2023年微电子制造综合课程设计报告.doc

桂 林 电 子 科 技 大 学 微电子制造综合设计 设 计 报 告 指导老师： 学 生： 学 号： 桂林电子科技大学机电工程学院 微电子制造综合设计设计报告目录 一、设计内容与要求 二、设计目的意义 三、PCB设计 四、焊盘设计 五、模板设计 六、工艺分析与设计 七、工艺实践方法与步骤 八、课程设计总结 九、参考文献 十、附录 一、设计内容与要求 1、设计内容： 按给定的设计参数，绘制电路原理图，完成相应的PCB设计，绘制PCB板图等。包括焊接方式与PCB整体设计、PCB基板的选用、PCB外形及加工工艺的设计要求，PCB焊盘设计及工艺要求确定，元器件布局要求及设计，基准点标记制作。用PROTEL制作印刷电路板，包括设计电路原理图、定义元器件的封装形式，PCB图纸的根本设置、生成网表和加载网表、设置布线规那么、布线，编写贴装程序等。SMT设计以及工艺文件的编写，分析典型组装工艺，对典型组装工艺进行实践。 设计参数如下： 表1 设计参数表 元器件 数量 元器件 数量 要求 0805 10 1206 10 连线总长不小于500mm； 至少有2种不同的线宽； 过孔不少于20个。 SOP23 2 SOIC 2 PLCC44 2 FQFP48 4 DIP14 2 通孔插装电阻 5 DIP8 4 通孔插装电容 5 2、设计要求： 〔1〕掌握印制电路板计算机辅助设计软件，包括： ① 掌握电路原理图与印制电路幅员分析比照，提高识图能力； ② 掌握电路原理图与印制电路幅员的特点、规律及识图方法； ③ 掌握印制电路板计算机辅助设计软件PROTEL的应用； ④ 依据制定的电路原理图，运用PROTEL完成原理图的输入、网络表生成、板图制作及输出等操作。 〔2〕掌握焊盘、模板的设计方法，包括： ① DFM原理与根本应用、设计原那么以及相应的考核表； ② 熟悉焊盘设计标准〔IPC-SM-782文件〕，掌握焊盘设计的根本原理与方法； ③ 熟悉模板设计标准〔IPC-7525文件〕，掌握模板设计的根本原理与方法。 〔3〕掌握SMT工艺设计方法及其工艺文件的编写，包括： ① 掌握SMT工艺设计的根本原理与过程，对电路原理图进行相应的SMT工艺设计； ② 掌握SMT工艺文件的编写方法，对所设计的SMT工艺进行工艺文件的编写。 〔4〕掌握典型工艺的参数选取、操作步骤、操作要点，对典型工艺进行操作实践，包括： ① 掌握贴片参数的设置与选取，贴片机的操作与编程； ② 掌握引线键合的设置与选取，键合操作方法与要点。 〔5〕掌握设计说明书的编写方法与编写过程，包括： ① 设计目的、元器件布局方案的选取、PCB布线设计说明等； ② 绘制电路原理图、PCB板图等； ③ 编写SMT工艺文件清单； ④ 编写元器件清单。 二、设计目的意义 本综合设计内容主要涉及主要专业课程和一些专业技术根底课程，重点突出专业的专业性和综合性，力求通过综合设计到达以下三方面的目标： 综合应用根底课程、专业课程的理论知识，初步培养PCB的设计能力； 培养查阅技术文献和资料，使用数据手册，绘制标准的技术图纸，应用计算机进行辅助设计撰写完整的技术报告的能力； 本综合设计将综合运用所学的根底与专业知识，较全面地掌握电子产品组装全过程所涉及到的相关内容，建立系统工程的概念： 〔1〕根本掌握电子产品组装设计到的内容与根本要求； 〔2〕掌握应用广泛的EDA软件，特别是PCB布线等后续局部； 〔3〕掌握PCB的设计要领，能依据提供的印制板进行PCB布线设计与焊盘设计； 〔4〕掌握IPC-7351标准，能依据提供的印制板完成模板的设计； 〔5〕能依据提供的印制板制定该印制板的SMT工艺定制； 〔6〕掌握电子产品典型组装工艺参数设计、分析方法和操作步骤。 