中心议题：
* 2011西部工业开发者论坛精彩笔录
本文整理自King Brother(金百泽)的技术专家金鑫在2011西部工业开发者论坛上的演讲。
工业产品PCB的可制造性有自己的设计，能够自己提高生产效率，保证产品的质量。同时在PCB的设计过程中，如果PCB的设计不符合可可制造性的要求，它会带来什么样的后果？它将会大大降低PCB可制造性的生产效率，带来品质隐患的增加，同时带来生产报废的增加，可靠性的降低，甚至导致PCB根本无法被加工出来。一旦PCB要被重新设计，将会带来整个周期的延长和人力资源的浪费。因此我们在PCB设计过程中，设计工程师必须充分考虑产品是否具有良好的可制造性。
在了解的产品的可制造性之前，我们必须了解整个行业PCB可制造性的加工能力。这里有一个表，是我们收集的目前国内符合大多数PCB供应商的生产能力。当然根据每个供应商生产设备的不同，以及产品定位的不同，会有部分工艺跟这个有些区别。从目前整个行业来看，整个行业在线宽线距这一块都能够达到3MIL的线宽和3MIL的线距，层数在20层以内。最小焊环3.5MIL，最大尺寸457mm×610mm，成品板厚在0.3-6.0mm之间，内存铜厚小于等于4oz，最小成品孔铜25um。我就不一一跟大家去说明，会后可以通过这些资料再去查看。
我下面会简单给大家介绍一下PCB在整个生产过程中的生产流程。这下面有三个流程：一是单面板工艺流程，二是双面板工艺流程，三是多层面板工艺流程。从这个流程的程度来看，是逐步复杂的过程。
今天我大致给大家简单介绍一下多层板的工艺流程。多层板首先从下料，把材料剪成适合的尺寸，钻工具孔。内线图形转移，将我们设计的线路转移到板上面去，然后再通过蚀刻将不要的铜皮蚀刻掉，褪膜，黑化、层压，钻孔，沉铜加厚，外层图形转移，图形电镀，褪膜，蚀刻，阻焊，表面处理，字符，测试，外型，成品检验，入库。我大致的给大家介绍一下，让大家了解一下可以。
下面我给大家带来关于目前在无铅焊接过程中，对于FR-4来说，对于FR-4材料的影响，以及变化。在目前短短的四十五年历史里，印制板在应用中，基材的发展远远大于其它方面。特别是FR-4在创新和改革方面都得到很大的发展，无铅的材料到无卤素材料的变化。
材料有一定特性，在众多材料的特性当中，我们主要考虑以下几个参数，对整个设计电路板有影响的：热膨胀系数（CTE)、玻璃态转化温度（Tg温度)、湿度吸收率、分解温度（TD温度）。
热膨胀系数：热膨胀会在所有的层面产生。X-Y方向的影响主要有增强材料限制。通常FR-4材料有增强材料的玻璃纤维和环氧树脂所组成，所以X-Y轴主要影响增强玻璃纤维的限制；而Ｚ轴方向是由树脂材料所限制，往往会比X-Y方向的影响要大。测量到的每度温度材料膨胀百万分率(ppm) 称之为热膨胀系数。
玻璃态转化温度，Tg温度是非晶态聚合物从玻璃脆性状态转化为粘流态或高弹态时的温度。湿度吸收率，绝大部分的有机材料都可以快速吸收水分。设计者必须考虑这方面，因为水分的吸收会改变材料的电气性能，物理大小，甚至造成装配的困难。
分解温度，板材树脂在加热升温过程中，某些聚合不足的小分子、挥发物，以及某些高沸点溶剂等将逐渐逸走，此时树脂会呈现失重现象，进而造成树脂基体(Matrix)的多处小裂口。从起初的微裂到逐渐扩大而成为局部分层或外观可见的爆板。所谓分解温度，系指增温中的某种板材树脂，当其失重到达5%所对应的温度，即称之为Td温度 。
