薜竞成系列文章--SMT可制造性设计(DFM)及应用!(一部分)

薜竞成系列文章--SMT可制造性设计（DFM）及应用！（一部分）2009年03月30日星期一14:52作者：薜竞成1.0可制造性设计概念不论我们从事的是什么产品，不论我们的顾客是内部或是外部顾客，他们对我们的要求都可说是一致的。他们的要求都离开不了三方面。即优良或至少满意的品质、相对较低的成本（或价格）、和较短而及时的交货期。而身为一个产品的设计人员，我们对以上的三个方面是绝对有影响和控制能力的。目前新一代的设计师，他们的职责已不是单纯的把产品的功能和性能设计出来那么简单，而是必须对以上所提到的三方面负责，并做出贡献。为什么现今的管理对设计师在这方面的表现特别重视呢？主要是因为设计是整个产品寿命的第一站。以效益学的观点来说，问题越是能够尽早解决，其成本效益也就越高，问题对公司造成的损失也就越低。在电子生产管理上，曾有学者做出这样的预测，即在每一个主要工序上，其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上。例如设计问题如果在试制时才给予更正，其所需费用将会较在设计时解决高出超过10倍，而如果这设计问题没有在试制时解决，当它流到再下一个主要工序（批量生产）时，其解决费用就可能高达100倍以上。此外，对于设计造成的问题，即使我们厂内拥有最好的设备和工艺知识，也未必能够很完善的解决。所以基于以上的原因，把设计工作做好是很重要的管理项目。所谓把设计做好，这里指的是包括产品功能、性能、可制造性和质量各方面。SMT是一门复杂的科技。因此目前的设计师也面对许多方面知识的压力。身为一个SMT产品设计师，必须对很多方面如元件封装、散热处理、组装能力、工艺原材料、元件和组装寿命等等数十种科目具备一定的知识。许多这方面的问题都是以往的插件技术中不必加以考虑和照顾的，但如今却成了必备的知识。所以当今的设计师，他们应该具备的知识面，已不能像以往处理电子产品设计时的范围一样。而现在谈到的DFM技术，也正是当今SMT设计师必备的知识之一。目前在工业界里，几乎没有人不谈‘品质’管理的。先进管理观念强调，品质不是制造出来，而应该是设计出来的。这观念有其重要的地方，是使用户从以往较被动的关注点（生产线上）移到较主动的关注点（设计上）。但说法不够完善。严格和具体来说，品质既不是生产来的，也不是单靠设计来的，而应该是配合来的。好的品质是通过良好的设计（配合工艺和生产能力的设计），优良的工艺调制，和生产线上的工艺管制而获得的。而这三者又是需要有良好的品质管理理念、知识、系统和制度来确保的。要确保产品高而稳定的品质、高生产效率和低生产成本、以及准确的交货时间，我们的生产线必须要有一套‘坚固工艺’（RobustProcess）。而坚固工艺是必须通过设计、工艺能力、和设备性能之间的完好配合才能实现的。所谓坚固工艺，是指其对外界各种影响它表现的因素的灵敏度很低。也就是说，对这些因素的大变化，其整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内的变动。在我们计划引进一条生产线时，我们必须确保此生产线能处理我们所要制造的产品范围。但当我们有了生产线后，我们则应该尽力使我们的产品设计，能适用于此生产线上制造。这便是可制造性设计的基本理念。‘坚固的工艺’是相对的，所以一套设计规范也是有其针对性的。它在某一生产环境下（设备、管理、材料、工艺能力、品质标准）也许是‘坚固’的，但在另一个环境下却可能变得不‘坚固’。因此，设计的好与不好，也是有它的特定性。用户必须了解和牢记这一点。产品寿命，是另一设计上应该注重的地方。由于产品在服务期内会受到各种不同的环境压力（如热变化、机械振动等等），产品的设计必须确保在这方面能经得起使用环境中会遇上的各种压力。另一个要照顾到的是制造方面，可制造性和寿命有什么关系？一个设计得非常难组装的产品，其对服务寿命的威胁一般也较大，而制造工艺上的小变化常常也会缩短其服务寿命。