1 前言

    對電子產(chǎn)品而言，一是高效率、低成本的制造性，即電子產(chǎn)品的可制造性問題；二是電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性問題，可制造性問題是制造廠家關(guān)注的重點，而電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性問題則是客戶評價產(chǎn)品的主要標準。在電子產(chǎn)品競爭越來越激烈的今天，越來越多的公司開始關(guān)注電子產(chǎn)品的可靠性問題，因為提高產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性也就是提高客戶的滿意度、增加產(chǎn)品的競爭力。而對產(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(Design For Manufacture，DFM)。DFM是面向并行工程的一種設(shè)計方法，即產(chǎn)品設(shè)計與工藝設(shè)計并行進行的一種設(shè)計方法。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)計在整個生命周期內(nèi)占有越來越重要的位置，DFM是在設(shè)計階段盡早考慮與制造有關(guān)的約束，全面評價產(chǎn)品設(shè)計和工藝設(shè)計，并提供改進的反饋信息，及時改進設(shè)計，保證產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、制造一次成功，以達到降低產(chǎn)品成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的目的。因此開發(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)品組裝過程中需考慮的可制造性設(shè)計因素進行闡述，希望能對相關(guān)工程設(shè)計人員有所幫助。

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)計一個很重要的方面，對生產(chǎn)工藝路線的設(shè)計、組裝效率、成本及產(chǎn)品質(zhì)量影響極大。表1是常見的PCBA元件布局設(shè)計，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)計上使用。元件布局設(shè)計的目標：(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)避免手工補焊。盡量讓生產(chǎn)工藝簡單化，同時避免多次焊接造成焊點間金屬化合物(IMC)過厚易脆容易斷裂。

表1 常見的PCBA元件布局設(shè)計

    對于布局方式5，我們可以設(shè)計如圖1所示生產(chǎn)工藝路線，需要說明的是，對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

    作為一名電路設(shè)計工程師，應(yīng)對所設(shè)計PCBA的組裝過程有一個正確的認識，這樣就可以避免犯一些原則性的錯誤。在選擇焊接方式時，除考慮PCB的組裝密度、布線的難易外，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是，若計劃對焊接面實施波峰焊接工藝，應(yīng)避免焊接面上布置有少數(shù)幾個SMD而造成工藝復(fù)雜化。

3 生產(chǎn)工藝路線中各工序的DFM考慮

    在電子產(chǎn)品組裝過程中，要保證產(chǎn)品生產(chǎn)質(zhì)量從始至終無缺陷是很困難的，這是由于工序眾多，無法保證每個工序都不出現(xiàn)任何差錯，但可以通過措施將缺陷控制在一個可以接受的范圍內(nèi)，這除了現(xiàn)場工藝控制外，設(shè)計因素也非常關(guān)鍵，下面逐一對電子組裝過程中的關(guān)鍵工序要考慮的設(shè)計因素進行介紹。

    3.1 焊膏印刷時的DFM設(shè)計考慮

    焊膏印刷是SMT工藝中的第一道工序，通過使用印刷機將焊膏從網(wǎng)板開孔中漏印到PCB焊盤上。據(jù)統(tǒng)計60%～70%焊接缺陷是由焊膏印刷不良造成的。要實現(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，對網(wǎng)板設(shè)計和PCB板設(shè)計加工也提出了具體要求。

    3.1.1 網(wǎng)板設(shè)計

    (1)開孔的外形尺寸。網(wǎng)板上的開孔主要由PCB板上相對應(yīng)的焊盤的尺寸決定的。一般網(wǎng)板上開孔的尺寸應(yīng)比相對應(yīng)焊盤小10%，并可采用如圖2所示網(wǎng)板開孔形狀，避免回流焊時錫珠產(chǎn)生。

圖2 幾種常見的防錫珠網(wǎng)板開孔

    (2)網(wǎng)板的厚度。網(wǎng)板的厚度與開孔的尺寸對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0.5mm以上的引線間距，用厚度為(0.15～0.18)mm網(wǎng)板，對0.5mm的引線間距，用厚度為(0.12～0.15)mm網(wǎng)板，對(0.3～0.4)mm的引線間距，用厚度為(0.1-0.12)mm網(wǎng)板。

    3.1.2 PCB板設(shè)計

    PCB板設(shè)計同樣對焊膏印刷影響非常巨大，在PCB設(shè)計時要考慮以下因素：

    (1)焊盤設(shè)計加工的的考慮。焊盤表面平整，且加工為正公差。這主要是為了實現(xiàn)良好的焊錫平整漏印在焊盤上，并且避免焊膏印刷到焊盤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板對角線兩點翹曲不超過0.5%；

