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印刷线路板阅读:451

对于印制板的生产来说,因为许多设计者并不了解线路板的生产工艺,所以其设计的线路图只是最基本的线路图,并无法直接用于生产。因此在实际生产前需要对线路文件进行修改和编辑,不仅需要制作出可以适合本厂生产工艺的菲林图(film),而且需要制作出相应的打孔数据、开模数据,以及对生产有用的其它数据。它直接关系到以后的各项生产工程。

发展历史

  线路板从发明至今,其历史60余年。历史表明:没有线路板,没有电子线路,飞行、交通、原子能、计算机、宇航、通信、家电……这一切都无法实现。道理是容易理解的。芯片,IC,集成电路是电子信息工业的粮食,半导体技术体现了一个国家的工业现代化水平,引导电子信息产业的发展。而半导体(集成电路、 IC)的电气互连和装配必须靠线路板。正如日本《线路板集》作者小林正所说:"如果没有电脑和资料,电子设备等于一个普通箱子;如果没有半导体和线路板,电子元件就是块普通石头。" PCB在中国是充满希望的产业,每年会有二位数字的增幅,许多国外订单投入中国,机遇是存在的。 比如:电脑里的主板是线路板 显卡也是线路板 总之线路板只是完成电器功能的一个放置零件及电线的地方。 几乎任何的电器都有PCB 它的制作流程一般是:资料原材料丝网印刷 贴片机贴片 回流焊 视检 手插 波峰焊 视检 测试 组装 包装 。

基本要求

  PCB工程制作的水平,可以体现出设计者的设计水准,也可以反映出印制板生产厂家的生产工艺能力和技术水平。同时由于PCB工程制作融计算机辅助设计和辅助制造于一体,要求极高的精度和准确性,否则将影响到最终板载电子品的电气性能,严重时可能引起差错,进而导致整批印制板产品报废而延误生产厂家合同交货时间,并且蒙受经济损失。因此作为PCB工程制作者,必须时刻谨记自身的责任重大,切勿掉以轻心,务必仔细、认真、再仔细、再认真。在处理PCB设计文件时,应该仔细检查: 接收文件是否符合设计者所制定的规则?能否符合PCB制造工艺要求?有无定位标记? 线路布局是否合理?线与线,线与元件焊盘,线与贯通孔,元件焊盘与贯通孔,贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理,能否满足生产要求。元件在二维、三维空间上有无冲突? 印制板尺寸是否与加工图纸相符?后加在PCB图形中的图形(如图标、注标)是否会造成信号短路。 对一些不理想的线形进行编辑、修改。 在PCB上是否加有工艺线?阻焊是否符合生产工艺的要求,阻焊尺寸是否合适,字符标志是否压在器件焊盘上,以免影响电装质量。