比如一个热处理做得不好的设计，其制造过程中所受到的焊接热冲击会较大，因温差较大使焊点的可靠性也不容易得到保证。这就影响了此产品的寿命。产品寿命的设计考虑，始于对产品寿命的定义。设计人员应该考虑和寿命有关的一切条件，如寿命期（多少年）和允许的故障率、故障定义、维修保养政策、使用环境条件、验证方法等等。再从使用环境条件的定义下，设计产品的寿命测试方法、选择元件材料、选择设计规范，并通过寿命测试来验证设计和开发工艺等等。影响寿命的因素很多，可分为主因素和次因素两大类。主因素如元件引脚种类、元件的尺寸大小、元件和基本材料的匹配等等，这些对寿命的影响较明显严重。次因素虽然单独的影响不是很明显严重，但几种次因素的作用加起来，其整体作用也可以是相当可观的。这方面的例子如焊点的形状、成品的保护涂层（conformalcoating）、基板的外形比等等。在影响产品寿命的种种因素之中，热处理的考虑应该算是SMT应用中最重要的一部分。因为在SMT应用上，许多和寿命有关的问题都是和热处理有关。它同时也是影响可制造性的重要因素，所以在热问题的考虑上，用户应该同时兼顾到制造工艺上和产品寿命上的问题。另外一个对热处理关注的原因，是绝大多数使用在电子产品上的材料，他们的性能都会随温度（即关系到热处理）而发生变化的，轻则性能不稳定，重则可能失效（暂时性）或甚至被损坏（永久性）。我们了解到设计规范对我们的产品寿命（即质量）、成本和交货期都有影响，那我们该采用什么设计规范或标准呢？我们可以发现，公开市场上有不少类似IPC等机构推荐的设计标准。他们之间都有差别，加上各大电子厂也都有自己本身的一套规范，标准可谓五花八门。他们之中那一个较好呢？为什么大电子厂不采用如IPC这类世界有声望机构推荐呢？而我们是否可以采用呢？首先我们必须了解和认同的一点，是SMT工艺是一门复杂的科技学问，在SMT应用工作中，常出现一个问题现象是由无数因素联合形成的这一现象。而有效的解决这些问题，有赖于我们对整体的配合能力。这是所谓的技术整合。由于因素众多，也随时间在改变，所以要找到两家完全一样的工厂的机会是很微小的。既然设计规范在优化的情况下是必须配合工艺和设备能力等方面的，也就是说设计标准都有其适用范围，越是要优化其适用范围就越小。所以如果要很好的使用设计来解决问题，一套适用于本身的规范标准是必须按本身特有的条件而开发的。产品开发，应该将它当成是整个技术整合的一部分，而不是单独的产品开发工作。把整个技术合成一起管理，才能真正做到最优化的程度，才有可能朝向‘无缺陷’或‘零缺陷’方向发展。在产品开发的初期，设计小组应该将产品的品质和寿命要求定下，如果厂内开发多种产品，有需要时可以按他们之间的不同分成几个档次。各档次都有相应的设计规范和工艺、材料规范来配合。这些规范可以是以前开发验证过的经验，也可以是为了应付新需求而开发的新规范。如果是新规范，设备方面也必须确保能够给予配合，有需要是或是引进新设备，或是提升改进现有的设备。配合设计和工艺规范的设备再通过如TPM等的先进管理，来确保其稳定性和可靠性。同时在不断标定的设备能力工作中使设计规范稳定和标准化。在另一方面，材料的规范化也应该推出相应的供应商选择和管制系统。通过对供应商能力的要求和评估来确保对工艺和材料方面的配合。厂内的技术水平，由于直接决定厂内的工艺管制能力，也是个必须注意、检测和调整的方面。由于当今设计工作范围和职责的改变，以及为了应付日趋强烈的开发时间压力，标准化和资讯管理成了非常重要的管理工作。对设计软件的要求，也不像以往那样注重现有的数据库，而是较注重软件的更改和兼容能力。对于CAD和PDM等管理软件和数据方面的结合也开始越来越被重视了。目前产品的更改频繁，产品的市场寿命较短等现象，使得许多工厂误入歧途，过分的注重生产线的灵活性或柔性，而忽略了相等重要的稳定性。标准化的推行，可以在这两者之间获得一个很好的平衡。适当的标准化有许多成本、质量和效益上的优势，但太多或不当的标准化对柔性和设计空间起了限制，所以用户必须培养能力来维持这两者的平衡。