    (3)阻焊設(shè)計考慮。油墨層厚不應(yīng)高于SMT焊盤，并且不可涂敷到焊盤之上，見圖3。

圖3 阻焊油墨層厚度不高于SMT焊盤

    3.2 貼片時的設(shè)計考慮

    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自動進行。貼片機是SMT產(chǎn)品組裝生產(chǎn)線中的核心設(shè)備，也是SMT的關(guān)鍵設(shè)備，決定著SMT產(chǎn)品組裝的自動化程度。貼片的主要動作包括基板定位、元件拾取、元件定位、元件貼片等，要實現(xiàn)高品質(zhì)的貼片質(zhì)量和貼片效率，對PCB板設(shè)計也提出了具體要求：

    (1)夾持邊。上下各3mm或5mm，夾持邊上無元件、焊盤、電路等；

    (2)基準�；鶞试O(shè)計對于高精度貼片十分關(guān)鍵，至少有2個基準，位于PCB對角線上，距離越遠越好，推薦設(shè)計3個基準，可處理PCB X或Y方向形變造成的偏差�；鶞试O(shè)計一般使用1mm或1.5mm實心圓焊盤等標準圖形，為便于識別，在標記周圍應(yīng)該有一塊沒有其它電路特征或標記的空曠區(qū)（至少2倍于焊盤直徑，圖4是我公司基準設(shè)計要求），基準焊盤表面平整，在基準點的下方（基板背后或內(nèi)層）設(shè)置背景銅箔增大反差便于貼片機識別，如圖5。

圖4 我公司基準設(shè)計要求

圖5 背景銅箔增大反差

    (3)基板平整。PCB對角線兩點翹曲不超過0.5%；

    (4)不同高度元件避免設(shè)計過近，以防止吸嘴下降時碰撞到大尺寸元件造成飛件，見圖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（見圖7），這可以讓貼片機吸嘴在放置元件時移動距離最短，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 回流焊時的設(shè)計考慮

    回流焊是指已貼裝好的PCBA通過再流焊爐完成群焊的工藝過程，可以用溫度曲線的概念深入了解回流焊工藝過程。溫度曲線是指PCBA通過回流爐時，PCBA上某一點的溫度隨時間變化的曲線。圖8是一典型有鉛溫度曲線，溫度曲線提供了一種直觀的方法，來分析某個元件在整個回流焊過程中的溫度變化情況。溫度曲線可分成4個區(qū)間：預(yù)熱區(qū)、保溫區(qū)、回流區(qū)和冷卻區(qū)，每一區(qū)的時間、上升/下降斜率設(shè)定都有嚴格的工藝要求，以獲得最佳的焊接效果。

圖8 典型有鉛溫度曲線

    除此之外，回流焊對設(shè)計提出以下要求：

    (1)焊盤尺寸設(shè)計。一般貼片元件在長度方向上焊盤兩側(cè)都應(yīng)略大于元件焊端或引線的尺寸(見圖9)，以保證焊點有一定的機械強度，并易于用目測方法檢驗焊點質(zhì)量。在寬度方向上對于貼片電阻這樣焊端只有1面或者3面的元件焊盤推薦與元件焊端寬度一致，最大不超過元件焊端寬度的1.1倍，而對于電容這樣焊端有5面的元件焊盤寬度可略大于焊端寬度，但也不超過焊端寬度的1.1倍，以保證在焊端側(cè)面也形成焊料填充(Fillet)，增強焊點連接機械強度；

圖9 焊盤在長度方向兩側(cè)都應(yīng)略大于焊端或引線尺寸

    (2)元器件分布應(yīng)盡可能均勻，大質(zhì)量器件再流焊時熱容量較大，因此布局上過于集中容易造成局部溫度低而導(dǎo)致假焊；

    (3)針對雙面貼片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以內(nèi)，或在距表面安裝焊盤0.4mm以內(nèi)設(shè)置導(dǎo)通孔，以防止回流時焊錫從孔中流走造成焊錫少。如無法避免，須用阻焊劑將焊料流失通道阻斷。正確設(shè)計導(dǎo)通孔和焊盤之間應(yīng)有一段涂有阻焊膜的細線相連，細線的長度應(yīng)大于0.4mm，寬度小于0.4mm，見圖10；

圖10 表面安裝焊盤導(dǎo)通孔設(shè)計

    (6)焊盤的圓角處理。對焊盤作這種特殊處理，可提高焊膏的印刷和潤濕能力。

    3.4 波峰焊時的設(shè)計考慮

    波峰焊是將熔化的焊料，經(jīng)電動泵或電磁泵噴流成設(shè)計要求的焊料波峰，使預(yù)先裝有電子元器件的PCB板通過焊料波峰，實現(xiàn)元器件焊端或引腳與線路板焊盤之間機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)計因素有：