随着无铅焊接的到来，无铅焊接对PCB基材的影响。焊接条件的变化：在无铅焊接之前，最广泛采用的是共熔合金SnPb（37%Pb）材料，它具有183℃的低共熔点、优异的机械性能和低廉的成本，但有毒性。而无铅化焊料Sn-Ag-Cu系等的最低共熔点为217℃，比Sn-Pb系低共熔点高出34℃，这意味着要提高PCB的耐热性能问题，或者是提高PCB耐热的高可靠性化问题。PCB使用环境条件的变化：由于PCB迅速走向高密度化和信号传输高速化的发展，使PCB使用（操作）温度（来自高密度化的元、组件的传热和PCB本身高密度化的发热），由过去70℃左右提高到100℃以上，甚至高达130℃以上，也就是说PCB的长期操作温度成倍增加了，因而，要求PCB具有长期使用（操作）温度的耐热高可靠性。从这个图我们看一下，这个是在有铅焊接225度，焊接完全没有问题。当它达到无铅焊接250度时，就出现了基材的分裂。包括板子做出来以后，在无铅焊接过程中出现分层，把材料进行了分层，导致板子的报废，这些都是无铅焊接所带来的变化，对PCB基材提出了更高耐热性的要求。
PCB基材提出更高的耐热性要求，我们的PCB基材应该怎么样去改变？对于PCB来说，一是提高PCB本身的耐热性，二是改善PCB的导热性能及散热性能。首先对于提高PCB本身耐热性：
1、选用高Tg的树脂基材。高Tg树脂层压板基材具有较高的耐热特性，因而对PCB无铅化是有利的，这意味着，比常规的PCB的Tg提高多少温度就可提高PCB多少度的“软化”温度。
2、选用低热膨胀系数CTE的材料 。通常元组件的CTE比PCB板材的CTE值要低，这种CTE的差别，随着PCB高密度化的焊接点面积的不断缩小而影响PCB可靠性将越来越大 。在随着PCB无铅化的过程，两者的CTE差别会更大，这意味着其热残余应力会更大 ，从而，要求无铅化PCB用的基材的CTE进一步减小。
3、选用高分解温度的基材。这一点对于目前无铅焊接来说是最重要的，无铅化PCB实验和应用表明，一味采用高Tg和低CTE的材料，但如果树脂的分解温度Td低（如≤320℃）的话，耐热性能也是不能提高与改善的。我们看一下这个表格，这是对四种不同的材料做的一个试验，层压出来2.4mm厚的十层铜板在不同环境下的耐热性。应选择低Tg和高分解温度Td树脂组成的基材（LGHD）或高Tg和高Td的树脂组成的基材（HGHD），才能得到更好的耐热的PCB可靠性性能。因此，影响无铅化PCB耐热可靠性的最重要因素是基材中树脂的热分解温度（Td），只有提高基材中树脂的热分解温度(IPC草案规定TD≥330℃或≥340℃ )，才能保证无铅化PCB的耐热可靠性问题。
这个是我们整理出来对于FR-4材料，无铅焊接需要满足什么样的条件？我们提一下最重要的几点：TG，要求在140-200度之间；分解温度最低要在340度，Z轴的膨胀系数：这个是在Alpha1之前，60ppm。第二个是达到Alpha2，不能超过300ppm，然后50-260度温升的变化过程中，Z轴膨胀不能超过整个的3.5%。耐热性，在260度时，材料必须能够承受30分钟；在288度时，必须承受10分钟，这是最少的。这是目前无铅焊接材料需要符合这么一个条件，当材料的性能需要达到这些要求。
下面这个表格是我们目前针对不同的FR-4材料有各种性能的一个参数。我们看要符合前面这些要求的材料，这里面有哪几种？我们可以看出，这上面140度以上的都可以满足，还要小于等于60，从这一块起都能够符合。小于等于300，基本上这里边都能够符合。但是达达ppm值这一块，我们就发现要大于等于340度的话，我们就发现有很多不符合的，目前符合的只有S1K32这种材料，包括无卤素的S1165、S1155，以及GW1701这三种是符合的。然后热冲击在260度的时候，能够承受30分钟的，发现这几种可以排除。在T288度的时候，可以承受15分钟的，发现只有这一种和这种可以承受。从这些条件中可以看出，目前最符合无铅焊接的材料的是S1000-2，它基本上能够满足前面所有的要求都能达到。这些并不是说不能够运用无铅焊接，只是它在运用无铅焊接以后，可能会产生一些后续的可靠性问题，可能会产生一些分层。所以出于成本的考虑，因为这种PCB的材料成本最贵，因为它的材料也是最终的。基于成本的考虑，我们也可以选择这些材料。但是它后续有可能产生一些分层或者局部，而带来可靠性的一些问题。
