胡定益 柯 勇

（景旺电子科技（龙川）有限公司，广东 河源 517373）

谈PCB工程设计优化

胡定益 柯 勇

（景旺电子科技（龙川）有限公司，广东 河源 517373）

通过PCB工程设计优化手段，来降低产品制作成本，提高设备效率。重点介绍了如何通过开料拼版设计，提高板料利用率；如何对叠层结构优化，减少半固化片的叠层数量；如何对钻头直径大小设计，提高钻床设备效率；如何对铣带程式和R角优化，提高铣床设备效率，从而降低了产品制作成本，提高了生产效率。

工程设计优化；开料拼版；板料利用率 ；叠层结构；铣带程式

1 前言

PCB产前工程设计是对客户工程资料及品质要求解读后，结合工厂的制程能力，进行转化，设计出不仅满足客户质量要求，又能适用于工厂的高效率、低成本设计制作指示。PCB产品的工程设计，直接影响到PCB的制作成本。

本文结合我公司的实际情况，重点介绍了如何通过开料拼版设计，提高板料利用率；如何对叠层结构优化，减少半固化片的叠层数量；如何对钻头直径大小设计，提高钻床设备效率；如何对铣带程式优化，提高铣床设备效率，从而降低了产品制作成本，提高了生产效率。

2 开料拼版设计

开料拼版设计是对生产工作板进行尺寸设计与拼版。在开料拼版设计中关键要考虑板料和铜箔的利用率，其次考虑瓶颈生产工序，如真空压合机、电镀线的设备利用率。根据工厂的制程能力，结合板料的尺寸规格，设计出材料利用率高的开料拼版设计。以下是从板材尺寸选择和提高板料利用率的拼版方法。

2.1 板材大料尺寸选择方法

（1）常规板材尺寸规格。

（2）常规板材尺寸的价格比，见表1。

表1 常规板材尺寸的价格比

（3）特殊板材尺寸。

为降低生产成本，提高生产设备的利用率，经同板材供应商沟通，确定了对现有3种板材：940 mm×1245 mm、1041 mm×1245 mm和1092 mm×1245 mm的长方向1245 mm（49″）加长到1257 mm（49.5″），加长的12.7 mm（0.5″）仅用于夹板边，不可用于有效单元。

（4）尺寸选择顺序。

对于多层电路板而言，优先选择1092 mm×1245 mm（43″×49″）的板料，其次是1041 mm×1245 mm（41″×49″）板料，最后选择940 mm×1245 mm（37″×49″) 板料。我公司压机钢板尺寸为1143 mm×1295 mm（45″×51″），采用的板材尺寸面积越大，其压合产能利用就越高，因此铜箔的利用率也就能达到最大化。

2.2 提高板料利用率的拼版方法

2.2.1 板料拼版设计原则

开料的最佳方式为一张大料开4块工作板，最多不超过7块工作板。工作拼版数量越少，生产效率越高，反之，生产效率越低。开料的工作板数量多，搬运次数就越多，真空压机和自动电镀线设备利用率就低，同时增加了生产物料和水电消耗。为使板料充分利用，在拼版设计中，应遵循以下原则：

（1）采用无间距拼版、混排拼版、回形拼版、倒扣拼版四种排版方式。

（2）通过开A板和B板两种大小工作板的排版的方式。

（3）导入特殊加长板料尺寸，以减少工作板数量，940 mm×1257 mm（37″×49.5″），1041 mm×1257 mm（41″×49.5″），1092 mm×1257 mm（43″×49.5″）。

（4）同客户沟通，调整工艺边达到更改出货尺寸，寻求有利拼版尺寸,提高板料利用率。

2.2.2 提高板料利用率的拼版方法

提高板料利用率的拼版方法主要有四种方式：无间距拼版、混排拼版、回形拼版、倒扣拼版。我公司经采用此四种排版方式比常规排版方式的板料利用率提高了8%~15%。

（1）无间距拼版。

①无间距拼版的基本理解

无间距拼版是去除成品单元间的间距，如图1所示，成品单元与成品单元之间紧密排列，无废工艺边料，来提高板料利用率的方法。

图1 无间距拼版方式

② 案例介绍

从图2可见， 开料使用1041 mm×1257 mm（41″×49.5″）的板料，采用无间距拼版开料，板料利用率可达到90.84%。按照常规的开料方式，板料利用率仅为75.70%。使用无间距排版板料利用率提高了15%，因此材料成本明显降低。