通过电子工程设计与制造综合设计，初步掌握DFM的原理与根本应用、设计根本原那么以及相应的考核表。初步掌握印制电路板的计算机辅助设计软件，根本熟悉焊盘设计标准〔IPC-SM-782文件〕、焊盘设计的根本原理与设计过程，根本熟悉模板设计标准〔IPC-7525文件〕，掌握模板设计的根本原理与方法。初步掌握SMT工艺设计及其工艺文件的编写，包括SMT工艺设计的原理与方法，对的电路原理图进行SMT工艺设计，掌握SMT工艺文件的编写要点和过程，初步掌握SMT典型工艺的操作技能与实施过程。 通过电子工程设计与制造综合设计，培养一定的自学能力和分析问题、解决问题的能力，独立完成工作任务的能力，为今后开展科学研究工作打下一定的根底，包括学会自己分析、找出解决问题的方法，对设计中的遇到的问题，能独立思考、查阅资料，寻找答案，能按照国际标准、行业标准、企业标准进行设计与编写有关文件，能对设计结果进行分析和正确的评价。 通过电子工程设计与制造综合设计，培养自己树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风，培养自己具有一定的生产观点、经济观点、全面观点及团结合作精神。 三、PCB设计 1、PCB的作用与构成 〔1〕PCB的作用 印制电路板PCB是附着于绝缘基材外表，用于连接电子元器件的导电图形。它对电路的电性能、热性能强度和可靠性都起着重要的作用。通常，电子设计在原理设计完成后，需要设计一块PCB来完成原理设计中的电气连接，并将各种元器件焊接在PCB上，经调试后，完成原理图上功能。可以说PCB是电子设计的最终结果。其作用有： ① 提供集成电路中各种电子元器件的固定、装备的机械支撑； ② 实现集成电路中各种电子元器件之间的布线和电器连接或者电绝缘，提供所要求的电器特性； ③ 为自动装配提供阻焊图形，为元器件插装、检查、维修等提供识别字符和图形。 〔2〕PCB的结构组成 元器件：完成电路功能的各种元器件，各元器件都包含假设干引脚，电信号通过引引脚入元件内部，以完成相应的功能，引脚还有固定的功能，PCB上的元器件包括集成电路芯片、分立元件、提供PCB输入输出端口和供电端口的连接器，某些PCB上还有用于指示的元器件。 铜箔：铜箔在PCB上表现为导线、焊盘、过孔和敷铜，其作用如下： ① 导线：连接PCB上各元器件的引脚，完成各元器件之间的电信号连接； ② 过孔：连接各层线路，各层连通导线交汇处的公共孔就是过孔，工艺上，过孔孔壁常用化学沉积的方法渡上一层金属，以连通各层铜箔，过孔的上下两面做成焊盘形状，可直接与上下两面的线路相通，多层板中，某些导线上会出现过孔； ③ 焊盘：在PCB上某个区域填充铜箔称为敷铜，敷铜可以改善电路性能，一般双层板上下两面都有铜箔； ④ 敷铜：在PCB上某个区域填充铜箔称为敷铜，敷铜可以改善电路性能，一般双层板在上下两面都有铜箔； ⑤ 丝印层：PCB的顶层，用绝缘材料制成，铜箔层上的丝印层可以保护铜箔，在丝印层 上，通常印刷所需要的标志图案和文字代号等，例如，元件标号和标称值、元 件轮廓形状和厂家标志、生产日期等，以方便电路安装和维修； ⑥ 印制材料：在铜箔层之间采用的绝缘材料，印制材料将支撑整个PCB，主要有无机材 料和有机材料两类，无机材料主要指陶瓷，有机材料中最常用的是环氧玻璃纤维。 2、PCB设计 〔1〕焊接方式与PCB整体设计 一般，再流焊工艺适于所有片式元件的焊接，波峰焊工艺那么只适于矩形片式元件，圆柱形器件、SOT和较小的SOP〔管脚数小于28、脚间距1mm以上〕。 从生产的可操作性考虑，PCB整体设计应尽量按以下顺序优化： ① 单面混装━在PCB单面布放贴片元件或插装元件； ② 两面贴装━在PCB单面或两面均布放贴片元件； ③ 双面混装━PCB的A面布放贴装/插装元件，B面布放适于波峰焊的贴片元件。 