第5章 可制造性设计
5.1 重要概念
PCBA
1.印制电路板组件
印制电路板组件（PCBA）是指安装有电子元器件、具有一定电路功能的印制电路装配件，如图5-1所示，在电子制造工厂也称为单板。
图5-1 印制电路板组件
2.PCBA的结构
PCBA的结构有一个显著特点，就是元器件安装在PCB的一面或两面。为了交流的方便，在IPC-SM-782中对PCBA的两个面进行了定义。通常，我们把安装元器件、封装类别比较多的面，称为主装配面（Primary Side）；相反，把安装元器件、封装类别比较少的面，称为辅装配面（Secondary Side），如图5-2所示。它们分别对应EDA叠板顺序所定义的顶面（Top）和底面（Bottom）。
由于通常先焊接辅装配面，再焊接主装配面，因此，有时我们也将辅装配面称为一次焊接面，主装配面称为二次焊接面。
图5-2 PCBA双面全SMT组装结构
3.PCBA可制造设计
PCBA的可制造性设计，主要解决可组装性的问题，目的是实现最短的工艺路径、最高的焊接直通率、最低的生产成本。
设计内容主要有：工艺路径设计、装配面元器件布局设计、焊盘及阻焊设计（与直通率相关）、组装热设计、组装可靠性设计等。工艺路径主要根据所用元器件的总数量与封装类别来确定，它决定了PCBA装配面上元器件的布局。
PCBA混装度
1.背景
在IPC-SM-782中有两个重要概念“Producibility Levels”（可生产性水平）和“Component Mounting Complexity Levels”（元器件安装复杂性水平），它们有所区别但又分为对应的三级。这两个概念都是用来描述PCBA组装的复杂性的，三级的划分依据为组装所采用的技术，即通孔插装技术、表面组装技术和混合安装技术。
这两个概念与现实不完全相符，这是因为一方面，插装元器件的使用越来越少，另一方面，普通间距与精细间距封装同面组装所带来的难度与复杂性，已经远远超过插装技术与表面组装技术混合应用所带来的难度与复杂性。也就是说，今天电子制造的复杂性主要来自两方面的挑战：一是元器件封装尺寸越来越小；二是普通间距与精细间距封装在PCB同一安装面上的混合使用。这也是今天PCBA可制造性设计面临的最大挑战，PCBA的可制造性设计的核心任务就是通过封装选型与元器件布局等设计手段解决普通间距与精细间距封装同一安装面上的混用难题。
2.混装度
混装度，这是本书提出的一个重要概念，是指PCBA安装面上各类封装组装工艺的差异程度，具体讲就是各类封装组装时所用工艺方法与钢网厚度的差异程度，如图5-3所示。组装工艺要求的差异程度越大，也就是混装度越大，反之，亦然。
混装度越大，工艺越复杂，成本越高。
图5-3 混装度概念
PCBA的混装度反映了组装工艺的复杂性。我们平常讲到的PCBA“好不好焊接”，实际上包含两层意思，一层意思是说PCBA上有没有工艺窗口很窄的元器件，如精细间距元器件；另一层意思是说PCBA安装面上各类封装组装工艺的差异程度。
PCBA的混装度越高，对每类封装的组装工艺优化就越难，工艺性就越差。举个例子，如手机PCB，如图5-4所示，尽管手机板上所用的元器件都是精细间距或小尺寸元器件，如01005、0201、0.4mm CSP、PoP，每个封装的组装难度都很大，但是，它们的工艺要求属于同一个复杂级别，工艺的混装度并不高，每个封装的工艺都可以得到最优化的设计，最终的组装良率会非常高。而通信PCB，如图5-5所示，尽管所用元器件尺寸都比较大，但工艺的混装度比较高，组装时需要使用阶梯钢网。受限于元器件布局间隙与钢网制作难度，很难满足每个封装的个性需求，最终的工艺方案往往是一个顾及各类封装工艺要求的折中方案，而不是最优的方案，组装的良率不会很高。这也是提出混装度这个概念的意义所在。
图5-4 手机PCB
图5-5 通信PCB
同一装配面上安装工艺要求相近的封装，是封装选型的基本要求。在硬件设计阶段，确立合适的封装，是可制造设计的第一步。
3.混装度的度量与分类
PCBA的混装度，可用PCB同一装配面上所用元器件理想钢网厚度的最大差值来表示，如图5-6所示，差值越大，表示混装度越大，工艺性越差。
图5-6 混装度的度量
根据生产经验，我们可以把PCBA的混装度分为四级，见表5-1。
表5-1 PCBA混装度的分级
钢网厚度差值越大，工艺的优化难度越大。工艺难度大，并不是说阶梯钢网制作难度大，而是阶梯钢网厚度越大，焊膏的印刷质量就越难保证。理想情况下，阶梯钢网的阶梯厚度不宜超过0.05mm（2mil）。
4.元器件引脚间距与钢网最大厚度的关系
钢网厚度的设计主要从两方面考虑，即元器件引脚间距与封装的共面性。元器件引脚间距与钢网开窗的面积有一定的对应关系，基本上决定了钢网可使用的最大厚度，封装的共面性决定了钢网可使用的最小厚度。由于钢网厚度不是根据单一的元器件引脚间距设计的，因此，不能简单地按间距大小判定混装度，但可以作为一个基本参考来进行元器件的封装选型。
图5-7为引脚间距对应的钢网厚度值。
图5-7 元器件引脚间距对应的钢网厚度值
5.混装度概念的意义
混装度概念对元器件封装的选型、元器件的布局有重要的指导意义。我们希望在同一装配面上封装的工艺差异性越小越好。