1 前言
對(duì)電子產(chǎn)品而言，一是高效率、低成本的制造性，即電子產(chǎn)品的可制造性問(wèn)題；二是電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性問(wèn)題，可制造性問(wèn)題是制造廠(chǎng)家關(guān)注的重點(diǎn)，而電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性問(wèn)題則是客戶(hù)評(píng)價(jià)產(chǎn)品的主要標(biāo)準(zhǔn)。在電子產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)越來(lái)越激烈的今天，越來(lái)越多的公司開(kāi)始關(guān)注電子產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題，因?yàn)樘岣弋a(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性也就是提高客戶(hù)的滿(mǎn)意度、增加產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。而對(duì)產(chǎn)品可靠性影響最大的就是電子產(chǎn)品的可制造性設(shè)計(jì)(Design For Manufacture，DFM)。DFM是面向并行工程的一種設(shè)計(jì)方法，即產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝設(shè)計(jì)并行進(jìn)行的一種設(shè)計(jì)方法。隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，設(shè)備和產(chǎn)品的功能與結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，產(chǎn)品設(shè)計(jì)在整個(gè)生命周期內(nèi)占有越來(lái)越重要的位置，DFM是在設(shè)計(jì)階段盡早考慮與制造有關(guān)的約束，全面評(píng)價(jià)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)，并提供改進(jìn)的反饋信息，及時(shí)改進(jìn)設(shè)計(jì)，保證產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝設(shè)計(jì)、制造一次成功，以達(dá)到降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期的目的。因此開(kāi)發(fā)產(chǎn)品DFM方面的研究具有重要的意義。本文將就電子產(chǎn)品組裝過(guò)程中需考慮的可制造性設(shè)計(jì)因素進(jìn)行闡述，希望能對(duì)相關(guān)工程設(shè)計(jì)人員有所幫助。
2 元件布局的DFM考慮
元件布局是印制板組件(PCBA)可制造性設(shè)計(jì)一個(gè)很重要的方面，對(duì)生產(chǎn)工藝路線(xiàn)的設(shè)計(jì)、組裝效率、成本及產(chǎn)品質(zhì)量影響極大。表1是常見(jiàn)的PCBA元件布局設(shè)計(jì)，目前電子產(chǎn)品的PCB基板中，還是以SMT/THT混裝方式為主，表1中的布局方式3和5推薦在混裝板卡設(shè)計(jì)上使用。元件布局設(shè)計(jì)的目標(biāo)：(1)盡可能使用最少的焊接步驟；(2)盡可能采用回流焊和常規(guī)波峰焊；(3)避免手工補(bǔ)焊。盡量讓生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單化，同時(shí)避免多次焊接造成焊點(diǎn)間金屬化合物(IMC)過(guò)厚易脆容易斷裂。
表1 常見(jiàn)的PCBA元件布局設(shè)計(jì)
對(duì)于布局方式5，我們可以設(shè)計(jì)如圖1所示生產(chǎn)工藝路線(xiàn)，需要說(shuō)明的是，對(duì)于雙面混裝板卡的焊接工藝，除了有屏蔽波峰焊，還有紅膠工藝、選擇性波峰焊等，后面將逐一介紹。
圖1 雙面混裝板卡生產(chǎn)工藝路線(xiàn)
