次焊接。

4.3 字符分析

字符分析主要對客戶設(shè)計原始字符圖形，分析字符線寬以避免字符模糊，分析字符距外形距離以避免字符殘缺，分析字符距孔間距以避免非塞油孔滲字符油墨，分析字符距阻焊窗間距以避免字符上焊墊而影響焊盤焊接性能。

4.4 孔分析

孔分析包括孔公差、孔間距、孔距線、孔距外形、管位孔等參數(shù)，具體見表3。

表3

對于孔的技術(shù)設(shè)計說明建議以表格的形式提供，直觀清晰，例如表4、表5。

表4

表5

4.5 線路分析

線路分析首先分析線寬間距，各層線路的制作通過圖形轉(zhuǎn)移及蝕刻形成線路圖形，影響線寬間距的加工因素主要有設(shè)備曝光、顯影能力及蝕刻能力，板件銅厚要求及線路的分布等，合理的線路分布需得益于好的PCB布圖設(shè)計。下面舉例說明不同的圖形設(shè)計對生產(chǎn)及產(chǎn)品性能的影響。

4.5.1 BGA設(shè)計

BGA（英文全稱Ball Grid Array），是現(xiàn)代組裝技術(shù)的一種新概念，是高密度、高性能、多功能及高I/O數(shù)封裝的最佳選擇。BGA焊盤的pitch值設(shè)計不能太小，由于pitch值設(shè)計值太小而導致BGA焊盤開窗后焊盤間無阻焊條，實際生產(chǎn)中過程控制難度相當大，易于造成成品板在焊接過程出現(xiàn)連焊，致使成品板短路而返工或報廢，因此建議在BGA焊盤的pitch值設(shè)計時，盡量使其有足夠大的間距以確保BGA焊接盤間有阻焊條且焊接盤不因?qū)ξ浑y度高而對偏滲油，有利于PCB生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制，也可杜絕成品板在安裝過程中的隱患。

其次，BGA區(qū)域圖形設(shè)計盡量避免如圖3所示設(shè)計，該設(shè)計部分BGA焊盤設(shè)計在大銅面上且BGA區(qū)域留有一些獨立的大銅面，而基材上和大銅面上BGA焊盤設(shè)計了同樣大小的阻焊窗，使得實際完成的大銅面上BGA焊盤會比基材上的大，引起同一器件BGA焊盤大小不一致，進而影響其焊接性性能；如圖3所示BGA圖形的設(shè)計對PCB生產(chǎn)過程的控制及成品板的焊接性能都極為不利，建議BGA焊接盤應(yīng)盡量不要設(shè)計在大銅面上，同時取消BGA區(qū)域的塊狀銅皮，即轉(zhuǎn)換為如圖4所示的BGA圖形設(shè)計。

圖3

圖4

再者，BGA焊接盤與過孔盤距離的設(shè)計不能太近，太近的話易造成BGA焊盤滲油及塞油孔爆油風險，加大板件在生產(chǎn)過程中的控制難度及影響成品板的焊接性能和安裝，建議BGA焊盤與導通孔間邊緣距離設(shè)計≥10 mil。

4.5.2 內(nèi)層圖形設(shè)計

單元內(nèi)線路圖形設(shè)計應(yīng)避免離外形線太近（如導通連線等），如線路太近外形則銑外形時易傷及線路，嚴重時可能會銑斷線路，造成板件報廢，提高制作成本，而制前DFM處理移線太多會影響制作效率，在花費大量的時間來優(yōu)化此類近線設(shè)計的同時也增加了出錯機率，另一方面若圖形太過密集而無法作調(diào)整則提高了板件的制作難度，建議設(shè)計時應(yīng)盡量將線路等圖形設(shè)計在距離外形線≥0.5 mm的區(qū)域。

內(nèi)層線路圖形與鉆孔距離應(yīng)避免設(shè)計得太近，線路距孔間距應(yīng)確保內(nèi)層的圖形對位公差、孔位公差、孔補償及線路補償?shù)男枰?，線路距孔太近導致內(nèi)層漲縮、層壓、鉆孔等工序的難度大大提高，進而導致沉銅后板件短路，造成成品率低及成本的浪費，加大了板件在生產(chǎn)過程中的控制難度。建議孔距線在間距允許的情況下，應(yīng)將線路圖形設(shè)計在離鉆孔≥0.275 mm以上，有利于板件的生產(chǎn)控制及成品率提高（圖5）。

圖5 內(nèi)層孔距線DFM優(yōu)化

如圖6所示，內(nèi)層線路有網(wǎng)格設(shè)計，此設(shè)計對制作DFM優(yōu)化效率影響很大，對生產(chǎn)控制也帶來很大麻煩，內(nèi)層AOI的檢查因此類圖形造成的假點太多而無法檢查，若采用目檢檢查，則由于線路密集混亂，檢查難度大、耗時長，且無法100%保證板件質(zhì)量。建議此類設(shè)計時更改為銅皮形式（如圖7所示），以免浪費DFM優(yōu)化時間及確保生產(chǎn)AOI檢查的可控性。