光绘数据

  拼版
  PCB设计完成因为PCB板形太小,不能满足生产工艺要求,或者一个产品由几块PCB组成,这样就需要把若干小板拼成一个面积符合生产要求的大板,或者将一个产品所用的多个PCB拼在一起而便于生产电装。前者类似于邮票板,它既能够满足PCB生产工艺条件也便于元器件电装,在使用时再分开,十分方便;后者是将一个产品的若干套PCB板拼装在一起,这样便于生产,也便于对一个产品齐套,清楚明了。
  光绘图数据的生成
  PCB板生产的基础是菲林底版。早期制作菲林底版时,需要先制作出菲林底图,然后再利用底图进行照相或翻版。底图的精度必须与印制板所要求的一致,并且应该考虑对生产工艺造成的偏差进行补偿。底图可由客户提供也可由生产厂家制作,但双方应密切合作和协商,使之既能满足用户要求,又能适应生产条件。在用户提供底图的情况下,厂家应检验并认可底图,用户可以评定并认可原版或第一块印制板产品。底图制作方法有手工绘制、贴图和CAD制图。随着计算机技术的发展,印制板CAD技术得到极大的进步,印制板生产工艺水平也不断向多层,细导线,小孔径,高密度方向迅速提高,原有的菲林制版工艺已无法满足印制板的设计需要,于是出现了光绘技术。使用光绘机可以直接将CAD设计的PCB图形数 据文件送入光绘机的计算机系统,控制光绘机利用光线直接在底片上绘制图形。然后经过显影、定影得到菲林底版。使用光绘技术制作的印制板菲林底版,速度快,精度高,质量好,而且避免了在人工贴图或绘制底图时可能出现的人为错误,大大提高了工作效率,缩短了印制板的生产周期。使用我公司的激光光绘机,在很短的时间内就能完成过去多人长时间才能完成的工作,而且其绘制的细导线、高密度底版也是人工操作无法比拟的。按照激光光绘机的结构不同,可以分为平板式、内滚桶式(Internal Drum)和外滚桶式(External Drum)。宇之光公司的系列光绘机产品均为国际流行的外滚筒式。 光绘机使用的标准数据格式是Gerber-RS274格式,也是印制板设计生产行业的标准数据格式。Gerber格式的命名引用自光绘机设计生产的先驱者---美国Gerber公司。 光绘图数据的产生,是将CAD软件产生的设计数据转化称为光绘数据(多为Gerber数据),经过CAM系统进行修改、编辑,完成光绘预处理(拼版、镜像等),使之达到印制板生产工艺的要求。然后将处理完的数据送入光绘机,由光绘机的光栅(Raster)图象数据处理器转换成为光栅数据,此光栅数据通过高倍快速压缩还原算法发送至激光光绘机,完成光绘。
  光绘数据格式
  光绘数据格式是以向量式光绘机的数据格式Gerber数据为基础发展起来的,并对向量式光绘机的数据格式进行了扩展,并兼容了HPGL惠普绘图仪格式,Autocad DXF、TIFF等专用和通用图形数据格式。一些CAD和CAM开发厂商还对Gerber数据作了扩展。
  以下对Gerber数据作一简单介绍。 Gerber数据的正式名称为Gerber RS-274格式。向量式光绘机码盘上的每一种符号,在Gerber数据中,均有一相应的D码(D-CODE)。这样,光绘机就能够通过D码来控制、选择码盘,绘制出相应的图形。将D码和D码所对应符号的形状,尺寸大小进行列表,即得到一D码表。此D码表就成为从CAD设计,到光绘机利用此数据进行光绘的一个桥梁。用户在提供Gerber光绘数据的同时,必须提供相应的D码表。这样,光绘机就可以依据D码表确定应选用何种符号盘进行曝光,从而绘制出正确的图形。 在一个D码表中,一般应该包括D码,每个D码所对应码盘的形状、尺寸、以及该码盘的曝光方式。以国内最常用的电子CAD软件Protel的某D码表为例,其扩展名为.APT,为ACSII文件,
  可以用任意非文本编辑软件进行编辑。 D11 CIRCULAR 7.333 7.333 0.000 LINE D12 CIRCULAR 7.874 7.874 0.000 MULTI D13 SQUARE 7.934 7.934 0.000 LINE D14 CIRCULAR 8.000 8.000 0.000 LINE D15 CIRCULAR 10.000 10.000 0.000 LINE D16 CIRCULAR 11.811 11.811 0.000 LINE D17 CIRCULAR 12.000 12.000 0.000 MULTI D18 CIRCULAR 16.000 16.000 0.000 MULTI D19 CIRCULAR 19.685 19.685 0.000 MULTI D20 ROUNDED 24.000 24.000 0.000 MULTI D21 CIRCULAR 29.528
  29.528 0.000 MULTI D22 CIRCULAR 30.000 30.000 0.000 FLASH D23 ROUNDED 31.000 31.000 0.000 MULTI D24 ROUNDED 31.496 31.496 0.000 FLASH D25 ROUNDED 39.000 39.000 0.000 MULTI D26 ROUNDED 39.370 39.370 0.000 MULTI D27 ROUNDED 47.000 47.000 0.000 MULTI D28 ROUNDED 50.000 50.000 0.000 FLASH D29 ROUNDED 51.496 51.496 0.000 FLASH D30 ROUNDED 59.055 98.425 0.000 FLASH D31 ROUNDED 62.992 98.000 0.000 FLASH D32 ROUNDED 63.055 102.425 0.000 FLASH 在上表中,每行定义了一个D码,包含了有6种参数。
  第一列为D码序号,由字母‘D’加一数字组成。
  第二列为该D码代表的符号的形状说明,如CIRCULAR表示该符号的形状为圆形,SQUARE表示该符号的形状为方型。
  第三列和第四列分别定义了符号图形的X方向和Y方向的尺寸,单位为mil;1mil=1/1000英寸,约等于0.0254毫米。
  第五列为符号图形中心孔的尺寸,单位也是mil。
  第六列说明了该符号盘的使用方式,如LINE表示这个符号用于划线,FLASH表示用于焊盘曝光,MULTI表示既可以用于划线又可以用于曝光焊盘。 在Gerber RS-274格式中除了使用D码定义了符号盘以外,D码还用于光绘机的曝光控制;另外还使用了一些其它命令用于光绘机的控制和运行。不同的CAD软件产生的Gerber数据格式可能有一些小的区别,但总体框架为Gerber-RS0274格式没有变化。