作為一名電路設(shè)計(jì)工程師，應(yīng)對(duì)所設(shè)計(jì)PCBA的組裝過(guò)程有一個(gè)正確的認(rèn)識(shí)，這樣就可以避免犯一些原則性的錯(cuò)誤。在選擇焊接方式時(shí)，除考慮PCB的組裝密度、布線(xiàn)的難易外，還必須根據(jù)此焊接方式的典型工藝流程，考慮到企業(yè)本身的工藝水平，盡可能采用企業(yè)擁有并熟練掌握的焊接工藝，如再流焊和常規(guī)波峰焊接。另外值得注意的一點(diǎn)是，若計(jì)劃對(duì)焊接面實(shí)施波峰焊接工藝，應(yīng)避免焊接面上布置有少數(shù)幾個(gè)SMD而造成工藝復(fù)雜化。
3 生產(chǎn)工藝路線(xiàn)中各工序的DFM考慮
在電子產(chǎn)品組裝過(guò)程中，要保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量從始至終無(wú)缺陷是很困難的，這是由于工序眾多，無(wú)法保證每個(gè)工序都不出現(xiàn)任何差錯(cuò)，但可以通過(guò)措施將缺陷控制在一個(gè)可以接受的范圍內(nèi)，這除了現(xiàn)場(chǎng)工藝控制外，設(shè)計(jì)因素也非常關(guān)鍵，下面逐一對(duì)電子組裝過(guò)程中的關(guān)鍵工序要考慮的設(shè)計(jì)因素進(jìn)行介紹。
3.1 焊膏印刷時(shí)的DFM設(shè)計(jì)考慮
焊膏印刷是SMT工藝中的第一道工序，通過(guò)使用印刷機(jī)將焊膏從網(wǎng)板開(kāi)孔中漏印到PCB焊盤(pán)上。據(jù)統(tǒng)計(jì)60%～70%焊接缺陷是由焊膏印刷不良造成的。要實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)焊膏印刷除了要考慮焊膏選擇、焊膏印刷參數(shù)外，對(duì)網(wǎng)板設(shè)計(jì)和PCB板設(shè)計(jì)加工也提出了具體要求。
3.1.1 網(wǎng)板設(shè)計(jì)
(1)開(kāi)孔的外形尺寸。網(wǎng)板上的開(kāi)孔主要由PCB板上相對(duì)應(yīng)的焊盤(pán)的尺寸決定的。一般網(wǎng)板上開(kāi)孔的尺寸應(yīng)比相對(duì)應(yīng)焊盤(pán)小10%，并可采用如圖2所示網(wǎng)板開(kāi)孔形狀，避免回流焊時(shí)錫珠產(chǎn)生。
圖2 幾種常見(jiàn)的防錫珠網(wǎng)板開(kāi)孔
(2)網(wǎng)板的厚度。網(wǎng)板的厚度與開(kāi)孔的尺寸對(duì)焊膏的印刷以及后面的再流焊有著很大的關(guān)系，具體為厚度越薄開(kāi)孔越大，越有利于焊膏釋放。經(jīng)證明，良好的印刷質(zhì)量必須要求開(kāi)孔尺寸與網(wǎng)板厚度比值大于1.5。否則焊膏印刷不完全。鋼片厚度的選擇以PCB中IC最小的間距為依據(jù)，對(duì)0.5mm以上的引線(xiàn)間距，用厚度為(0.15～0.18)mm網(wǎng)板，對(duì)0.5mm的引線(xiàn)間距，用厚度為(0.12～0.15)mm網(wǎng)板，對(duì)(0.3～0.4)mm的引線(xiàn)間距，用厚度為(0.1-0.12)mm網(wǎng)板。
3.1.2 PCB板設(shè)計(jì)
PCB板設(shè)計(jì)同樣對(duì)焊膏印刷影響非常巨大，在PCB設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下因素：
(1)焊盤(pán)設(shè)計(jì)加工的的考慮。焊盤(pán)表面平整，且加工為正公差。這主要是為了實(shí)現(xiàn)良好的焊錫平整漏印在焊盤(pán)上，并且避免焊膏印刷到焊盤(pán)之外形成錫珠或者連焊；
(2)PCB板加工考慮。要注意板面清潔和平整，PCB板對(duì)角線(xiàn)兩點(diǎn)翹曲不超過(guò)0.5%；
(3)阻焊設(shè)計(jì)考慮。油墨層厚不應(yīng)高于SMT焊盤(pán)，并且不可涂敷到焊盤(pán)之上，見(jiàn)圖3。
圖3 阻焊油墨層厚度不高于SMT焊盤(pán)
3.2 貼片時(shí)的設(shè)計(jì)考慮
貼片工藝技術(shù)是SMT產(chǎn)品組裝生產(chǎn)中的關(guān)鍵工序。SMC/SMD（表面貼裝元器件）貼裝一般采用貼片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行。貼片機(jī)是SMT產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線(xiàn)中的核心設(shè)備，也是SMT的關(guān)鍵設(shè)備，決定著SMT產(chǎn)品組裝的自動(dòng)化程度。貼片的主要?jiǎng)幼靼ɑ宥ㄎ�、元件拾取、元件定位、元件貼片等，要實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的貼片質(zhì)量和貼片效率，對(duì)PCB板設(shè)計(jì)也提出了具體要求：
