PCB設(shè)計(jì)布局的公差有多大？

CAD輸出的數(shù)據(jù)是否足以使設(shè)計(jì)在全球范圍內(nèi)都能成功投入生產(chǎn)？外形、裝配和功能是涉及部件互換性時(shí)經(jīng)常被提及的要素。部件從制造生產(chǎn)線下線后，是否能與其他部件裝配到一起？如果沒有針對物理性能要求的主要技術(shù)規(guī)格限制，PCB設(shè)計(jì)注定會出現(xiàn)報(bào)價(jià)延遲、無人競標(biāo)或直接被制造商拒絕的情況。若產(chǎn)品追求上市時(shí)間，那么這些因素都會阻礙產(chǎn)品開發(fā)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

CAD數(shù)據(jù)是絕對值

如果你曾打開過由CAD布局工具生成的CAM文件，就會看到數(shù)以百計(jì)的數(shù)值，每個(gè)數(shù)值代表設(shè)計(jì)中的幾何數(shù)據(jù)點(diǎn)。一些數(shù)值規(guī)定了印制、電鍍和蝕刻后走線中心的位置；有些數(shù)值代表了鉆孔時(shí)的孔中心位置，以及槽或PCB邊緣的銑削路徑；有些數(shù)據(jù)則表示機(jī)器在執(zhí)行作業(yè)時(shí)的旋轉(zhuǎn)速度、旋轉(zhuǎn)或移動位置。所有的CAD布局工具都會輸出絕對值數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)點(diǎn)名義上代表了幾何特征的準(zhǔn)確理論位置——目標(biāo)條件。

CAD數(shù)據(jù)未將制造工藝公差考慮在內(nèi)

制造工具、機(jī)械和材料引入了大量復(fù)雜的主觀變量，制造商必須對這些變量進(jìn)行調(diào)整，才能讓制造的部件特征與絕對的設(shè)計(jì)尺寸數(shù)據(jù)點(diǎn)相匹配。但追求制造完美幾乎不可能，所以制造商面臨的挑戰(zhàn)是要了解加工后的特征偏離完美的程度，且在外形、裝配和功能上仍然是可接受的。例如，在PCB外形圖中，絕對的CAD數(shù)據(jù)可能反映出水平（X軸方向）值為6.00937in。但在實(shí)際生產(chǎn) 中，沒有一種機(jī)器、材料或工藝能夠生產(chǎn)出具有如此精度的玻璃-環(huán)氧樹脂層壓PCB。當(dāng)PCB設(shè)計(jì)師的數(shù)據(jù)顯示坐標(biāo)為6.00937 in，而切割出的一組部件尺寸為6.006 in、6.012 in、6.013 in和6.014 in時(shí)，部件就必須全部報(bào)廢嗎？哪個(gè)標(biāo)準(zhǔn)這樣規(guī)定的？必須要給制造相關(guān)方提供可接受的尺寸范圍，因?yàn)樗麄兊墓に嚵悸矢鞑幌嗤?br /> ?

圖1：兩個(gè)鉆孔數(shù)據(jù)文件

在法定限制內(nèi)設(shè)定設(shè)計(jì)規(guī)則檢查標(biāo)準(zhǔn)（DRC）

在鄉(xiāng)間公路上行駛時(shí)，一定會看到限速標(biāo)志。這時(shí)要如何調(diào)整駕駛速度呢？無論過程如何，都要考慮駕駛約束條件，并首先要達(dá)到一個(gè)速度才能符合目標(biāo)條件。如果標(biāo)出的限速是60英里/小時(shí)，大多數(shù)司機(jī)會將他們的汽車速度調(diào)整到極限。為什么呢？因?yàn)槿祟惖奶煨跃褪翘魬?zhàn)極限？我們是否錯誤地認(rèn)為，將復(fù)雜的系統(tǒng)設(shè)置為特定的值，其結(jié)果就可以正好是60英里/小時(shí)？不會的。在主體必須與系統(tǒng)的其他部件相互關(guān)聯(lián)的背景下，“精確”是主觀的，對于批量生產(chǎn)中使用的復(fù)雜系統(tǒng)，尤為如此。
?

