设置PCB元件放置公差

2021-09-01

设置PCB元件放置公差

PCB组件放置公差对于電(diàn)路板的最佳性能(néng)至关重要

宽容这个词根据使用(yòng)的上下文(wén)可(kě)以有(yǒu)很(hěn)多(duō)不同的含义。作為(wèi)父母，我的宽容是我的孩子们通常试图将其推向临界点的东西。类似地，在電(diàn)子设计中，公差通常也被尽可(kě)能(néng)地推高而不会破坏。当然，问题在于超出公差时设计会发生什么。

在印刷電(diàn)路板上放置元件时，必须保持特定的间隙公差。这些容差包括 CAD 系统中元件封装的规格、如何定位元件以获得最佳電(diàn)气性能(néng)，以及如何放置部件以实现電(diàn)路板的可(kě)制造性。让我们仔细看看这些PCB组件放置公差，以及如何设置您的设计工具以适应它们。

PCB元件公差

在我们查看元件如何放置在電(diàn)路板上的不同公差之前，我们需要首先从零件的公差开始。 

CAD 系统中的每个组件封装都必须根据其制造商(shāng)的规格进行构建。如果 CAD 封装构建不正确，实际的物(wù)理(lǐ)部件可(kě)能(néng)不适合電(diàn)路板的金属焊盘图案。诸如此类的问题会导致電(diàn)路板无法制造。 

在PCB设计系统中构建元件封装包括两个步骤： 

创建零件引線(xiàn)将焊接到的金属焊盘图案。焊盘图案尺寸有(yǒu)时可(kě)以在制造商(shāng)的数据表中找到，或者它们可(kě)能(néng)已经作為(wèi)行业标准焊盘图案存在，例如 SOIC-14。 

根据制造商(shāng)数据表中的规格构建组件的物(wù)理(lǐ)形状或轮廓。

构建PCB CAD 封装是PCB布局中比大多(duō)数人意识到的要重要得多(duō)的部分(fēn)，了解原因很(hěn)重要。以 0603 封装的标准旁路電(diàn)容器為(wèi)例。根据其密度，您的设计可(kě)能(néng)需要数百个采用(yòng)相同 0603 封装的不同旁路電(diàn)容器。您在设计中只需要一个 0603 封装，CAD 系统将為(wèi)整个電(diàn)路板上的每个電(diàn)容器实例复制它。但是，如果它构建不正确，那么所有(yǒu)这些部分(fēn)都将是错误的。如果占用(yòng)空间太小(xiǎo)，实际零件甚至可(kě)能(néng)无法安装在電(diàn)路板上，而更大的占用(yòng)空间可(kě)能(néng)会影响制造过程中電(diàn)容器的焊接方式。

為(wèi)避免PCB组件放置容差问题，在您使用(yòng)PCB布局进行布局时，请牢记以下准则：

表面贴装(SMT) 焊盘图案需要足够大，以在PCB组装期间促进良好的焊料填充。虽然这些焊盘图案通常在行业标准中指定，但有(yǒu)时您可(kě)能(néng)需要為(wèi)特殊需要的零件创建自己的焊盘图案。在这种情况下，确保构建焊盘图案以占据零件的最小(xiǎo)和最大引脚尺寸。

通孔焊盘应该有(yǒu)一个足够大的钻孔以插入元件，但又(yòu)足够小(xiǎo)以防止焊料通过孔芯吸。

组件轮廓应构造為(wèi)制造商(shāng)数据表中指定的最大材料宽度。

此外，请记住，来自不同制造商(shāng)的同一部件必须使用(yòng)许多(duō)焊盘图案。在这种情况下，您将需要使用(yòng)多(duō)个数据表以确保允许所有(yǒu)零件的最大材料宽度。

此时，您的设计应该具有(yǒu)良好的PCB占用(yòng)空间，因此让我们看看部件之间的放置公差，以实现電(diàn)路板的最佳電(diàn)气性能(néng)。

CAD 封装需要按照精确的规格构建，以确保其适合性和可(kě)制造性

電(diàn)气设计性能(néng)的放置公差

在PCB布局中放置组件时，要记住的一个考虑因素是组件在其他(tā)部件中的功能(néng)。例如，電(diàn)源组件有(yǒu)严格的放置要求，以确保它们产生尽可(kě)能(néng)少的噪声和 EMI。这些部件在放置时当然必须符合可(kě)制造性 (DFM) 要求的良好设计，但它们也必须按照最佳功能(néng)进行安排。以下是一些通用(yòng)布局规则，可(kě)确保您的電(diàn)路发挥最大性能(néng)：

電(diàn)源组件应尽可(kě)能(néng)靠近，以尽量减少走線(xiàn)長(cháng)度。電(diàn)源中更短和更宽的走線(xiàn)可(kě)降低電(diàn)感并减少電(diàn)磁干扰(EMI)。

大引脚数高速器件的旁路電(diàn)容器需要尽可(kě)能(néng)靠近器件的電(diàn)源引脚放置。这种接近将有(yǒu)助于减少電(diàn)流尖峰和由此产生的接地反弹信号完整性问题。

通过信号路径连接的高速组件必须靠近放置，以防止信号路径在電(diàn)路板上四处游荡。紧密放置的信号路径将有(yǒu)助于确保高速传输線(xiàn)中的阻抗较低。