(1)夾持邊。上下各3mm或5mm，夾持邊上無(wú)元件、焊盤(pán)、電路等；
(2)基準(zhǔn)。基準(zhǔn)設(shè)計(jì)對(duì)于高精度貼片十分關(guān)鍵，至少有2個(gè)基準(zhǔn)，位于PCB對(duì)角線(xiàn)上，距離越遠(yuǎn)越好，推薦設(shè)計(jì)3個(gè)基準(zhǔn)，可處理PCB X或Y方向形變?cè)斐傻钠睢；鶞?zhǔn)設(shè)計(jì)一般使用1mm或1.5mm實(shí)心圓焊盤(pán)等標(biāo)準(zhǔn)圖形，為便于識(shí)別，在標(biāo)記周?chē)鷳?yīng)該有一塊沒(méi)有其它電路特征或標(biāo)記的空曠區(qū)（至少2倍于焊盤(pán)直徑，圖4是我公司基準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求），基準(zhǔn)焊盤(pán)表面平整，在基準(zhǔn)點(diǎn)的下方（基板背后或內(nèi)層）設(shè)置背景銅箔增大反差便于貼片機(jī)識(shí)別，如圖5。
圖4 我公司基準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求
圖5 背景銅箔增大反差
(3)基板平整。PCB對(duì)角線(xiàn)兩點(diǎn)翹曲不超過(guò)0.5%；
(4)不同高度元件避免設(shè)計(jì)過(guò)近，以防止吸嘴下降時(shí)碰撞到大尺寸元件造成飛件，見(jiàn)圖6；
圖6 貼片干涉
(5)相似元件盡量以同樣方向相鄰布局在一起（見(jiàn)圖7），這可以讓貼片機(jī)吸嘴在放置元件時(shí)移動(dòng)距離最短，并且不用調(diào)整貼裝角度，最大程度提高貼片效率。
圖7 相似貼片元件布局
3.3 回流焊時(shí)的設(shè)計(jì)考慮
回流焊是指已貼裝好的PCBA通過(guò)再流焊爐完成群焊的工藝過(guò)程，可以用溫度曲線(xiàn)的概念深入了解回流焊工藝過(guò)程。溫度曲線(xiàn)是指PCBA通過(guò)回流爐時(shí)，PCBA上某一點(diǎn)的溫度隨時(shí)間變化的曲線(xiàn)。圖8是一典型有鉛溫度曲線(xiàn)，溫度曲線(xiàn)提供了一種直觀的方法，來(lái)分析某個(gè)元件在整個(gè)回流焊過(guò)程中的溫度變化情況。溫度曲線(xiàn)可分成4個(gè)區(qū)間：預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)，每一區(qū)的時(shí)間、上升/下降斜率設(shè)定都有嚴(yán)格的工藝要求，以獲得最佳的焊接效果。
圖8 典型有鉛溫度曲線(xiàn)
除此之外，回流焊對(duì)設(shè)計(jì)提出以下要求：
(1)焊盤(pán)尺寸設(shè)計(jì)。一般貼片元件在長(zhǎng)度方向上焊盤(pán)兩側(cè)都應(yīng)略大于元件焊端或引線(xiàn)的尺寸(見(jiàn)圖9)，以保證焊點(diǎn)有一定的機(jī)械強(qiáng)度，并易于用目測(cè)方法檢驗(yàn)焊點(diǎn)質(zhì)量。在寬度方向上對(duì)于貼片電阻這樣焊端只有1面或者3面的元件焊盤(pán)推薦與元件焊端寬度一致，最大不超過(guò)元件焊端寬度的1.1倍，而對(duì)于電容這樣焊端有5面的元件焊盤(pán)寬度可略大于焊端寬度，但也不超過(guò)焊端寬度的1.1倍，以保證在焊端側(cè)面也形成焊料填充(Fillet)，增強(qiáng)焊點(diǎn)連接機(jī)械強(qiáng)度；
圖9 焊盤(pán)在長(zhǎng)度方向兩側(cè)都應(yīng)略大于焊端或引線(xiàn)尺寸
(2)元器件分布應(yīng)盡可能均勻，大質(zhì)量器件再流焊時(shí)熱容量較大，因此布局上過(guò)于集中容易造成局部溫度低而導(dǎo)致假焊；
(3)針對(duì)雙面貼片PCB，焊接面不要分布大質(zhì)量、大尺寸元件，避免二次回流時(shí)掉件；
(4)PCB內(nèi)層均勻覆銅，避免回流翹曲；