用于生產(chǎn)車速里程表和巡航控制模塊的制造系統(tǒng)會受到制造工藝公差的“疊加”影響。在組裝各個(gè)模塊的過程中，為了校正不同的制造變化，必須對其進(jìn)行精度校準(zhǔn)。這些模塊隨后要安裝到汽車系統(tǒng)中，而汽車系統(tǒng)有另一組制造商無法預(yù)見的系統(tǒng)變量，導(dǎo)致系統(tǒng)精度更難把控。重型越野輪胎直徑、道路坡度和溫度等變量導(dǎo)致定速巡航系統(tǒng)無法達(dá)到一致完美。根據(jù)NPR節(jié)目《Car Talk》的報(bào)道，定速巡航系統(tǒng)與設(shè)定值的差異可達(dá)到±10%。因此，即使把定速巡航的速度設(shè)定為60英里/小時(shí)，汽車也可能受到各種變量的影響，以66英里/小時(shí)的速度從交警身邊呼嘯而過。你可能得和警察討論一下設(shè)置定速巡航時(shí)如何考慮公差的問題。我們是否應(yīng)該將定速巡航速度設(shè)置為54.5英里/小時(shí)，以允許系統(tǒng)公差為±10%？

設(shè)計(jì)規(guī)則檢查設(shè)置必須考慮到制造系統(tǒng)公差

一般來說，PCB設(shè)計(jì)師會手動調(diào)整CAD工具的DRC設(shè)置，就像司機(jī)設(shè)置定速巡航控制一樣。許多經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)師將DRC值設(shè)置為當(dāng)?shù)貥悠饭?yīng)商提供的“降低的可制造性”3級限制。如果制造能力極佳的樣品供應(yīng)商能夠制造出0.003in的成品線寬和線距，設(shè)計(jì)師就會傾向于將線寬和線距的DRC設(shè)置為0.003in。如果樣品生產(chǎn)工廠說他們可以把阻抗的生產(chǎn)公差控制在±2%以內(nèi)，很多時(shí)候我們會發(fā)現(xiàn)制造說明中會寫明要嚴(yán)格按照該數(shù)值執(zhí)行，但其實(shí)更寬松的值也足以符合要求。

一些設(shè)計(jì)師認(rèn)為樣品供應(yīng)商的CNC鉆孔設(shè)備非常精確，雖然孔環(huán)的尺寸會大大縮小，但不必?fù)?dān)心孔破出的狀況。他們不了解的是，鉆孔公差只是PCB生產(chǎn)操作和制造屬性的一部分，如果想得到同心電鍍通孔，必須要綜合考慮其他屬性，包括印制、蝕刻和電鍍變量，甚至還包括材料的拉伸、膨脹和收縮等因素。PCB樣品制造領(lǐng)域常常被誤解，人們以為即使設(shè)計(jì)布局已經(jīng)超出了樣品供應(yīng)商能力的極限，也還是能成功制造出成品。

許多PCB設(shè)計(jì)師不明白的是，為了提供他們廣告中提到的“不可能的”非凡設(shè)計(jì)能力，樣品生產(chǎn)工廠不得不生產(chǎn)出大量額外部件，以獲得足夠的良率來交付小量訂單。現(xiàn)在，應(yīng)該明白為什么快捷生產(chǎn)10塊小PCB要支付5000美元的原因了吧。生產(chǎn)這10塊PCB，意味著還要產(chǎn)生另外100個(gè)因?yàn)椴环弦蠖坏貌粓?bào)廢的PCB，用掉的材料和工時(shí)就要花費(fèi)掉4500美元。成本之所以這么高是因?yàn)榱悸侍汀?/p>

事實(shí)上，CAD工具公司這些年來已經(jīng)抓住了這一發(fā)展趨勢，并一直與PCB制造公司合作，了解他們的能力——或者說是了解他們的極限，希望PCB生產(chǎn)車間能像各個(gè)地區(qū)公布車速限制方式一樣，為PCB布局開發(fā)自動的設(shè)計(jì)“定速控制”功能。