下面是无铅焊接对于板材的选择和对于板材的影响。下面给大家带来的是关于多层板在叠层结构的设计。
在多层板的叠层结构：
1、叠层结构必须具有对称性。以这个图为例的话，就是从上之下，这是一个六层，1-2和5-6层间的厚度是对称的，2-3和4-5层是对称的。我们看这个1-2和5-6层不是对称的，因为它们的厚度不一致。所以在设置多层板叠层结构时，我们要尽可能保证它的对称性，曾经的半固化片和芯板的排列一定要对称。我们看图1是对称的，图2是非对称的。因为非对称结构，为什么不选择非对称结构？因为非对称结构在设计时将影响到PCB的翘曲度。在做完以后，因为它的结构不对称，造成对称不一致，使出现翘曲超标的可能性会增大。
2、在叠层结构设计时，内层芯板两面的铜厚尽可能的保持一致，不建议设计成两边铜厚不一致的情况。比如一面设计成1oz，一面设计成2oz，这种情况尽可能地不要出现。
3、在同一张芯板的过程中，外层A面和B面的线路图形面积应尽量接近。若A面为大铜面，而B面仅走几根线，这种印制板在蚀刻后就很容易翘曲。如果两面的线路面积相差太大，可在稀的一面加一些独立的网格，以作平衡。
4、减少不对称盲埋孔的设计。什么叫不对称盲埋孔？我们从这个图，第一个不对称的，它设计的是L1-L2盲埋孔，L1-L3盲埋孔。在正面有盲埋孔，实际跟对面就是非对称的，所以容易产生盲区。我们看这个图，这是L1-L2盲埋孔，L1-L3盲埋孔，这是L4-L6盲埋孔，L5-L6盲埋孔。1-2和5-6、1-3和4-5就是一个对称的，所以我们要尽可能的减少这种盲埋孔的设计。当然不是说不能设计这种，只是这种设计的时候带来的影响会增大。所以我们考虑的时候，尽可能的减少这类设计。
阻抗。阻抗：在某一频率下，某一导体（信号线）对某一参考层（指最近的屏蔽层），必需考虑的该结构对交流电的阻抗，它是阻抗、容抗、感抗等的总和 。在设计阻抗的时候，对阻抗影响的主要有以下几个因素：1、H=信号层与参考层间介质厚度；2、W=走线宽度； 3、εr=材料的介电常数；4、T=走线厚度。对于这几个条件之外，除了H以外，H与它的阻抗值成正比，H越大，阻抗值越大，其他的成反比，比如W，线宽越宽，阻抗值越小；介电值越大，阻抗值越小；走线的厚度越厚，阻抗值会越小。所以目前影响的，主要是这四个因素。
我们在设计阻抗的时候，应该考虑的几个因素，要注意的一些事项：
1、阻抗线必须有对应的参考平面，且参考平面必须完整。第一层设计有阻抗线，如果以第二层作为参考平面，第二层必须有一个铺铜的电源层来屏蔽这根阻抗线。而且参考的这个电源层必须要完整的铺铜才能够屏蔽，但是线对应的下方必须要是完整的铺铜。
2、不同类型阻抗线应区分标示，在设计时应该区分开来。比如当同一层上即有差分阻抗线又有特性阻抗线，不要把差分阻抗线与特性阻抗线的线宽设计为同一种线宽，尽可能的区分开来，比如差分阻抗线与特性阻抗线线宽同为5MIL时，则在设计时把差分或特性阻抗线中的一种线宽设计为4.9MIL或5.1MIL,把两个作为区分。
3、同一层上线宽一样的阻抗线对应的参考平面一致时，避免出现不同的阻抗要求值。
4、使用标准铜厚,且成品铜厚不超过2OZ。因为铜层越厚，特性阻抗线越大，对整个线宽的影响越大，所以产生误差的影响也会越大。所以在有阻抗板子时，成品铜厚建议不超过2oz。
5、相邻层间的走线尽可能的减少平行线，平行走线会产生电感和电容从而产生更大的串扰，造成杂音信号，因此相邻导线间的走向互相垂直步设或采用阶梯斜向45°走线。