(5)避免在表面安裝焊盤(pán)以?xún)?nèi)，或在距表面安裝焊盤(pán)0.4mm以?xún)?nèi)設(shè)置導(dǎo)通孔，以防止回流時(shí)焊錫從孔中流走造成焊錫少。如無(wú)法避免，須用阻焊劑將焊料流失通道阻斷。正確設(shè)計(jì)導(dǎo)通孔和焊盤(pán)之間應(yīng)有一段涂有阻焊膜的細(xì)線(xiàn)相連，細(xì)線(xiàn)的長(zhǎng)度應(yīng)大于0.4mm，寬度小于0.4mm，見(jiàn)圖10；
圖10 表面安裝焊盤(pán)導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)
(6)焊盤(pán)的圓角處理。對(duì)焊盤(pán)作這種特殊處理，可提高焊膏的印刷和潤(rùn)濕能力。
3.4 波峰焊時(shí)的設(shè)計(jì)考慮
波峰焊是將熔化的焊料，經(jīng)電動(dòng)泵或電磁泵噴流成設(shè)計(jì)要求的焊料波峰，使預(yù)先裝有電子元器件的PCB板通過(guò)焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與線(xiàn)路板焊盤(pán)之間機(jī)械與電氣連接的軟釬焊。波峰焊是一種傳統(tǒng)焊接工藝，已經(jīng)存在幾十年了。在波峰焊中需要考慮的設(shè)計(jì)因素有：
(1)過(guò)孔大小。IPC-610E標(biāo)準(zhǔn)要求焊錫在通孔中至少爬升75%以上是可靠的，推薦100%。焊錫在通孔內(nèi)的爬升就是浸潤(rùn)液體在細(xì)管內(nèi)爬升的毛細(xì)現(xiàn)象。為達(dá)到這個(gè)爬升標(biāo)準(zhǔn)，通孔大小的合理設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，過(guò)大或過(guò)小都無(wú)法爬升，推薦插件焊盤(pán)通孔比元件引線(xiàn)寬(0.2～0.4)mm最有利于焊錫的爬升。
(2)對(duì)于具有較高引腳數(shù)的器件如接線(xiàn)座或扁平電纜，應(yīng)使用橢圓形焊盤(pán)而不是圓形以防止波峰焊時(shí)出現(xiàn)錫橋，也有利于焊錫的潤(rùn)濕。
(3)相似的元件在板面上應(yīng)以相同的方式排放。這樣一旦出現(xiàn)極性錯(cuò)誤可以很容易被發(fā)現(xiàn)。
(4)機(jī)械安裝孔設(shè)計(jì)。如果沒(méi)有接地的考慮，內(nèi)孔應(yīng)采用非金屬化設(shè)計(jì)，避免過(guò)波峰焊時(shí)被焊錫堵住。
3.5 紅膠工藝時(shí)的設(shè)計(jì)考慮
紅膠工藝是針對(duì)焊接面同時(shí)有簡(jiǎn)單貼片元件和插件元件焊點(diǎn)的一種混裝焊接工藝技術(shù)，首先利用紅膠先粘住貼片元件，過(guò)回流焊固化，然后反面插入插件元件過(guò)波峰焊，具體工藝過(guò)程見(jiàn)圖11。針對(duì)紅膠工藝需要考慮的設(shè)計(jì)因素如下。
(1)元件布局。波峰焊只能焊接0603及以上尺寸的片式阻容、SOT.SOIC（引腳間距≥1mm且高度小于2.0mm）。分布在焊接面的元器件，引腳的方向宜垂直于波峰焊接時(shí)PCB的傳送方向，以保證元器件兩邊的焊端或引線(xiàn)同時(shí)被浸焊，如圖12。當(dāng)采用波峰焊接SOIC等多腳元件時(shí)，應(yīng)于錫流方向最后兩個(gè)（每邊各1）焊腳處設(shè)置竊錫焊盤(pán)，防止連焊。
圖11 紅膠工藝
圖12 焊接面推薦貼片元件布局
(2)遮蔽效應(yīng)。遮蔽效應(yīng)（也稱(chēng)焊接陰影）就是波峰焊接時(shí)由于較高的元件或物體阻擋錫波無(wú)法接觸到焊盤(pán)形成虛焊。
要避免遮蔽效應(yīng)，焊接工藝可以采用雙波峰，可有效解決遮蔽效應(yīng)造成的虛焊，同時(shí)在PCBA設(shè)計(jì)時(shí)注意以下幾點(diǎn)：
①合適的焊盤(pán)尺寸。比回流焊盤(pán)長(zhǎng)，以便錫波接觸到到被遮擋的焊盤(pán)，見(jiàn)圖13。
圖13 延長(zhǎng)的焊盤(pán)可避免遮蔽效應(yīng)
②合適的元件間距。相鄰元件間的間距應(yīng)滿(mǎn)足波峰焊接的要求以避免遮蔽效應(yīng)，要求大于器件高度；
③元件分布。焊接面不能分布太高的貼片元件（高度小于2.0mm），避免波峰焊時(shí)對(duì)臨近元件造成遮蔽。
3.6 屏蔽波峰焊時(shí)的設(shè)計(jì)考慮