他們的努力并沒有白費(fèi)。這些公司已經(jīng)能夠發(fā)布一些設(shè)計(jì)制約，甚至可根據(jù)PCB制造商特有的制約條件，在快速自動執(zhí)行DFM審查后自動提供報(bào)價(jià)。此處應(yīng)用的DRC理念是“即設(shè)即棄”。這種商業(yè)策略對快捷樣品供應(yīng)商和CAD工具公司來說更有意義。他們正在嘗試解決的問題是，如何避免使用他們的工具生成不可制造的PCB。

但是，引導(dǎo)下一代PCB設(shè)計(jì)師使用這些各不相關(guān)的生產(chǎn)任務(wù)適用的專有規(guī)則，似乎忽視了重要的一點(diǎn)——設(shè)計(jì)最終勢必要投入批量生產(chǎn)。在實(shí)際操作當(dāng)中，批量生產(chǎn)需要針對產(chǎn)量、成本制約條件和設(shè)計(jì)材料余量的更寬松DRC設(shè)置。如果批量生產(chǎn)相關(guān)方每次聽到客戶抱怨說“樣品生產(chǎn)工廠可以做到”時(shí)，都能賺到哪怕5分錢，那他們早就富有到可以不用工作了。不幸的是，很多PCB設(shè)計(jì)師總是根據(jù)定制化樣品本土制造能力去考慮問題，他們期望離岸外包供應(yīng)商能夠按照精確的數(shù)值加工產(chǎn)品，完全符合材料和疊層的規(guī)格要求。

PCB設(shè)計(jì)布局的公差有多大？

你去過交通學(xué)校（traffic school）嗎？幾年前，我和其他違反交規(guī)的人一起坐在房間里，聽著那些我以為自己早已知道的駕駛規(guī)則。前面的課程很無聊，直到我們看到一組幻燈片，上面播放車禍現(xiàn)場的真實(shí)照片。這些照片呈現(xiàn)了超限速駕駛車輛后可能付出的代價(jià)。

同樣，PCB設(shè)計(jì)師每天都會因?yàn)槭褂谩岸ㄋ傺埠健惫δ苋ゲ僮鞑季止ぞ叨斐墒鹿?。PCB設(shè)計(jì)師收到PCB布局工具的鑰匙時(shí)，他們并不了解這些工具的默認(rèn)設(shè)置，于是提供給PCB制造商的輸出數(shù)據(jù)是制造商力所不能及的。制造商和組裝商見識到了在EDA工具限制之外操作所實(shí)際產(chǎn)生的代價(jià)——連接短路、孔破出、引線未潤濕、焊縫不良和元器件墓碑效應(yīng)?？梢栽赑CB驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)IPC-A-600和IPC-A-610中看到一些不符合要求的圖片。

圖4：數(shù)據(jù)“車禍”的3個(gè)實(shí)例

目前關(guān)于在PCB布局過程中應(yīng)用人工智能技術(shù)的熱議，可能會導(dǎo)致PCB設(shè)計(jì)師更加無法了解全球制造限制條件，并可能推動PCB自動布局工藝流程的發(fā)展。據(jù)我所知，這些空想家在合作時(shí)似乎并沒有考慮到全球制造供應(yīng)商面臨的限制。有些公司正在和專門從事樣品生產(chǎn)的本地生產(chǎn)組裝服務(wù)機(jī)構(gòu)合作，這些公司的服務(wù)成本高且規(guī)模小。我們這些從事批量生產(chǎn)的制造商經(jīng)常聽到客戶的項(xiàng)目管理團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人說，他們想增加組件生產(chǎn)批量，卻又不想放寬設(shè)計(jì)制約條件。他們對我們說：“我們的樣品制造商從未抱怨過設(shè)計(jì)限制。為什么你的供應(yīng)商會認(rèn)為有問題？”

PCB設(shè)計(jì)工程師的“交通學(xué)?！?/strong>