鮮 飛，劉江濤，周岐荒，胡少云，楊 巍

(武漢華中數(shù)控股份有限公司，湖北武漢430223)

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(diǎn)，而電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性問題則是客戶評(píng)價(jià)產(chǎn)品的主要標(biāo)準(zhǔn)。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?yàn)樘岣弋a(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(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，簡稱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(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。

1 生產(chǎn)工藝路線中各工序的可制造性設(shè)計(jì)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(gè)工序不出現(xiàn)些許差錯(cuò)，但可以通過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)場工藝控制外，設(shè)計(jì)因素也非常關(guān)鍵。一個(gè)典型的電子組裝過程包括：焊膏印刷、貼片、回流焊、波峰焊、測試等，下面逐一對(duì)這些工序要考慮的設(shè)計(jì)因素進(jìn)行介紹：

1.1 焊膏印刷

焊膏印刷是SMT 工藝中的第一道工序，通過使用印刷機(jī)將焊膏從網(wǎng)板開孔中漏印到PCB 焊盤上。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)PCB 板設(shè)計(jì)加工也提出了具體要求，在PCB 設(shè)計(jì)時(shí)要考慮以下因素：

（1）焊盤設(shè)計(jì)加工的考慮。焊盤表面平整，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(duì)角線兩點(diǎn)翹曲不超過5‰；

（3）綠油設(shè)計(jì)考慮。綠油不高于SMT 焊盤，并且不涂敷到焊盤之上，見圖1。

圖1 綠油不高于SMT 焊盤

1.2 貼片

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3 或5 mm，其中無元件、焊盤、電路等。

（2）基準(zhǔn)?；鶞?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?。基?zhǔn)設(shè)計(jì)一般使用1 或1.5 mm 實(shí)心圓焊盤等標(biāo)準(zhǔn)圖形，為便于識(shí)別，在標(biāo)記周圍應(yīng)該有一塊沒有其它電路特征或標(biāo)記的空曠區(qū)（至少2 倍于焊盤直徑，圖2是我司基準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求），基準(zhǔn)焊盤表面平整，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3所示。

（3）基板平整。PCB 對(duì)角線兩點(diǎn)翹曲不超過5‰。

（4）不同高度元件避免設(shè)計(jì)過近，以防止吸嘴下降時(shí)碰撞到大尺寸元件造成飛件，見圖4所示。

（5）相似元件盡量以同樣方向相鄰布局在一起（見圖5），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2 我司基準(zhǔn)設(shè)計(jì)要求

圖3 背景銅箔增大反差

1.3 回流焊

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，回流焊是SMT 工藝的重要過程，其對(duì)設(shè)計(jì)提出以下要求：

圖4 貼片干涉

圖5 相似貼片元件布局

（1）焊盤尺寸設(shè)計(jì)。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6），以保證焊點(diǎn)有一定的機(jī)械強(qiáng)度，并易于用目測方法檢驗(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(duì)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)面也形成焊縫（filllet），增強(qiáng)焊點(diǎn)連接機(jī)械強(qiáng)度。

圖6 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(shí)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(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以內(nèi)，或在距表面安裝焊盤0.4 mm 以內(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)通孔和焊盤之間應(yīng)有一段涂有阻焊膜的細(xì)線相連，細(xì)線的長度應(yīng)大于0.4 mm，寬度小于0.4 mm，見圖7。

圖7 表面安裝焊盤導(dǎo)通孔設(shè)計(jì)

（6）焊盤的圓角處理。對(duì)焊盤作這種特殊處理，可提高焊膏的印刷和潤濕能力，見圖8。

圖8 焊盤的圓角處理

1.4 波峰焊

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 板通過焊料波峰，實(shí)現(xiàn)元器件焊端或引腳與線路板焊盤之間機(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。在波峰焊中需要考慮的設(shè)計(jì)因素有：

（1）過孔大小。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%，見圖9。焊錫在通孔內(nèi)的爬升就是浸潤液體在細(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。

圖9 通孔元件引腳焊錫爬升高度

（2）對(duì)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(shí)出現(xiàn)錫橋，也有利于焊錫的潤濕，見圖10。

圖10 橢圓形焊盤設(shè)計(jì)有利于減少錫橋

（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)。如果沒有接地的考慮，內(nèi)孔應(yīng)采用非金屬化設(shè)計(jì)，避免過波峰焊時(shí)被焊錫堵住。

1.5 紅膠工藝

紅膠工藝是針對(duì)焊接面同時(shí)有簡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，過回流焊固化，然后翻面插入插件元件過波峰焊。針對(duì)紅膠工藝需要考慮的設(shè)計(jì)因素有：

（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≥1 mm且高度小于2.0 mm）。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同時(shí)被浸焊，如圖11。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，防止連焊；

圖11 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(shí)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，如圖12。

圖12 遮蔽效應(yīng)造成虛焊

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)：

·合適的焊盤尺寸。比回流焊盤長，以便錫波接觸到被遮擋的焊盤，見圖13；

圖13 延長的焊盤可避免遮蔽效應(yīng)

·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；

·元件分布。焊接面不能分布太高的貼片元件（高度小于2.0 mm），避免波峰焊時(shí)對(duì)臨近元件造成遮蔽。

1.6 屏蔽波峰焊

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)，通過使用屏蔽模具遮蔽貼片元件來實(shí)現(xiàn)對(duì)PCB 板焊接面插裝引線的波峰焊接。與采用紅膠工藝時(shí)焊接面只能分布簡單貼片元件不同，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2 mm 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10 mm，以避免較深的開孔造成遮蔽效應(yīng)，見圖14。

1.7 板卡測試

圖14 較深和較小的開孔容易造成遮蔽效應(yīng)

在板卡完成組裝后需要對(duì)單板進(jìn)行測試，目前針對(duì)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(diǎn)采集測試數(shù)據(jù)，針對(duì)測試的考慮主要是測試點(diǎn)的設(shè)計(jì)，包括以下幾點(diǎn)：

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

（2）測試點(diǎn)的測試盤直徑為≥準(zhǔn)0.5 mm（20 mil），推薦設(shè)計(jì) 準(zhǔn)1.0 mm(40 mil)；

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

（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(diǎn)，如圖15，測試節(jié)點(diǎn)嚴(yán)禁選在元器件的焊點(diǎn)上，這種測試可能使虛焊節(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15 推薦測試點(diǎn)設(shè)計(jì)

2 結(jié)束語

以上是一些電子組裝過程中應(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)考慮的問題。電子產(chǎn)品的DFM 設(shè)計(jì)在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)過程中雖不是最關(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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