1041 mm×1257 mm（41″×49.5″）的板料开4块工作大板，1块工作大板的尺寸设计628 mm×502 mm，从而使板料充分利用。从图3分析，按照无间距拼版方式，1块工作大板拼版设计9块成品板，成品板单元尺寸设计为160 mm×204.40 mm，由此计算出无间距拼版方式的板料利用率为90.84%

图2

（2）混排拼版。

①混排拼版的的基本理解

混排拼版是利用旋转拼版的方式来提高板料利用率的方法，如图3所示。

图3 混排拼版方式

②混排拼版案例介绍

开料使用940 mm×1257 mm（37″×49.5″）的板料采用混排拼版，板料利用率达到88.20%；按照常规的开料方式，板料利用率仅为80.41%，经使用混排版方式板料利用率提高了8%。

图4

从图4得知，940 mm×1257 mm（37″×49.5″）的板料开4块工作大板，1块工作大板的尺寸设计628 mm×470 mm，从而使板料充分利用。从图6分析，按照混排拼版方式，1块工作大板拼版设计3块成品板，成品板交货尺寸设计为386 mm×225 mm，由此计算出混排拼版方式的板料利用率为88.20%。

（3）回形拼版。

①回形拼版的基本理解

回形拼版是相对复杂的一种拼版方法，主要是产前设计中如何最大化提高板料的利用率，减少板料的每处空隙浪费，如图5所示。笔者结合工程设计实际应用案例，将回形拼版命名为“单回形拼版”和“多回形拼版”两种方式。单回形拼版方式具有代表设计案例如图5所示，多回形拼版方式在设计应用中概括主要三种类型，如图6之a、b、c所示。

②回形拼版案例介绍

开料使用940 mm×1245 mm（37″×49″）的板料采用回形拼版开料，板料利用率达到88.20%，按照常规的开料方式，板料利用率为80.98%，使用回形拼版方式板料利用率可提高了8%。

图6 多回形拼版

从图7得知，1092 mm×1245 mm（43″×49″）的板料开料成4块工作大板，1块工作大板的尺寸设计614 mm×546 mm，从而使板料充分利用。从图10分析，按照回形拼版方式，1块工作大板拼版设计为6块成品板，成品板交货尺寸设计为154 mm×213 mm，由此计算出回形拼版方式的板料利用率为88.20%。

图7

（4）倒扣拼板

①倒扣拼板的基本概念

倒扣拼版是一种比回形拼版更为复杂的拼版方式，这种方式是结合回形拼版一种综合拼版方式，通常是在倒扣拼版中嵌套回形拼版方式，从而使板料充分利用，如图8所示。

图8 倒扣拼版方式

常见的倒扣拼版一般有两种情况：图9（a）是SET （成品单元）外形设计成“L形”相互倒扣，笔者定义为“L形相互倒扣拼版”；图9（b）是SET（成品单元）外形设计成“T形”相互倒扣，笔者定义为“T形相互倒扣拼版”。

图9

②倒扣拼版案例介绍

开料使用940 mm×1245 mm（37″×49″）的板材采用倒扣拼版，板料利用率可提高到95.08%。若按常规的开料方式，板料利用率仅为79.86%。使用倒扣排版板料利用率提高了15%，板料成本节约明显。

从图10（a）得知，将940 mm×1245 mm（37″×49″）的大料开料“一分为四”，1块工作大板的尺寸设计622 mm×470 mm，使板料充分利用。从图10（b）分析，按照倒扣拼版方式，1块工作大板拼版设计48块成品板，成品板单元尺寸设计为201.39 mm×52.7 mm，由此计算出倒扣拼版方式的板料利用率为95.08%。图11（a）是按常规顺方向排版图，图11（b）是成品出货板外形相互倒扣排版图，通过倒扣排版设计，使板料得到充分利用。