将功能(néng)分(fēn)區(qū)的组件保持在一起，除非信号在功能(néng)區(qū)域之间交叉。这将防止模拟噪声污染数字電(diàn)路，反之亦然。

对于热管理(lǐ)，让处理(lǐ)器和内存芯片等热运行组件更靠近電(diàn)路板的中心，并将電(diàn)源電(diàn)路彼此分(fēn)开。

这些PCB组件放置容差建议旨在帮助您的電(diàn)路板发挥最佳性能(néng)。然而，電(diàn)路板仍然需要可(kě)制造，需要一套完全不同的放置公差。 

可(kě)制造性的PCB元件放置公差

即使您的電(diàn)路板具有(yǒu)最好的PCB封装和精确放置和布線(xiàn)的组件以提高性能(néng)，但如果最终无法制造该電(diàn)路板，那一切都没有(yǒu)关系。為(wèi)了确保電(diàn)路板的可(kě)制造性，以下是必须遵守组件放置公差的四个关键原因。

组件到组件的间距

放置得太近的零件可(kě)能(néng)会给以下制造过程带来潜在问题：

自动化组装：用(yòng)于在電(diàn)路板上安装元件的贴片机将难以处理(lǐ)靠得太近的部件，需要手动安装这些部件。

波峰焊：小(xiǎo)分(fēn)立部件需要按照電(diàn)路板通过波峰的方向小(xiǎo)心放置。应放置双引脚部件，以便两个引脚同时进入波形。较大的零件不应在较小(xiǎo)的零件之前进入波峰，以防止产生阴影，导致焊点不良。

调试和返工：不应将较小(xiǎo)的组件放在较大的组件下，以帮助组装技术人员在板上调试和返工。

元件到板边缘间隙

由于以下原因，在靠近電(diàn)路板边缘放置组件时还必须小(xiǎo)心：

测试：靠近電(diàn)路板边缘的部件会干扰测试夹具的真空下降。

面板：太靠近板边缘的组件将需要一个分(fēn)線(xiàn)片而不是 V 型槽来进行去面板。对于带有(yǒu)连接器的電(diàn)路板，这是意料之中的。否则，V 型槽是一种将電(diàn)路板与面板分(fēn)离的更具成本效益的方法。还需要与電(diàn)路板边缘保持足够的间隙，以防止在分(fēn)板过程中元件或金属電(diàn)路开裂。

散热：靠近電(diàn)路板边缘的部件可(kě)能(néng)会干扰冷却電(diàn)路板所需的预期气流。

测试点间隙

尽管不是物(wù)理(lǐ)组件，但需要将测试点放置在与其接触的测试夹具探针不会与電(diàn)路板上的零件发生碰撞的位置。对于测试夹具探针，测试点之间还需要有(yǒu)足够的间距。

人员访问

大多(duō)数電(diàn)路板都有(yǒu)必须由人手接触的接口部件。必须设置开关，插入和拔出连接器，并且需要使用(yòng)手动测试设备探测某些网络。这些部件不仅需要放置在用(yòng)户可(kě)以接触到的地方，而且还需要与其他(tā)部件保持足够的间隙，这样用(yòng)户就不会在此过程中冒对其他(tā)部件造成附带损坏的风险。

这些 DFM 问题通常可(kě)以在原型板上解决，其中快速周转对于推出新(xīn)产品至关重要。但是当電(diàn)路板进入正常生产时，这些问题需要得到纠正，以帮助降低制造时间和成本。幸运的是，PCB CAD 系统中有(yǒu)一些功能(néng)和实用(yòng)程序可(kě)以提供帮助。

使用(yòng)您的 CAD 系统的 DRC 功能(néng)可(kě)以為(wèi)您省去很(hěn)多(duō)麻烦，如 Cadence Allegro 中所示

使用(yòng) PCB设计工具管理(lǐ)元件放置公差

统一搜索实用(yòng)程序，可(kě)在 Cadence Allegro 设计工具中使用(yòng)

正如我们所见，使用(yòng)精确的 PCB封装对于保持正确的组件放置公差至关重要。有(yǒu)多(duō)种辅助工具可(kě)以帮助解决此问题，包括行业标准和封装创建向导，但最好的方法之一是使用(yòng)外部库服務(wù)。高级 PCB设计系统通常有(yǒu)一个实用(yòng)程序，允许设计人员直接连接到外部库服務(wù)以搜索和下载 CAD 模型。在上图中，您可(kě)以看到在 Cadence 设计工具套件中找到的统一搜索实用(yòng)程序的图片。使用(yòng)统一搜索工具，设计人员可(kě)以找到他(tā)们正在寻找的部件并下载制造商(shāng)的原理(lǐ)图符号、SPICE 模型、数据表、部件信息、图像和 PCB 封装。

这些设计工具中还有(yǒu)其他(tā)有(yǒu)用(yòng)的功能(néng)也可(kě)以提供帮助。其中之一是约束管理(lǐ)系统，可(kě)以针对不同的组件间隙进行设置。您不仅可(kě)以设置组件到组件的间隙，还可(kě)以為(wèi)组、區(qū)域甚至特定零件设置间隙。像这样的约束系统将允许您的设计规则检查 (DRC) 提醒您组件放置间隙不在容差范围内，并帮助您设计更好的電(diàn)路板。