圖6

圖7

內(nèi)層圖形設(shè)計應(yīng)避免孤立設(shè)計，如圖8所示，對于阻抗控制或薄芯板設(shè)計的板件，線寬控制難度大，易折板，34.3μm厚銅板件還帶來了較大的蝕刻藥水損耗，建議設(shè)計時，在不影響其功能和性能的前提下，應(yīng)盡量多加銅皮及銅點，使均勻分布圖形如圖9所示。

圖8

圖9

4.5.3 外層圖形設(shè)計

外層圖形設(shè)計應(yīng)避免將連通導線或者SMD焊墊等圖形設(shè)計得離外形線及V-CUT線太近，DFM優(yōu)化時需對距離過近處作移線及削焊墊處理，否則銑外形時存在翹銅、露銅風險，嚴重時可能會削斷連通導線，在布線密度允許的情況下，盡量將圖形設(shè)計在距離外形線≥0.375 mm，距V-CUT線≥0.5 mm，有利于板件的質(zhì)量及制作成本控制。

如圖10所示外層圖形的網(wǎng)格設(shè)計，網(wǎng)格點設(shè)計大小不一致，容易造成干膜碎的脫落，污染藥缸，板件本身也會由于這些細小的干膜碎而容易出現(xiàn)缺口等導致板件報廢的質(zhì)量問題，殘留于藥缸中的干膜碎也會影響后續(xù)在此藥缸中生產(chǎn)的板件，造成良品率的下降從而導致制作成本的提升，建議應(yīng)盡量加大網(wǎng)格點的間距，可能的話不采用網(wǎng)格設(shè)計，如需設(shè)計則建議設(shè)計網(wǎng)格點的間距≥0.5 mm，且確保完整及大小一致的網(wǎng)格點，以利于板件的生產(chǎn)控制及成品率的提高。

圖10

外層線路圖形分布設(shè)計時，盡量考慮圖形的分布，使得整板的圖形分布均勻，避免存在太過孤立的線路和鉆孔，因孤立線及孤立孔容易造成夾膜及孔小的品質(zhì)問題。適當?shù)脑黾悠胶忏~點或銅皮有助于提高制作質(zhì)量，舉例如圖11。

圖11

4.6 疊層及阻抗設(shè)計

疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計：在滿足客戶要求前提下，結(jié)合工廠的實際生產(chǎn)能力，設(shè)計出成本低、品質(zhì)優(yōu)、效率高的疊層結(jié)構(gòu)。對于疊層要求建議以表格化說明，格式如表6所示，以更清晰的表述客戶需求。

表6 客戶疊層要求

阻抗設(shè)計：以客戶提供之信息為基礎(chǔ)，按工廠工藝提供的阻抗計算規(guī)則進行阻抗理論值的核算；同時根據(jù)表面鍍銅厚度、流程的能力、MI不同設(shè)計參數(shù)等，依阻抗計算公式計算后與客戶要求值的差距并在客戶允許的范圍內(nèi)適當調(diào)整線寬、疊層結(jié)構(gòu)等參數(shù)，以滿足客戶的要求。對于客戶阻抗需求建議以表格的形式表述，如表7、表8所示，以表格的形式不僅能清晰的說明阻抗要求，而且能促進制前DFM阻抗設(shè)計的效率。阻抗計算軟件目前流行的有Polar Si6000，如圖12所示。

圖12

對于阻抗技術(shù)設(shè)計說明建議以表格的形式提供，例如表格6-2、6-3。

表7

表8

4.7 工程指示設(shè)計

MI對Gerber數(shù)據(jù)進行MRC分析后制作出用于指導生產(chǎn)制作的工程指示，制作完成后輸出的技術(shù)資料包括：流程卡、鉆嘴補償表、外形及各層菲林圖紙、拼板圖等，所運用到的軟件有Paradigm系統(tǒng)和engenix系統(tǒng)。

5 PANEL

依據(jù)工程指示、工廠生產(chǎn)工藝能力要求及菲林制作要求制作拼板菲林、鉆帶等生產(chǎn)所需的各種生產(chǎn)資料。輸出的資料包括：生產(chǎn)菲林、鉆帶、鑼帶、AOI數(shù)據(jù)、通斷數(shù)據(jù)、電鍍面積等生產(chǎn)資料。

6 結(jié)語

總的來講，PCB可制造性設(shè)計分析（DFM 系統(tǒng)）能確保在設(shè)計階段就充分考慮產(chǎn)品的制作品質(zhì)，確保板件的制作周期，減少重投或在線調(diào)整的時間，在最少投入的情況下，提高產(chǎn)品的品質(zhì)，提高客戶滿意度。