图10

图11

3 叠层结构设计

3.1 叠构结构设计原则

在材料成本精益设计时，应考虑以下原则：

（1）叠层结构经济性。层与层之间尽量使用单张半固化片，优先选择树脂含量较高的半固化片。常用半固化片的优先选择顺序，如7628H＞7628＞2116H＞2116＞2113＞1506＞1080＞106。

（2）六层电路板和六层电路板以上需尽量减少大面积的无铜区。板边铣空区增加铜面，减少无铜区，单元内独立区域的无功能焊盘不取消，减少无铜区；建议客户增加无功能焊盘在无铜区位置。

图12~图14是叠层结构优化前后对比图，可大量节省半固化片的张数。在满足客户品质的前提下，每种叠层结构优化后，每平方米订单节省2~4张半固化片。

图12

注1：上述四层板结构，原始设计4张2116的固化片，优化后设计2张7628固化片，每平方米节省2张固化片。

图13

注2：上述六层板结构，原始设计6张固化片，优化后设计3张固化片，每平方米节省3张固化片。

图14

上述八层板结构，原始设计6张固化片，优化后设计4张固化片，每平方米节省2张固化片。

4 钻孔设计

4.1 最小钻头直径设计对钻床设备效率的影响

在PCB制造中，最小钻头的直径决定了钻床的主要设备效率。当钻头直径设计有空间预大时,则在客户成品孔径的基础上，根据工厂制程能力对钻孔直径预大补偿。一般机械钻孔设计时尽量避免使用0.20 mm或0.25 mm的钻头，以提高钻床设备效率。

结合钻孔叠板参数，如表2，对比分析0.25 mm钻头和0.3 mm钻头，对钻床设备效率的影响。

（1）当板厚在0.4≤T＜0.6mm，使用0.25 mm钻头，最大叠板5块，使用0.30 mm钻头，最大叠板8块；

（2）当板厚在0.6≤T＜0.8 mm，使用0.25 mm钻头,最大叠板4块，使用0.30 mm钻头，最大叠板6块；

（3）当板厚在0.8≤T＜1.1 mm，使用0.25 mm钻头,最大叠板3块，使用0.30 mm钻头，最大叠板4块；

（4）当板厚在1.1≤T＜1.3mm，使用0.25 mm钻头，最大叠板2块，使用0.30 mm钻头，最大叠板4块；

（5）当板厚在1.3≤T＜1.7 mm，使用0.25 mm钻头，最大叠板2块，使用0.30 mm钻头，最大叠板3块。

从钻孔叠板数据对比分析，若将0.25 mm钻头改为0.30 mm钻头，钻孔的平均叠板数可提高约1.6倍，因此钻机的设备效率就明显提高了。

表2 钻孔叠板参数表

4.2 最小钻头对加工成本的影响

在钻孔工程设计允许的条件下，尽量将最小钻头直径提高一个等级，如0.20 mm的钻头直径提高0.25 mm，0.25 mm的钻头直径提高0.30 mm，以降低钻孔制作成本。在设计中如何降低钻孔的成本，一般可从以下几方面考虑：

（1）尽量加大最小钻头直径，避免使用0.20 mm或0.25 mm的钻头。

（2）一般客户原稿大铜面上的钻孔设计，主要起散热作用。同客户沟通，建议客户加大钻头直径达到散热效果，减少大铜面上的钻孔数量，从而达到钻孔成本的降低。

（3）非电镀孔的槽孔在满足客户公差的情况下改用铣床铣出或冲床冲出。

（4）板外的辅孔距离与数量要适当。

（5）减少二次钻孔，降低钻孔成本。

表3是钻头大小对应加工价格参考表。当板厚在0.40 mm ~ 0.80 mm，最小钻头直径为0.25 mm，1 000个孔的钻孔加工成本为1.40元；当钻头直径为0.30 mm时，1000个孔的钻孔加工成本为1.40元。由此可知，0.25 mm的钻头加工成本比0.30 mm的钻头加工成本提高了约一倍。