2.0工艺和设计的关系所谓SMT技术，指的是有关如何将基板、元件通过有效工艺材料和工艺组装起来，并确保有良好寿命的一门科技。这其中便有许多种不同的组装形式和相应的工艺做法。由于各种方式都有其优缺点和不同的工艺，设计师对这方面知识的吸收也就成了一件重要的工作。比如说单面全SMT元件回流焊接技术的组装板，便具有外形薄和组装工艺较简单的优势。但其组装密度还不是很高，以及不能采用插件可能是其应用限制。而目前最多被采用的双面混装技术，具有密度较高，能混合采用SMD和插件，能发挥质量和成本之间的平衡利益。但却含有必须处理两道焊接程序的弱点。诸如此类的认识，设计师都应该拥有，才能在其工作上发挥。所以要成为一位非常出色的设计工程师，努力学习组装工艺方面的知识是重要的。我们接下来谈谈一些常用工艺和设计方面的关系。从以下的例子中可以更好的了解到设计工作在整体SMT应用中的重要性。2.1锡膏丝印工艺这最常见的工艺包括4个主要工序，分别为对位、充填、整平、和释放。要把整个工作做好，在基板上有一定的要求。基板必须够平，焊盘间尺寸准确和稳定（即使在经过焊接工作的高温处理后），焊盘的设计应该配合丝印钢网，并有良好的基准点设计来协助自动定位对中，此外基板上的标签油印不能影响丝印部分，基板的设计必须方便丝印机的自动上下板，外形和厚度设计不能影响丝印时所需要的平整度等等。这些都必须经过设计师的考虑。另外常见的问题是基板上的绿油（阻焊涂层）印刷不断或太厚，铜焊盘的保护处理选择不当（比如在微间距应用上采用垂直热风整平VHASL处理，双回流应用中采用不当的OSP等等）都应该在设计时给予适当的考虑和处理。丝印钢网的设计，有些工厂目前还是和焊盘设计分开考虑和进行的。这是种不当的做法。这两者是息息相关的，其设计指标应该同时考虑和进行。常见的问题是钢网的开孔被设计为比焊盘CAD数据稍为小些，同时在CAD数据上有允许焊盘在CAD数据上有个较小的公差（例如允许有±0.05mm）。这使得在丝印钢网上的缩小失去其实用意义。准确的做法应该是要求基板上焊盘的尺寸公差定为如-0.0，+0.05（即只允许比CAD大而不允许小）的范围。钢网设计和制造可以由工艺或生产部门人员来执行，但必须和设计部的焊盘设计一块考虑。2.2点锡膏工艺如果厂内采用的锡膏涂布工艺是注射方式的，在基板上的焊盘设计又和丝印有所不同。比如焊盘的长度应该受到更短的限制，铜焊盘的防氧化处理要求更严格。但对绿油的要求却不高。对于不同元件封装也应该有个别的考虑。比如J引脚的PLCC元件，如果采用一般的做法在每一焊盘上分点两点锡膏，则有可能在回流前锡膏和引脚的接触不良，引起引脚发生位移的问题。如果采用点3锡点的方式，则又浪费宝贵的生产时间。所以焊盘的尺寸设计要给予更改，要求对元件封装进行较严格的范围控制，同时将焊盘加宽和缩短以达到能采用单一锡点的工艺。对于采用不同的泵技术，焊盘设计也有一定的不同，所以设计师严格对各种泵的性能和特点有足够的了解。至少对本身厂内所使用的技术应该有足够的了解。2.3黏胶应用目前较常用的有点胶和印胶工艺。点胶工艺中有各种的注射泵技术，还有适用于非常高产量的针印工艺。目前更发展出新一代的喷射工艺。印胶工艺方面的做法则和锡膏的丝印很相似。各种的泵在胶点的量控制能力和点出的胶点外形上也有不同，这是设计和工艺人员应该了解和注意到的。比如在同一直径胶点的高度上，采用针印工艺的高度就来得低些，喷射工艺最高，而其他的泵则处于他们之间。这些变化也就影响了设计工作。比如在元件外形和尺寸不变的情况之下，为了确保胶点能对元件的底部有足够的接触面，采用针印工艺的胶点虚设铜盘的宽度就应该较大，以处理更大的胶点直径。除此之外，胶水的种类和品牌也影响股点的外形。所以在技术整合的观念下，设计规范是必须和工艺规范同时开发的。2.4贴片工艺贴片机是否能处理我们设计时所选的元件，把他们都准确的贴在所需的位置上，这问题直接影响了我们的生产。所以在设计时的元件选择工作上，对厂内贴片机性能的了解也是关键的。此外，出于贴片工序在整条生产线上经常是效率的‘瓶颈’（也就是限制整条生产线效率的一节