    (1)過孔大小。IPC-610E標準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)的爬升就是浸潤液體在細管內(nèi)爬升的毛細現(xiàn)象。為達到這個爬升標準，通孔大小的合理設(shè)計非常關(guān)鍵，過大或過小都無法爬升，推薦插件焊盤通孔比元件引線寬(0.2～0.4)mm最有利于焊錫的爬升。

    (2)對于具有較高引腳數(shù)的器件如接線座或扁平電纜，應(yīng)使用橢圓形焊盤而不是圓形以防止波峰焊時出現(xiàn)錫橋，也有利于焊錫的潤濕。

    (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)極性錯誤可以很容易被發(fā)現(xiàn)。

    (4)機械安裝孔設(shè)計。如果沒有接地的考慮，內(nèi)孔應(yīng)采用非金屬化設(shè)計，避免過波峰焊時被焊錫堵住。

    3.5 紅膠工藝時的設(shè)計考慮

    紅膠工藝是針對焊接面同時有簡單貼片元件和插件元件焊點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，過回流焊固化，然后反面插入插件元件過波峰焊，具體工藝過程見圖11。針對紅膠工藝需要考慮的設(shè)計因素如下。

    (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PCB的傳送方向，以保證元器件兩邊的焊端或引線同時被浸焊，如圖12。當采用波峰焊接SOIC等多腳元件時，應(yīng)于錫流方向最后兩個（每邊各1）焊腳處設(shè)置竊錫焊盤，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)（也稱焊接陰影）就是波峰焊接時由于較高的元件或物體阻擋錫波無法接觸到焊盤形成虛焊。

    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，同時在PCBA設(shè)計時注意以下幾點：

    ①合適的焊盤尺寸。比回流焊盤長，以便錫波接觸到到被遮擋的焊盤，見圖13。

圖13 延長的焊盤可避免遮蔽效應(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），避免波峰焊時對臨近元件造成遮蔽。

    3.6 屏蔽波峰焊時的設(shè)計考慮

    屏蔽波峰焊也是針對焊接面同時有貼片元件和插件元件焊點的一種混裝焊接工藝技術(shù)，通過使用屏蔽模具遮蔽貼片元件來實現(xiàn)對PCB板焊接面插裝引線的波峰焊接。與采用紅膠工藝時焊接面只能分布簡單貼片元件不同，屏蔽波峰焊可應(yīng)對焊接面分布有復(fù)雜貼片元件的板卡。采用屏蔽波峰焊時同樣對設(shè)計提出了具體要求：

    (1)焊接面貼片元件與插件焊點相距至少在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10mm，以避免較深的開孔造成遮蔽效應(yīng)。

    3.7 板卡測試時的設(shè)計考慮

    在板卡完成組裝后需要對單板進行測試，目前針對板卡測試主要有ICT測試和功能測試，一般都是通過測試探針接觸PCBA測試點采集測試數(shù)據(jù)，針對測試的考慮主要是測試點的設(shè)計，包括以下幾點：

    (1)針對ICT測試點布局設(shè)計，要求將元件面的SMC/SMD的測試點通過過孔引到焊接面，過孔直徑應(yīng)大于1mm。這樣可使在線測試采用單面針床來進行測試，從而降低了在線測試成本。針對維修測試點布局設(shè)計，可設(shè)置在元件面；

    (2)測試點的測試盤直徑為≥φ0.5mm(20mil)，推薦設(shè)計φ1.0mm (40mil)；

    (3)一般測試點在6.45cm2（1平方英寸）內(nèi)最多設(shè)計30個；

    (4)通過延伸線在元器件引線附近設(shè)置測試焊盤或利用過孔焊盤測試節(jié)點，如圖14，測試節(jié)點嚴禁選在元器件的焊點上，這種測試可能使虛焊節(jié)點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或引腳上而造成元器件損壞。

圖14 推薦測試點設(shè)計

4 結(jié)語

    以上是一些電子組裝過程中應(yīng)考慮的設(shè)計要點，在面向電子組裝的PCBA可制造性設(shè)計中，還有相當多的細節(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、EMC設(shè)計、恰當分布較重或發(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，工模具與附近所分布元件的干涉等等，這都是在設(shè)計階段所應(yīng)考慮的問題。電子產(chǎn)品的DFM設(shè)計在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計過程中雖不是最關(guān)鍵部分，但它對產(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)計不當，生產(chǎn)將根本無法實施或效率很低，產(chǎn)品質(zhì)量和可靠性也受到嚴重影響。因此希望設(shè)計者務(wù)必注意本文所提出的幾個要求，使得所設(shè)計的電子產(chǎn)品達到性能最佳、質(zhì)量最優(yōu)。

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本文標題：電子組裝中的可制造性設(shè)計

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