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利用计算机辅助制造印制电路板

来源:PCB资源网 作者:PCB资源网 发布时间:2008-09-22 发表评论

计算机辅助制造(CAM) 提取设计系统的输出,并将其应用于制造过程。硬件和操作系统在很大程度上与CAD 系统非常相似。只不过, CAD 系统是关于放置和布线的程序,而CAM 程序用于制造过程。CAD/CAM 系统可综合在一起,共用同一个数据库,如图5-35 所示。

 
当公共数据库转换为CAM 设备要求的数据形式时,可全部用于提供操作NC 印制电路板制作机械所有必需的数据。计算机可根据实际的力学性能优化这些数据,如钻孔速度、布线能力、工具速度选择等。此外,从CAD/CAM 数据库得到的数据也可用于元器件集成设备的顺序控制,从而使自动化程度达到最高, CAD/CAM 系统也能为测试设备提供必要的输入。随着应用软件的出现,能够为裸板和在线路中测试等提供正确的测试数据形式,这大大激发了印制电路制作商对于计算辅助测试技术的兴趣。


一个印制电路板从形成设计思想至最终交付成品的过程中所遵循的典型的工作和操作顺序如图5-36 所示,该图说明了计算机辅助设计、制造和测试功能在操作流程中如何完成彼此之间的信息交互。


基于公共数据库和网络集成在一起的计算机辅助工程、设计和制造(CAE/CAD/CAM) 现在已变得非常流行,它可以使用户将前端的CAE 和末端的CAM连接在一起,如图5-37 所示。例如,利用CAE 的仿真功能建立的测试图样能够进行产品测试,尤其是在密距表面安装增加的情况下能够使电子产品厂商能进行在线路测试至功能测试。

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使用CAD/CAM 系统有助于优化印制电路板的制造能力,还可以提高产品的电气性能。此外CAD/CAM 软件可使所用的过孔达到最少,从而改善印制电
路板的性能,例如:
1)将尖锐的90。的导线弯曲改变成45 。角或曲线;
2) 增加导线和过孔间的间距;
3) 增加导线间距;
4) 增加焊盘和孔的尺寸;
5) 使连接区之间的导线布设在中间位置;
6) 通常可增加导线的性能尺寸(例如,更多的铜)。


在CAD 系统中,设计者选择的基本路线决定了板的复杂程度。选择的规范包括层的数量、最小走线和过孔尺寸,以及对象间的最小间距。在放置阶段,设计者选择元器件在板上的位置,当放置程序完成以后,可生成物理网络表。该网络表由引脚组组成,每一组引脚都有指定的参考标志符、要安装的板面和z 、y 坐标。每一组引脚代表一个物理网络。此外,元器件的放置位置决定了引脚图的位置,引脚图包含所有层中所有需要将元器件和其他部分相连的焊盘。大多数引脚图中包含支持层和图形的辅助性能的信息,典型的例子是放置过程中的丝网印制和阻焊层。这些层不受设计者欢迎,因此很少使用,设计者主要感兴趣的是覆铜层。


布线过程需要几个小时或几天才能完成,目的是在板上通过物理部件得到物理网络表。这些部件包含三种类型的实体:走线,能够从同一层各个位置运载电流的一系列导线;过孔,包括所有层或部分层的焊盘以及实现其物理连接的孔,可以认为是层间传输信息的垂直连线;平面,在多个引脚间连通电源或地信号的实心或有开口的铜区域。


设计程序的最后阶段是生成产品。在以前的阶段,设计者的工作大多数是关于逻辑部分,按需要放置元器件,并将所有类型的焊盘自动连接至各层。自动布线意味着遵循一系列的技术准则,即使用一定的线宽和过孔尺寸。生成产品阶段,设计者必须建立各种形式的文件,包括:
1) Gerber 文件,描述绘图层;
2) 钻孔文件,典型的为Excellon 形式,描述引脚孔、过孔和机械孔;
3) HPGUDXF 文件,描述机械图形;
4) 网络表文件(I PC-356D 或各种CAD 形式) .描述物理连通性;
5) 原料清单,包括元器件和封装清单。


为了提高CAD 和CAM 系统的效率,希望输出的数据标准化,印制电路板制造者更多地使用CAD 数据,以帮助产品生成准备好的照相工具。为了这个目的,图形通常被划分为以下几个部分:
1)元器件面的照相原图;
2) 焊接面的照相原图(镜像图像) ;
3) 元器件面接地平面的负片;
4) 线路面接地平面的负片(镜像图像) ;
5) 板的装配图形,包括板的轮廓、元器件轮廓和参考标志符;

6) 板的装配参考标志符表(每表可不选图形或只选择一个图形) ;
7) 光点图形;
8) 钻孔编辑。

通常查看的图样为元器件面。然而,为了避免误解,通常建议把"元器件查看面"清晰地印制在每一个图形上。


随着导线变得越来越细、间距越来越小,前端自动操作似乎成为了真正解决印制电路板制造问题的惟一方法。图5-38 为利用前端系统进行印制电路板精确加工的方案。厂商使用的前端自动操作的输入数据来自于CAD 系统的数据输出,最常用的数据结构为Gerber 形式。当Gerber 图形文件不可用时,许多公司使用布线图库。这样,每一个布线图层都能被扫描和转换为Gerber 图形文件,这个文件能够被前端系统调用。

 

每一个层的数据被加载到工作站,并电子标注z 、y 坐标和角度。一旦载入,操作员就有机会执行自动设计规范检验来验证走线之间、焊盘之间、走线和焊盘之间以及孔与铜边缘之间的间距。工作站的操作员能够控制系统,分步、重复、旋转和/或镜像设计方案,通过合适的版面设计使原材料得到
最佳的利用。然后,操作员可以添加符合相关标准或消费者要求的试样、参考数量、除去树脂的图样、测试图样、镀边和加工孔。操作者也可以在丝
网印制过程中补充零散的项目。

数据输出至激光绘图仪,这是产生的第一个卤化银原图,能够直接用于生产。这些原图比接触制图更加精确,并减少了需要视觉检查的数量。实际上,加工引脚可插入到激光绘图仪的薄膜压盘或平板中,使面板图像直接输出至预打孔的底片上。CNC 产生的钻孔数据具有百分百的精确性.布线数据也能够被输出,以备以后处理时使用。类似的,数据能够被输出至裸板测试设备和自动光学检测仪。这个程序可以使厂商建立相对于数据库性能尺寸的检验公差,在短时间内生成整个加工范围。输出的高精确度和高质量可以使印制电路板厂商生产的电路板具有更高收益。Williamson (I 990) 解释了裸板制造过程中前端自动操作系统的概念。


Murray (1996) 在讨论CAD 到CAM 的数据传输问题时,提出了可制造性设计(DFM) 的重要性,并阐明DFM 即将打破印制电路板设计者和制作者之间的障碍。为了有效地利用成本,即使当制造时间被压缩时,产品的制造也能够并且应该从设计中得到正常的输出。

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