功能测试

  说明
  更密集的PCB、更高的总线速度以及模拟RF电路等等对测试都提出了前所未有的挑战,这种环境下的功能测试需要认真的设计、深思熟虑的测试方法和适当的工具才能提供可信的测试结果,充足的准备和仔细筛选工具将可以达到事半功倍的效果。
  意义
  功能测试正变得越来越重要,然而与在线测试一样,技术的发展和PCB设计会使测试范围受到限制。尽管在编程的软件环境方面已取得了很大的进展,有助于克服其中一些困难,但若想按照你的测试策略成功实施功能测试,还有很多问题需要避免并且要做更周密的准备。本文就介绍成功实施功能测试应考虑的一些因素和应对方法策略。电子产品功能测试有着其盛衰的历史,60年代后期它是第一种自动化测试方法,随着70年代后期在线测试技术的出现,功能测试似乎注定要让位于编程与判断日趋简易快速的在线测试。然而如今,潮流又变了。在线测试目前有一个问题越来越严重,即探测方式。据美国NEMI(国家电子制造组织)分析,到2003年底可探测到的节点基本上将为零,如果无法进行探测,那么在线测试几乎就没有用武之地。
  功能测试正日益更多地用于生产线后工序中,甚至也用于进行工艺中段的测试,但是其体系和实施方法与以前的测试几乎已完全不同。如今的测试系统在多数情况下速度更快,结构也更加紧凑,功能测试对于验证产品的总体功能性、维护校准信息、向ISO9000程序提供数据以及保证高风险产品,如医疗设备的质量等都是不可缺少的。
  测试方法
  测试的实施方法受预算、产量以及待测产品(UUT)设计等因素的影响,而正是最后一项对到底能测出什么影响最大,预算和产量则会限制测试的项目。为了让测试得到尽可能高的故障覆盖率,在设计阶段就必须注意元器件的选择和PCB布局,遗憾的是实际情况并不总是这样,急于进入市场和紧张的开发经常会打乱你的如意算盘。
  这里对如何处理这些限制进行一个初步分析。针对测试而不得不作的一些让步(特别是在设计早期阶段)可能会影响设计,但却使测试工作更容易,并提高测试故障覆盖率。请注意下列问题和建议不是每个测试工程师都要面临或需要解决的,这些问题许多会相互影响,因此应对每个问题进行评估,并在需要时灵活应用。
  待测产品测试要求是什么?
  在讨论设计、测试系统、软件以及测试方法之前,先要了解“对象”——待测产品,这里不光是指PCB或最终组装件本身,而且还需要明白将要生产多少、预计的故障等等,包括:产品种类
  结构(单个PCB/预先做好的PCB/最终产品)
  测试规范
  计划测试点
  预期产量(每条线/每天/每班等)
  预计故障类型
  很明显,上面忽略了“预算”,但是只有对上述各项了解之后才能确定某件产品测试要花多少钱,在弄清楚全面测试UUT需要什么后再开始讨论资金问题,也只有在这个时候才能知道如何进行折衷以使工作完成。初期的报告完成后,公司可能会给你一个预算并祝你“好运”——盘算着你能作出什么,此时确实需要“好运”,但还要有其它东西,下面列出了其中一些。
  高密度问题
  表面上看,元件密度好象对功能测试来讲不是问题,毕竟这里主要考虑的是“给一个输入而得到正确的输出”。诚然它有些过于单纯,但实际情况就是如此。向UUT输入端施加给定的激励信号,一定时间后UUT将会输出特定的系列数据,与I/O连接器相连应是唯一的接入问题。
  但是元器件密度也有一定影响,看看图1的PCB样品(或你自己的设计),你先得回答下面的问题;
  需要接入校准电路吗?
  对UUT具体元件或特定区域进行诊断是否重要?
  如果对上述问题的回答持肯定意见,那么探查是由人来做还是用某种自动机械装置?
  要使用自动化测试装置吗?
  采用的I/O连接器是否容易接触或连接?如果不是,那么连接器是一个能通过针床接触的通孔安装件吗?
  下面我们来逐个讨论这些问题。
  校准电路
  功能测试经常用于模拟电路的校准或验证,包括检查UUT的内部(如射频电路的中频部分)以验证其工作,要这样做就可能需要测试点或测试焊盘。高频设计的一个问题是测试点的相对阻抗(路径长度、测试焊盘大小等)加上探针的阻抗会影响该电路的性能,在设置测试区时应记住这点,而自动机械探测和针床夹具(本文后面讨论)只需较小的测试区即可,可缓和这一矛盾,这主要是由于和人工操作相比,自动机械本身的精度可使测试仪探测到更小的区域。