5 外层线路设计

在PCB电镀加工中，外层图形分布与工程产前设计对电镀加工成本影响较大。外层图形设计可从以下因素考虑：

（1）根据生产设备能力情况，优化工艺板边设计。PCB工艺边太宽或不合理，将增加电镀的加工成本。

（2）在图形电镀分布不受影响的前提下，辅助铜块面积尽量减少，降低受镀面积。

（3）同客户沟通，建议将图形大铜面设计更改为网格，以减少图形电镀面积。

6 铣板加工设计

目前PCB的成型方式主要是模具冲切和CNC铣板两种工艺。模具冲切优点是生产效率高且成本低，但缺点是板边粗糙、毛刺大。客户端在SMT表面贴装时，容易出现PCB毛剌导致焊接不良等品质问题，因此高密度多层板的冲切工艺已被众多客户淘汰。CNC铣板工艺优点是板边光滑、无毛刺，缺点是生产效率较低，加工成本大，加上铣床设备投入高，导致CNC铣板加工成为PCB制造产能瓶颈。

表3 钻头大小对应加工价格参考表

以下对铣带程式优化设计做了重点介绍。通过“铣外形废料田字方法”降低了铣程，以及改变铣刀大小的方法增加铣板叠数，提高了铣床设备效率，减少了加工成本，以缓解铣床工序的生产压力。

6.1 铣板工程设计基本概要

PCB工程设计的铣程长短是影响铣板加工效率的关键因素。在CNC铣板程式中铣程主要分为两种：粗铣加工与精铣加工。

（1）粗铣加工。是指将多余的废料先铣掉，常规保留单边0.10 mm的废料余量。由于在铣废料时铣刀的阻力较大，所以行进速度较慢，粗铣加工的行进速度是精铣加工的40%~50%，因此粗铣加工铣程是导致铣板加工周期长的主要原因。

（2）精铣加工。是指在铣掉废料的情况下进行修边，铣出客户所要求的形状。精铣加工只是修边，铣刀的阻力相对小，所以行进速度较快。

（3）铣板叠数。因不同大小的铣刀韧长不一样，在生产中受铣刀韧长特性的影响，若使用较小的铣刀，铣板的叠数对应减少。

（4）铣机暂停时间：铣机在生产过程中，受一些废料边料的影响或机器异常、刀具检测异常等问题，需暂停机器处理；如粗铣加后板边废料已脱离，在铣带程式上加M09，设定机器暂停程式的运行，将废料手动捡走，防止精铣加工时造成断刀。

6.2 铣板工程设计优化

对CNC铣板效率的影响因素分析后，在工程设计时应从铣带程式和铣板叠板参数进行优化。

（1）减少废料铣程周长的铣带程式优化：铣外形废料田字法。

①原铣外形废料制作方法：成品的外形粗铣与精修采用同样的方法单独转圈铣出，在铣板时的铣程是成品尺寸的实际周长，如图15所示。

图15 红色标示为铣刀的走向

②更改后的铣外形废料制作方法：在粗铣时不需特别管控尺寸的精度，距成型保留边0.05 mm ~0.10 mm的废料余量，根据此特点，可从两方面更改：（1）在MI开料排版制作时，将成品单元间的距离调整为一样的间距，成品单元间X轴与Y轴方向都需水平或垂直对齐；（2）在制作铣带时，整板采用田字形的方法走刀设计铣出，如图16所示。

图16 红色标示为铣刀的走向

（2）工程设计参数应用。

①MI排版时单元间距必须一致，间距控制在1.60 mm ~ 2.00 mm之间。

②制作铣带时，铣刀直径选用1.50 mm ~ 2.00 mm，如排版间距为2.00 mm，铣刀直径选用1.80 mm，以保留单边0.05 mm ~ 0.10 mm公差余量，铣刀中心在单元间距中间下刀铣出，外围则采用整体转圈铣出。