我们再来了解一下镀层的相关技术特征。什么是镀层？镀层就是前面所说到的表面处理。目前在市场上常用的表面镀层有喷锡、无铅喷锡、沉金、镀金、OSP、沉锡、沉银，主要是这几种表面处理，它们又各有各的优缺点，也有各有各的缺点。我们在下面的一个图总结了关于镀层处理的优缺点，供大家进行参考。我们了解到各种镀层技术的技术特征，目前主要有沉金、镀金、喷锡、喷纯锡、OSP、沉锡、沉银。对于可焊性来说，沉金是好，镀金是较好，喷锡、喷纯锡、OSP是好，沉锡较好，沉银好。对于防损伤能力来说，沉金到喷纯锡的防损伤能力比较好，而OSP到沉银的抗损伤能力不太好。对平整性来说，沉金和镀金的平整性比较好，喷锡和喷纯锡的平整性不好，而OSP、沉锡和沉银的平整性比较好。在存储时间方面，沉金和镀金比较长，喷锡和喷纯锡时间较长，而OSP到沉银贮存周期都是比较短的。然后沉金和镀金可以用于邦定，其他的喷锡到沉银不能用于邦定的工艺。从成本上来说，沉金是高的，镀金是最高的，喷锡是比较低的成本，喷纯锡是中等的成本，OSP也是比较低的成本，沉锡和沉银是中等的成本。对于镀金的话，金面与阻焊结合力差的问题。为什么？因为镀金在整个线路，整个有铜的地方都会有金。因为阻焊和金的结合力比较差，导致镀金板的金面和阻焊容易出现脱落或掉落的情况，产生的机率相对要大一些。喷锡的话，其实喷锡是最成熟的一种工艺，也是最早的一种工艺。但是它目前存在的一个最大缺点，不符合ROHS条例，另外是它的平整性相对较差一些。对于沉锡而言，沉锡药水对阻抗有一定攻击性，也容易造成目前沉锡的板子阻抗能力出现脱落的情况。对于沉银，它目前最大的缺点容易氧化变色，在焊接时，可能一面焊完了，另外一面出现了氧化变色的情况。其它几个都是比较好的，除了防损伤能力较差以外，从成本、平整性和可焊性来说都是比较好的。这以上是整理了对于不同镀层加工技术的技术特征，也是我们在设计的时候予以参考，对于不同的工艺选择不同的表面处理。
不同的镀层处理会有不同的贮存周期，因此我们做好板子以后，在贮存周期的时候，一定要注意贮存时间。在成品使用前应保持内包装完好并保存在规定的贮存环境中。印制板自生产完成之日起的有效保存期限与表面涂层种类、印制板类别和贮存环境有关，同时有效保存期限还与印制板的结构、内包装材料种类和印制板组装时的工艺条件有关。
下面有一个不同的表面贮存的贮存周期。对于贮存环境来说分为一般的贮存环境和良好的贮存环境。什么是良好的贮存环境？什么是一般的贮存环境？一般的贮存环境温度不超过35度，相对湿度不大于75%室内的贮存环境；良好的贮存环境，温度不超过25度，相对湿度不大于65%室内的贮存环境。对于热风整平，分为有铅和无铅，它一般在非真空包装下能够贮存26周，在真空包装贮存39周。良好贮存环境，在非真空包装是36周，在真空包装是52周。因此，我们可以看出它对于不同的贮存环境、对于不同的包装会带来贮存效果的不一样。
有机可焊性保护膜，也就是前面所说的OSP防划化，它的贮存周期最短。它在一般贮存环境下，只能达到9周和17周，及时真空包装才17周。但是在良好贮存环境下，可达到17周和26周。化学镍金和电镀镍金，它的贮存环境最长，在一般贮存环境也能达到26周和52周，在良好的贮存环境也能达到39周和65周。所以我们的板在采用不同表面处理以后，包装以后，在使用之前一定查看它的贮存周期符不符合，有没有超过它的贮存周期，这是要注意的。
1、考虑到产品工艺和保管条件的差异，印制板拆封后应及时（推荐在24小时内）使用，且建议使用前进行预干燥处理，特别是挠性电路板中的PI基材板，如需贴片焊接，则一定需要进行预干燥处理。
2、对于化学沉锡或沉银产品拆包后建议在12小时内用完，否则须重新包装。
