原创 印制电路板设计的注意事项

电路板及时检测,即实时结果分析和及时纠正差错,可以避免废品,改善质量和降低损耗。但印制电路板的装配需要许多连续的操作。您不禁要问:“在哪个生产环节进行检测最有利?每个步骤采用何种检测技术最好?”典型的印制电路板装配工作始于一块裸板,然后上焊剂和安置元器件进行红外线软熔焊接,也可能手工焊些附加的元器件,具体的操作顺序可随产品性能而变更。检测的重点如下: 摞板:确保没有短路和开路之处,互连线应具有适当的电流承受能力,保证金属化孔的完整性。 焊剂:焊剂量要适当,不宜太多,要共面、均匀、位置正确。 元器件布局:每个元器件应定位准确,排列整齐。 焊接质量:焊点的电气和机械性能应良好,没有漏焊或虚焊。上述考虑不是一成不变的,一种能很好完成某种检测任务的系统或许不能很好地完成其他的检测任务,有些系统确实具有完善的检测功能,但代价高昂,用于某些特殊的生产环境。虽然同一个设备可以用来完成若干不同类型的检测任务,但对于一个特定的检测任务,往往还需相应的特殊技术。X射线及涡流在多层电路板的生产过程中,敷铜的厚度必须符合规范,层与层之间的定位必须准确。定向的X射线设备如FeinFocus公司的FXS-100.82以及Optek公司的透视系统能够提供多层电路援内部各层的布局以及扭曲和压缩等情况,从而确保没有定位方面的错误。

Optek公司负责销售与市场的副总裁罗杰·布赖恩先生说:“例如,HP公司在科罗拉多州拉夫兰的设备使用了实时可编程CAD控制,自动X射线系统检测多层电路板层与层之间的定位情况,这个过程快捷和富有特色,能及时分析各种参数,它不仅使得最优化的叠层后钻孔变得容易,而且在叠层前直接改善了生产控制过程。”

保证足够低的阻抗和避免过多的热消耗的关键在于内部连线铜的重量是否合理。在蚀刻前后可以用MRX系统和CMI设备来完成对敷铜板厚度的测量,这种设备将涡流和微阻技术相结合,提供了材料厚度的直接读数。

虽然完成印制电路板装配的公司希望一开始就完成裸板定位和含铜量的检测,但通孔镀层的完整性通常是在后续的检测中加以验证。CMI公司的PTX探头用于完成这个任务,它和MRX系统的微电阻原理相同,也工作于同样的涡流.不论板的厚度如何,它都可以将通孔镀层厚度以3位LCD准确显示。

光束和影像

正确的元器件布局和上焊料的位置是很容易由二维图象检查的,可以直接得出结论,也可借助电视摄像机、扫描器或帧接收器进行自动图象分析跟踪后得出结论。可是在第三维中要充分地评价焊剂质量以及测量其份量,往往需要大量的信息。通常用来获得三维信息的方法,包括从变化的各个方向照亮物体,测量阴影,分析反射以及三角测量。光源可采用特制的灯或激光束,接收器采用光电管或电视摄像机。

元器件和焊料的检查可以组合采用二维电视成像分析和三维激光厚度测量完成,也可单独采用三维激光成像完成。无论哪一种情况,数据的采集和处理都应快速完成,因为即使是不必要的,通常还是要检查所有的焊盘、引线和接头。

Machine Vision Products公司的总工程师汤姆·特罗佐先生说:“摄像机在一个画面上可捕捉到许多特征,而画面可以50次/s、100次/s、甚至200次/s的速率被捕捉下来。一幅画面的特征,可由通用计算机并行操作,高速处理.价格不太昂贵的设备,每秒扫描20~30平方英寸,可检查400个焊点或接头.电视系统的可重复性在0.5mil范围内,错误检出率超过99%,错误报告在50到500ppm范围内,它取决于处理的稳定性以及是否检查焊接接头或者更普通的特征,如预焊元件的安置”。

高速三维激光扫描仪可以以每秒一平方英寸到几平方英寸的速度覆盖一块电路板。激光扫描技术通常的速度大约为30pads/s(QFP)到200pads/s(BGA)。若采用全景系统,存在一个检查速度、分辨率和准确度之间折衷的问题。因而,在检查期间,系统能改变分辨率,仅以高分辨率提高关键区域的测量精度,而以低分辨率高速度覆盖电路板的剩余部分。通常,三维激光系统能在生产线的生产周期中完整地检查一块印制电路板。

关于激光和影像技术的优缺点,特罗佐先生指出:“垂直轴的观察能观察弯曲板且能辨别高元件间低矮的元件。激光技术能提供高精度的评估,但每次采样仅能捕获很小范围内的信息且测量精度受电路板弯曲度的影响。”