  故障诊断
  如果只是用功能测试作为通过/不通过的筛选而不需要测量校准点,可以将本节跳过,因为此时应用可能不需要用到探针。在多数情况下,功能测试都进行通过/不通过检测,这是因为功能测试在诊断故障方面非常缓慢,特别是在出现多个故障的情况下。但是在某些工业里,功能测试正在深入到制造工艺里面,例如蜂窝电话制造,一些制造商要在PCB一级进行某些关键测量,也即在最终组装前的装配过程中进行,这是由手机易被淘汰的性质所决定的。换言之,手机被设计为以较低成本进行装配,它们不易拆卸,因此在终测前对功能进行验证可以节省返工成本并减少可能出现的废品(因为手机拆开时会被损坏)。
  所以要探查PCB就需要有充足的测试点,例如检查一个间距20mil的表面安装器件的J形引线就不是很方便,而BGA则更没有可能。根据美国表面安装技术协会(SMTA)的建议,测试点间隔最小为0.040英寸,焊盘之间的间隔取决于测试区四周的元件高度、探针大小等等,但是0.200英寸间隔应是最小要求,特别是人工探查区域。很显然,测试夹具和自动机械探针更加精确一些。
  测试设计
  无庸置疑,一个便于测试的设计在生产中要比随随便便的设计更容易处理。但工程人员通常希望在最小的体积里以最低成本装入更多的技术,这种思想增加了在线测试和功能测试中与线路板接触的限制。
  对这类问题市场也做出了反应,已有软件工具能对设计作分析,根据装配和测试设备规定的规则进行审查,提出使PCB更易于生产的建议。如果这些工具适用于你的产品,建议对每个设计都作分析,至少它能很快指出哪里发现了测试接触的问题,其最终目的是使产品更易于制造。
  满足高密度要求的结构配置
  高密度可以是PCB尺寸小,也可以是UUT上有大量电路,或者二者兼有,上面的标题说明对系统的机械和电气结构必须要进行考虑以满足测试的要求。在机械方面需考虑的问题有:
  如何支持UUT
  测试区
  多层板测试(测试仪能做并行测试吗?)
  I/O连接器
  在电气方面,如果是多层板,那么哪个更经济呢?是采用多仪器方式还是用开关转换器加少量仪器的方式?根据UUT结构或所需的仪器类型,答案可能并不容易得出。
  自动测试还是人工测试?
  随着每条生产线的产量和速度增加(实现规模经济的一个主要方法是提高每个测试设备的生产率),应该要考虑能否使测试过程自动化。自动化功能测试实际上省去了装载/卸载的时间,并不需要再增加其它测试系统,在考虑提高产量的时候通常不会顾及输运设备增加的成本。
  测试自动化的缺点包括有一个初始硬件投资、与生产线整合的时间、测试系统能否与生产线速度保持同步以及如果设备出故障而会给生产带来的问题等等。离线式测试仪不会直接影响装配线,如果测试仪出现故障,可以把产品从生产线上拿出放在一边继续生产,这样生产线不会受影响,不过处理时间和人工也是个问题。
  应记住人工测试通常可能要用若干电缆和连接器连接UUT,这些电缆与针床夹具上的探针相比较,其使用寿命一般较低,因此应将它纳入维护计划中,这可以降低间发性故障。
  夹具问题
  由于生产线产量、车间场地和劳动率等不同,夹具可以从简单带有插销和连接电缆的胶合板到复杂的由传送带连接到装配线的全自动针床测试夹具。显然,这些因素说明并不存在一个固定的方案。
  一个人工装载双面夹具,一个带状电缆连接到主要的I/O连接器上,顶端安装的探针可以接触到UUT上的关键测试点。这是一家中等规模工厂所要求的理想设计方案,操作者必须连上带状电缆,关上顶板然后再开始测试。这里不用人工探查进行校准和诊断,因为顶板能接触到所有相关区域。带状电缆和顶板探针连线应设计得容易更换,这是由于这些电缆经常会弯曲而受到磨损。