3、如超过有效保存期限，用户可进行干燥处理后试用：但重新需对板子的性能进行性能试验，经检验合格以后仍可使用。当然可能很多超过保存周期，直接把它废除了，如果要用的话，必须经过测试。
4、通常保存时间超过3个月在上机贴片前为避免存在受潮隐患，需进行2小时150度烘烤，去除水分。
5、对贮存环境的描述：良好的贮存条件：指温度小于25度，相对湿度不大于65%，有温度控制、无腐蚀性气体的室内环境条件。一般的贮存条件：指温度不高于35度，相对湿度不大于75%，无腐蚀性气体的室内环境条件。这就是我们在不同的表面处理，在不同的保存周期，以及在超过有效周期和使用过程中要注意的一些地方。
下面是器件距离板边的距离设定。什么叫器件距离板边？要求元器件距离板边要求3MM以上，使线路板更加易于进行传送和波峰焊接，减少对外围元器件的损伤,当元器件距离工艺边小于3MM时，这样子线路板更加利于传送播放焊接，减少外围器件的损伤。当元器件距离板边实在无法达到3mm时，则需添加额外的工艺边。如果不添加工艺边的时候，就必须去开模具。因为一旦开模具，开一个模具就是好几千，这会带来成本的增加。这是一个示意图。通常的话，a区域和b区域是不能够放置器件的，一般a区域和b区域要求3mm以上。
SMT的话，对于常规工艺PCB的尺寸有一个范围要求。PCB最小尺寸是50mm*50mm，最大尺寸是460mm*440mm。当PCB单板尺寸小于50mm*50mm时，即要进行拼板处理，将小的板拼成一个大板，进行拼版处理，以方便于SMT拼装。而且拼版后最佳的尺寸范围为是x=150*300mm, y=100*250mm。另外阴影部分a区和b区范围内不可以有焊盘和元件本体存在，即X方向的一对边必须留出离板边3mm以上的空间即工艺边用于贴装和焊接时PCB的搬送和固定，否则需制作载板治具。
这是波峰焊接器件摆放的一个图形。这种是合理的摆放图形，这种是不合理摆放的图形。不合理的摆放图形，通常我们要求这一边是轨道方向，是SMT的传送方向，通常我们要求IC的长轴跟轨道方向是平行的。对于被动器件（电阻、电容），IC、排阻等元件的长轴应该与被动元件互相垂直。如果换成这样的方向，容易造成IC管角之间的联系，这是不合理的摆放，这是合理的摆放。（看图）通常我们要求被动元器件要相互平行排列，IC、排阻等元器件的长轴要与波峰焊方向平性，波峰焊方向是与传送的方向平行，IC、排阻等元器件的长轴应该与被动元器件相互垂直，被动元件的长方向应该与波峰焊接时板子的运送方向垂直。这是对于元器件摆放一个基本的要求。
在PCB设计的时候，对于焊盘优化的连接。PCB在钻孔的时候，通常设计在焊盘的最中央。当然因为PCB在钻孔时会有一个偏差，会有一个孔位在四周偏差，一旦偏差到这个位置时，容易造成不合格品。但是我们可以在设计时，将圆形的焊盘，添加虚线的位置，把它设计成这种形式。当设计成这种形式时，它即使便宜到这个位置时，也不会造成不合格品，这就是对于焊盘的优化设计。当然并不是所有的焊盘都要求这样，这种是对于焊盘，你的孔与焊盘大小相比，也就是这个焊盘的大小减去孔距的大小除以2，这个尺寸小于等于3MIL时，才建议有这样的设计。因为我们常规的孔位偏差是3MIL，它有可能会偏到这个方向。如果是对于大于这些焊环，大于4MIL以上，无须进行这样的优化设计，因为它再偏，也不会偏过孔位规定的范围内。当小于3MIL时，这样的设计能够提高可靠性和成品率。
导线边缘到板边的距离考虑。导线或铜皮边缘到板边必须达到一定的安全距离，当安全距离不够时容易造成外形后，板边露铜。对于不同的加工方式要求不一样，线路对于板边的距离，对于不同的加工方式要求又不一样。当外形加工方式为数控铣时，导体边缘距离板边8MIL才能保证不露铜。当外形加工方式为V-CUT时，导体边缘距离板边须16MIL才能保证不露铜。