对大量或高速的生产操作来说，自动检查是必不可少的,但不要忽视人工检查。一些军用的和国家宇航局的合同就要求这样做.其实,利用简易影像系统或光学显微镜比用自动系统成本要小得多。

光学系统也能提供非常高的分辨率,例如,密特朗(Metron)三维扫描仪在放大四倍时,分辨率为57线/mm,放大10倍时,分辨率为141线/mme在这种场合,高智能的传感器人眼和人脑也能发挥一些优势。Metron Optics公司的总裁保罗·肯普特先生认为:“在检查高密度板时人工操作是特别有效的。因为人类从小看的就是完整的物体,而机器看的只是线条,对人类来说,边缘检查也不成问题。”

Metron对高密度印制电路板提供了电路板比较器,它为正确的母板和生产的新板提供镜像比较,在一个高分辨率屏幕上显示活动图象且可放大四倍、七倍或十一倍观察。光学母板可代替实际的PCB母板作为标准样板。对大量不同的电路板,特别是对根据合同装配生产的电路板来说.为每个设计都存储一块母板是不太现实的,而双面光学母板易于制作且易于存储于很小的空间之中。”

用于焊接质量检查的X射线

在各种类型的视觉系统中短路通常易被发现，但虚焊或漏焊,如在BGA情况下就不一定能被发现了。这时,必须依靠能穿透物体和发现隐患的X射线技术。三种形式的X射线器具被用于PCB检查:1.点X射线源及由图象增强器或电影构成的探测器平面。2.一个大型X射线扫描源及按反转几何X射线技术安置的点探测器。3.就象用于X射线分层法的旋转装置。

点源X射线器具如今常用于医疗和工程分析中,尽管它有一个向下的侧面,但难于解释在X,Y平面互相重叠,在Z轴方向处于不同位置的物体的图象，如双面PCB上的元件。同时，因为立体的信息通常借助于从灰度标度推断得出,故也是难以快速得到的。

可是,点源X射线器具在许多普通的PCB检查中是非常有用的,有些系统如Glenbrook技术公司的RTX Mini系统,由于小而轻,因而很容易从一条生产线拿到另一条生产线使用。

要增强一些具有并发的影像检查设备的X射线系统的使用价值和应用潜能，Glenbrook Dual一VU系统可以使得一块PCB表面的图象被放大15倍后显示于一个监控器上,而同一区域的X射线图形显示于第二个监控器上。

X射线分层法

当上述许多技术和系统应用于特殊的检验任务时,没有必要包括所有的评估整个装配过程质量所需的功能，HP的顾问史蒂夫·鲁克斯先生说:“自动化的激光三角测量系统能在安置元件前有效地检查焊剂镀层的情况,但它不能检查焊剂粘合的质量。同样,自动化的光学检验系统能理想地识别丢失和弄错的元件,但由于尾部焊接时可靠性的关键在它们视线之外,故它们不能恰当地确定小间距的QFP焊接的质量。

X射线分层法能够在Z平面的任意高度用截面的X射线图象分离和测量关键的焊接接缝的特征。鲁克斯先生说产分析由X射线分层法系统如HP的4pi5DX系统得到的焊接接缝的测量结果就能描述和改善整个装配过程的每一步。例如,对于穿过单层PCB的焊接接头或多层PCB中的焊接接头,偏离平均焊料厚度或体积偏差的大小直接反映了粘贴一一印制过程中出现错误的来源以及程度.类似地,管脚到焊盘偏移的变化提供了元件安置过程的信息,尾部焊点形状的变化提供了热熔焊接过程中的数据。

故障检测和避免

在生产流程中选择最有利的检测阶段前，首先应考虑两个问题：

1.如果不加以适当的监测，哪一个环节最可能失控？

2.考虑到节约返工的花费,避免碎屑,顾客满意,潜在责任的限制等诸多因素,哪一种检测方法在检测设备和劳动花费上能提供最高的回报?

第一个问题通常通过观察和经验就可以解答,自第二个问题需要经过细致的分析才能解答。

必须在每一个处理步骤后评价诊断能力以检查故障和减少返工,必须评价检测设备能识别故障并提供实时反馈的程度,同时进行的性能价格州将显示出在目标的哪一个步骤检测设备将提供最好的回报。不管选择的设备和生产步骤如何,找出有缺陆的焊点或器件的准确位置,对于减小重复劳动是很必要的。此外,如果板上有缺陷的位置能够曲线化表示,则可以减少一半修理时间。鲁克斯先生解释说:“有了图示化系统就不需在板上贴上修理单,且很容易收集缺陷和修理数据,从而改进处理控制。”

因为人们总是希望能预防缺陷的发生而不希望缺陷产生后去修复它,因而获得零缺陷检测的能力就是最重要的目的.当建立的保护有助于完成控制时,用近似实时的方式监视处理结果,分析偏差并且及时发出警告。