  在同夹具供应商打交道时,要记住这些问题,同时还要想到产品将在何处制造,这是一个很多测试工程师会忽略的地方。例如我们假定测试工程师身在美国的加利福尼亚,而产品制造地却在泰国。测试工程师会认为产品需要昂贵的自动化夹具,因为在加州厂房价格高,要求测试仪尽量少,而且还要用自动化夹具以减少雇用高技术高工资的操作工。但在泰国,这两个问题都不存在,让人工来解决这些问题更加便宜,因为这里的劳动力成本很低,地价也很便宜,大厂房不是一个问题。因此有时候一流设备在有的国家可能不一定受欢迎。
  操作员技术水平
  在高密度UUT中,如果需要校准或诊断则很可能需要由人工进行探查,这是由于针床接触受到限制以及测试更快(用探针测试UUT可以迅速采集到数据而不是将信息反馈到边缘连接器上)等原因,所以要求由操作员探查UUT上的测试点。不管在哪里,都应确保测试点已清楚地标出。
  探针类型和普通操作工也应该注意,需要考虑的问题包括:
  探针大过测试点吗?
  探针有使几个测试点短路并损坏UUT的危险吗?
  对操作工有触电危害吗?
  每个操作工能很快找出测试点并进行检查吗?测试点是否很大易于辨认呢?
  操作工将探针按在测试点上要多长时间才能得出准确的读数?如果时间太长,在小的测试区会出现一些麻烦,如操作工的手会因测试时间太长而滑动,所以建议扩大测试区以避免这个问题。
  考虑上述问题后测试工程师应重新评估测试探针的类型,修改测试文件以更好地识别出测试点位置,或者甚至改变对操作工的要求。
  自动探查
  在某些情况下会要求使用自动探查,例如在PCB难以用人工探查,或者操作工技术水平所限而使得测试速度大大降低的时候,这时就应考虑用自动化方法。
  自动探查可以消除人为误差,降低几个测试点短路的可能性,并使测试操作加快。但是要知道自动探查也可能存在一些局限,根据供应商的设计而各有不同,包括:
  UUT的大小
  同步探针的数量
  两个测试点相距有多近?
  测试探针的定位精度
  系统能对UUT进行两面探测吗?
  探针移至下一个测试点有多快?
  探针系统要求的实际间隔是多少?(一般来讲它比离线式功能测试系统要大)
  自动探查通常不用针床夹具接触其它测试点,而且一般它比生产线速度慢,因此可能需要采取两种步骤:如果探测仪仅用于诊断,可以考虑在生产线上采用传统的功能测试系统,而把探测仪作为诊断系统放在生产线边上;如果探测仪的目的是UUT校准,那么唯一的真正解决办法是采用多个系统,要知道这还是比人工操作要快得多。
  如何整合到生产线上也是必须要研究的一个关键问题,生产线上还有空间吗?系统能与传送带连接吗?幸好许多新型探测系统都与SMEMA标准兼容,因此它们可以在在线环境下工作。
  边界扫描
  这项技术早在产品设计阶段就应该进行讨论,因为它需要专门的元器件来执行这项任务。在以数字电路为主的UUT中,可以购买带有IEEE1194(边界扫描)支持的器件,这样只做很少或不用探测就能解决大部分诊断问题。边界扫描会降低UUT的整体功能性,因为它会增大每个兼容器件的面积(每个芯片增加4~5个引脚以及一些线路),所以选择这项技术的原则,就是所花费的成本应该能使诊断结果得到改善。应记住边界扫描可用于对UUT上的闪速存储器和PLD器件进行编程,这也更进一步增加了选用该测试方法的理由。
  如何处理一个有局限的设计?
  如果UUT设计已经完成并确定下来,此时选择就很有限。当然也可以要求在下次改版或新产品中进行修改,但是工艺改善总是需要一定的时间,而你仍然要进行处理。
  这里的主要指导思想是你能做多少测试。按照预期的故障类型也许是够的,但如果不够,通常就需要在更加昂贵的测试系统之间取得一个微妙平衡,将UUT的产品销售成本(COGS)与边际利润进行权衡后选择更精确的探测方法。所以,答案就是没有一个简单的答案。
  对将来设计的最好参考意见就是功能测试在受到限制时的完成情况,面临这些局限时,应记下在生产线速度规定的时间范围里能完成的测试,以及生产线上拥有的测试仪数量。时间限定是很关键的,因为不可能让产量向你作让步,故而你的工作就是为了时间而牺牲测试覆盖率,所以才会要求改进以便将来能解除这些限制!

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