对于同一网格的隔离。我们看这个图，IC跟这根走线是同一个网上的。而且在这个距离，我们要求同一网格隔离时，要求至少有2MIL的间距，也就是0.05mm。对于绿油桥的设定，通常目前常说的绿油桥数是4绿油桥。什么是绿油桥？绿油桥就是两个IC管角在阻抗以后，阻抗开窗残留的距离称为绿油桥，通常这个绿油桥最小宽度是4MIL，通常对于阻抗开窗比IC管角单边大2MIL。
多层板孔到铜间距的设定，对于多层板，我们一般要求孔的边缘到这个走线，对于4-6层，一般要求最少是7MIL，对于8-10层要求是8MIL，对于12层及12层以上的，线路每增加2层，要求这个孔距到这个走线每层加1MIL。对于线路网格的设定。我们看这个图，可能这个图看得不太清楚，但这个网格设定大小不一致，而且形状也是很不规格。我们一般在设计网格时，尽可能的大小一致，然后比较规格。一般我们要求网格的线宽8MIL，网格的间距也要求达到8MIL。
对于光学定位点（MARK点）的设计。在设计光学定位点时，我们可以一些MARK点，在外围尽可能能够设计一个保护环，设计一个10-20MIL宽度的保护环，这样能避免生产中光学定位点的脱落。对于金手指设计注意事项：对于金手指（插头镀金）连线方式的设计。我们看这个图，这一块区域是金手指的方向，这一块区域是金手指的区域。这个区域的走线设计，我们金手指开窗的时候都是开金窗，它这个时候一开窗，会造成这个走线的漏铜，包括这个区域也是一样。所以我们在设计金手指时，对这个走线要进行优化。这是优化后的一个图形，把这个走线先拉出来，再转回去，这样就可以避免走线漏露出来。因为我们要求露出来的是这些金手指，对于走线并不要求露出来。
对于连孔、孔与孔的安全距离设定。这个区域在同一个网络，这个区域有一排的过线孔。对于这种情况，孔与孔之间，我们要求有8MIL最小的间距，是孔边缘到孔边缘之间的间距。对于不同的机械加工方式，板边孔到板边的安全距离：CNC加工,器件孔安全边距16MIL以上，过线孔8MIL以上；模具冲压加工,过线孔/器件孔安全边距1.0MM以上,板厚1.0MM以上的，安全边距保证在一个板厚以上。当板厚超过1.0MM时，安全距离还是保证在一个1.0MM以上。如果板厚是1.2MM，最小的安全距离要变成1.2MM。并且对于模具加工的时候，对于反面靠着比较近的这些孔，必须加整大的“防爆孔”，以防止在模具层压以后孔会破裂。
对于工艺边上工具孔到板边的安全距离，通常我们在工艺边上为了方便SMT的定位，就是贴片时的定位，对非定制化的定位孔，工具孔两边的安全边距必须同时保证1.0MM以上,板厚1.0MM以上的，安全边距保证在一个板厚以上。这是在设计工艺边工具孔时要注意的事项。这个图已经看不清楚了，在我们设计内层同一个网络的时候，从这个区域到这个区域，中间通过一个很细的线连通。但这时我们一定要注意，同一个网络的设计联线不能够太近，而且必须距离反面有一定安全距离，最小宽度不能低于线宽的宽度3MIL，必须距离板边有一个安全距离。这是对于不同内层的一个连接处理。
下面是我们金百泽公司的一个联系方式，我们公司的网站，以及我相关的邮箱和电话。今天关于可制造的分享就到此结束，当然还有一些问题的，我们会通过相关的方式，也可以通过这个联系方式来咨询我，也可以到我们的展台再进行交流！很高兴，分享就到此结束！谢谢大家。
本文整理自 2011西部工业开发者论坛的演讲内容，欲了解更多详细信息请访问 http://www.52solution.com/data/datainfo/id/5176
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