〔2〕PCB基板的选用 对PCB基板的性能要求主要有： ① 铜箔粘合强度：由于外表贴装元器件的焊区较小，因此要求基板的与铜箔具有良好的粘合强度，一般应到达1.5kg/cm²以上； ② 外观：基板外观应光滑平整，不可有翘曲、上下不平、外表裂纹、锈斑等； ③ 热膨胀系数：外表贴装元器件的组装形态会由于基板受热后的胀缩应力对元器件产生影响，热膨胀系数不同时会由于应力很大而造成元器件接合部电极的剥离，降低产品可靠性，一般元器件尺寸大于3.2×1.6mm²时，就必须注意这个问题； ④ 耐热性：由于基板将经过数次焊接，故要求基板耐焊接热要到达260ºC,10秒； ⑤ 导热系数：集成电路工作时的热量主要通过基板扩散，在电路密集，发热量最大时，基板必须具有高的导热系数； ⑥ 弯曲强度：贴装后，由于元器件的质量和外力，会使基板扰曲，这将给元器件和接合点增加应力，使元器件产生微裂，因此要求基板的抗弯强度要到达25kg/cm²以上； ⑦ 电性能：由于电路传输速度的高速比，要求基板的介电常数，介电正切要小，同时随着布线密度的提高，基板的绝缘性能要到达规定要求，基板在清洗剂中浸渍5分钟，外表不产生任何不良，并具有良好的冲裁性，基板的保存性与SMD的保管条件相同； 〔3〕PCB外形设计 ① PCB厚度：一般PCB厚度取0.5-4mm，推荐采用1.6-2mm； ② 定位孔：为了PCB的准确定位，需要设置一对大小约为5+0.1mm的定位孔，为了定位迅速，其中一个孔可以设计成椭圆形状，在定位孔周围1mm范围内不能有元器件。 ③ 工艺夹持边：在组装以及插件波峰焊过程中，PCB应留出5cm左右的夹持边，以便于设备夹持，在此范围内不允许布放元器件和焊盘； ④ PCB缺槽：PCB一些边缘区域不能有缺槽，以免PCB定位或传感器检测时出现错误，具体位置因设备不同而有所变化； ⑤ PCB翘曲度：PCB翘曲度应小于0.0075mm/mm，其中上翘曲≤0.5mm，下翘曲≤1.2mm。 ⑥ 拼板设计：对PCB的拼版格式一般有以下几点要求： l 拼板尺寸应适中，以制造、装配和测试中便于加工，不产生较大的变形为宜； l 拼板的工艺夹持边和安装工艺孔应由PCB的制造和安装工艺确定； l 每块拼板上应设计基准标志，让机器将每块拼板当作单板看待； l 拼板可采用邮票版或双面对刻V形槽的别离技术，用邮票版时，搭边应均匀分布于每块拼板的四周，以防止焊接时印制板受力不均而导致变形，在采用双面对刻的V形槽时，V形槽深度应控制再板厚的1/6━1/8左右； l 采用波峰焊的双面PCB，可选择双数拼板正反两面各半，两面图形用相同的排列方法可以提高设备利用率，节约生产准备费用和时间。 3、元器件布局设计 元器件布局应满足SMT生产工艺的要求，工艺设计所引起的质量的问题是比拟难以克服的。因此，PCB设计人员应了解根本的SMT工艺特点，根据不同的工艺要求进行元器件布局，正确的设计可以将焊接缺陷降至最低，元器件布局设计主要考虑： ① 布局中应参考原理框图，根据单板的主信号流向规律安排主要元器件。 ② 布局应尽量满足以下要求:总的连线尽可能短，关键信号线最短;高电压、大电流信号与小电流，低电压的弱信号完全分开;模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间隔要充分。 ③ 同类型插装元器件在X或Y方向上应朝一个方向放置。同一种类型的有极性分立元件也要力争在X或Y方向上保持一致，便于生产和检验。 ④ 遵照“先大后小，先难后易〞布置原那么，即重要的单元电路、核心元器件应当优先布局。 ⑤ 相同结构电路局部，尽可能采用“对称式〞标准布局，按照均匀分布、重心平衡、版面美观的标准优化布局。 ⑥ 发热元件要一般应均匀分布，以利于单