③成品外形是正四边形，防止废料余量不一致，在精铣时产生烧板与断刀。

④有较大的板边倒角，角尖废料大于铣刀一半时，需单独将角铣出，防止精修时断刀或倒角不平等情况。

（3）废料铣程优化前后比较：

选用生产在线板三款为试验对象，分别生产1 000块板，每块铣板时长20 min，料号如下：

①料号502LI0445373拼版间距为2.00 mm，铣刀为1.80 mm，行进刀速1.30 m/min；

②料号479LP0244989拼版间距为2.00 mm，铣刀为1.80 mm，行进刀速1.30 m/min ；

③料号136LP0444898拼版间距为1.60 mm，铣刀为1.50 mm，行进刀速1.10 m/min 。

经统计一台铣床的设备效率，在四个轴同时运行的情况下，原用时3750 min，优化后用时3336 min，节省时间414 min，铣板加工效率比优化前提高了11%。

表4 废料铣程优化前后对比表

6.3 铣板叠数

通过改变铣刀大小，可增加铣板叠数，有效提高了铣板加工效率。“内R角钻孔法”，在实际生产中，除槽孔的大小决定铣刀直径外，一些有内R角要求的PCB板，为达到内R角要求，同样需选用对应的铣刀铣出内角，如小于R0.80 mm的内角，采用小铣刀修角。

铣刀的特性是越小的铣刀，韧长则越短，因此使用小铣刀将会较大程度上影响铣板叠数。为提高大铣刀在铣板加工中的使用比例，结合我公司使用情况，进行锣带优化设计。表5为我公司铣板叠数。当内R角为0.50 mm，应选用1.00 mm铣刀直径铣出内角。内R角采用钻孔时钻出，铣带制作时选用1.50 mm的铣刀制作，如图17所示。

表5 铣板叠数

图17 红色标示为钻出的辅孔

（1）工程设计参数应用

①内R角＜0.80 mm，需用1.00 mm的铣刀；R角≥0.80 mm，可直接用1.60 mm以上的大锣刀生产，对最小铣板叠数不受影响。

②MI制作时要求在一钻时钻出，尽量避免二次钻孔。

③钻头直径需加大0.10 mm，并切入成形单元边0.05 mm，如R角等于0.50 mm，钻孔时需用1.10 mm的钻头，并单边切入成形边0.05 mm。

④铣带制作时选用1.50 mm铣刀制作。

（2）优化前后比较：

①优化前：内R角＜0.80 mm，需用1.00 mm的铣刀，生产时单轴每趟板只能叠3块板。

②优化后：R角已钻出，选用1.50 mm铣刀制作，生产时单轴每趟板叠4块板，比更改前多铣1块板；

以我公司生产料号004LE0446249为例，共有1 000块板，板内R角要求为0.50 mm，更改前修角时需用最小刀径1.00 mm生产，优化后采用1.50 mm刀径直接铣出，每块铣板时间为30 min。

表6 铣板加工时间对比表

采用内R角钻孔时钻出，比优化前每台设备每趟板多加工16-12=4块板，如1000块板在优化后生产，可减少铣板次数21趟板，节省铣板加工时间630 min，在内R角采用钻孔要求的订单中铣板加工效率提高了约25%。

7 结语

产前工程设计优化，直接影响到PCB制作成本和生产效率。本文结合我公司的实际情况，重点介绍了如何通过开料拼版、叠层结构、铣带程式等工程设计优化案例，来降低PCB制作成本，提高瓶颈设备效率。由于产品类型、原材料、生产设备等差异，各企业需要根据自身情况制定适合的工程设计规范并合理应用。笔者结合亲身实践，总结出一些改善案例，供同行参考。

Talk about PCB engineering design optimization

HU Ding-yi KE Yong

This paper introduces the design optimization by means of PCB engineering to reduce product manufacturing costs and to improve equipment eff i ciency. It focuses on how the imposition by a material designed to improve the utilization of sheet metal; how to optimize the laminate structure, reduce the number of stacked prepreg; how to drill diameter size designed to improve the eff i ciency of drilling equipment; How to milling and R angle with the program optimized to improve the eff i ciency of milling equipment, thus reducing product production costs and improving production eff i ciency.

Engineering Design Optimization; Imposition is Expected to Open; Sheet Utilization;Laminated Structure; Milling with Program

TN41 < class="emphasis_bold">文献标识码：A文章编号：

1009-0096（2014）06-0013-07

胡定益，工程部高级主管，主要负责MI设计和CAM设计管理。