屏蔽波峰焊也是針對(duì)焊接面同時(shí)有貼片元件和插件元件焊點(diǎn)的一種混裝焊接工藝技術(shù)，通過(guò)使用屏蔽模具遮蔽貼片元件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB板焊接面插裝引線(xiàn)的波峰焊接。與采用紅膠工藝時(shí)焊接面只能分布簡(jiǎn)單貼片元件不同，屏蔽波峰焊可應(yīng)對(duì)焊接面分布有復(fù)雜貼片元件的板卡。采用屏蔽波峰焊時(shí)同樣對(duì)設(shè)計(jì)提出了具體要求：
(1)焊接面貼片元件與插件焊點(diǎn)相距至少在2mm以上，以避免產(chǎn)生遮蔽效應(yīng)；
(2)焊接面貼片元件高度不超過(guò)10mm，以避免較深的開(kāi)孔造成遮蔽效應(yīng)。
3.7 板卡測(cè)試時(shí)的設(shè)計(jì)考慮
在板卡完成組裝后需要對(duì)單板進(jìn)行測(cè)試，目前針對(duì)板卡測(cè)試主要有ICT測(cè)試和功能測(cè)試，一般都是通過(guò)測(cè)試探針接觸PCBA測(cè)試點(diǎn)采集測(cè)試數(shù)據(jù)，針對(duì)測(cè)試的考慮主要是測(cè)試點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括以下幾點(diǎn)：
(1)針對(duì)ICT測(cè)試點(diǎn)布局設(shè)計(jì)，要求將元件面的SMC/SMD的測(cè)試點(diǎn)通過(guò)過(guò)孔引到焊接面，過(guò)孔直徑應(yīng)大于1mm。這樣可使在線(xiàn)測(cè)試采用單面針床來(lái)進(jìn)行測(cè)試，從而降低了在線(xiàn)測(cè)試成本。針對(duì)維修測(cè)試點(diǎn)布局設(shè)計(jì)，可設(shè)置在元件面；
(2)測(cè)試點(diǎn)的測(cè)試盤(pán)直徑為≥φ0.5mm(20mil)，推薦設(shè)計(jì)φ1.0mm (40mil)；
(3)一般測(cè)試點(diǎn)在6.45cm2（1平方英寸）內(nèi)最多設(shè)計(jì)30個(gè)；
(4)通過(guò)延伸線(xiàn)在元器件引線(xiàn)附近設(shè)置測(cè)試焊盤(pán)或利用過(guò)孔焊盤(pán)測(cè)試節(jié)點(diǎn)，如圖14，測(cè)試節(jié)點(diǎn)嚴(yán)禁選在元器件的焊點(diǎn)上，這種測(cè)試可能使虛焊節(jié)點(diǎn)在探針壓力作用下擠壓到理想位置，從而使虛焊故障被掩蓋，發(fā)生所謂的“故障遮蔽效應(yīng)”。由于探針因定位誤差引起的偏晃，可能使探針直接作用于元器件的端點(diǎn)或引腳上而造成元器件損壞。
圖14 推薦測(cè)試點(diǎn)設(shè)計(jì)
4 結(jié)語(yǔ)
以上是一些電子組裝過(guò)程中應(yīng)考慮的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，在面向電子組裝的PCBA可制造性設(shè)計(jì)中，還有相當(dāng)多的細(xì)節(jié)要求，比如合理的安排與結(jié)構(gòu)件的配合空間、合理的分布絲印的圖形和文字、散熱設(shè)計(jì)、EMC設(shè)計(jì)、恰當(dāng)分布較重或發(fā)熱較大的器件位置、應(yīng)力較大處元件布局、考慮在使用拉鉚、壓鉚工藝安裝聯(lián)接器等器件時(shí)，工模具與附近所分布元件的干涉等等，這都是在設(shè)計(jì)階段所應(yīng)考慮的問(wèn)題。電子產(chǎn)品的DFM設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中雖不是最關(guān)鍵部分，但它對(duì)產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量、生產(chǎn)效率等起著至關(guān)重要的作用。若設(shè)計(jì)不當(dāng)，生產(chǎn)將根本無(wú)法實(shí)施或效率很低，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性也受到嚴(yán)重影響。因此希望設(shè)計(jì)者務(wù)必注意本文所提出的幾個(gè)要求，使得所設(shè)計(jì)的電子產(chǎn)品達(dá)到性能最佳、質(zhì)量最優(yōu)。
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