电子产品设计工艺性

电子产品设计工艺性目录1．设计工艺性的基本概念2.印制电路板设计工艺性3．电子元器件选用工艺性4．印制电路板组装件设计工艺性5．整机设计工艺性6．电缆组装件设计工艺性7.防护与加固设计工艺性8.电子产品调试（测试）设计工艺性9.静电防护技术10.无铅焊接及混装工艺探讨1、设计工艺性的基本概念产品设计工艺性是产品设计工作中一项重要因素，也是产品的固有属性之一。设计工艺性直接影响产品的可制造性，影响产品质量和可靠性，影响产品生产周期和生产效率。一般情况下，设计费用约占产品总成本的5%，但却决定了产品总成本的约70%，而约80%的设计差错要到制造和使用过程才能发现。制造业公认的“十倍定律”表明，如果在概念设计阶段发现并改正一个错误所需费用为1，那来改正同一错误，在详细设计阶段所需费用为10，在生产制造阶段所需费用为100，这是公认的“十倍定律。”1.1设计工艺性的内涵设计工艺性与可制造性或可生产性，其概念基本一致。（1）MIL-STD1528《生产管理》：设计工艺性是多种特性的综合，即通过产品设计和生产策划，形成最有效和经济的方法，进行产品的制造、装配、检查、试验、安装、检验和验收。1.1设计工艺性的内涵（2）MIL-HDBK-727《可制造性设计原则》：可制造性是设计要素、特性和生产策划的综合，通过折中权衡，在满足质量和性能要求的前提下，使设计描述的产品，在最小可能成本和最短时间的优化方案下进行生产和检验。（3）美国国防部指令5000.34《生产管理》：可制造性是相对容易地生产出受设计特性和要求规定的产品或系统，即采用可利用的生产技术经济地制造、装配、检查和试验产品或系统。（4）前苏联《航空制造工程手册——飞机结构工艺性指南》：结构工艺性是指设计的产品所具有的“在一定的产量和生产条件下，经综合权衡后，能以尽可能低的成本和短的周期制造出来，并能符合必须的使用性能和质量要求”的那些结构特性。结论：设计工艺性是产品的固有属性，产品的结构设计的各种要素都对设计工艺性产生影响；设计工艺性是对产品性能、生产周期、全寿命成本、可靠性、安全性和可维护性等的综合平衡优化的结果，其目标是在满足产品性能和可靠性要求的前提下，满足经济高效生产的要求；设计工艺性不但与产品结构的要素相关，而且与工艺布局、设备条件等生产要素密切相关，同时与产品的生产批量密切相关。1.2设计工艺性相关要素1.3设计工艺性的规范化要求符合相关设计标准和工艺标准的规定和要求；符合现有设备和工艺技术能达到的能力；对新元器件、新材料、新设备、新工艺、新技术应通过工艺试验，工艺攻关，在转化为成熟工艺技术的条件下加以应用；对局部非规范设计，应通过充分的试验、验证、证明不会影响产品性能和可靠性；能严格防止设计技术更改，产品修复与改装的随意性。1.4电子产品设计工艺性审查流程1.5设计工艺存在的问题对产品设计中对相关的工艺标准和工艺技术要求不了解；对产品设计工艺性与产品可靠性的相互依从关系认识不足；在产品设计中，非规范性内容没有得到有效控制；对产品设计工艺性审查不严，设计文件中缺少“设计工艺性分析”的内容；与设计工艺性要素相关细节的设计，细化、量化不到位；产品设计文件不齐套。2、印制板设计工艺性印制板是电子产品的基础部件，设计工艺性将会直接影响产品质量和可靠性。2.1印制板设计遵循的原则：电气连接的准确性（与电原理图一致）；可靠性（优化设计）可制造性（有利于加工、安装和维修）；经济性（在安全可靠性的基础上，遵循成本最低）；环境适应性（满足产品使用要求）；环保性。2.2印制板设计师的任务将电原理图转换成印制板图；确定印制板的结构（尺寸、层数、布线等）；选择印制板基材（FR-4、FR-4改性、FR-5等）；设计导电图形和非导线图形（阻焊图形）；提出印制板加工要求（镀层、翘曲度、公差等）；提供印制板生产的全套设计文件。2.3对基材的选择基材选择的依据：印制板的使用条件；印制板的制造工艺；根据印制板的结构确定基材覆铜箔的面积；机械电气性能要求；依据印制板尺寸、单位面积承载元器件质量，确定基材的厚度；印制板是否有特殊性能要求（阻燃、高频等）；尽量选择玻璃化转变温度Tg较高的材料。常用基材的选择：尽量在GB4725标准中选择材料和类型和规格；军用电子产品的PCB一般采用FR-4、FR-4改性，FR-5；高频和微波电路采用聚酰亚胺覆铜板、聚四氟乙烯覆铜板。2.4PCB的结构设计印制板结构是根据布线密度要求，整机给予印制板的空间尺寸和电气性能要求决定。PCB的外形、尺寸外形力求简单，一般为长宽比例不大的长方形，尺寸公差一般为±0.2mmPCB的厚度在满足安全使用的前提下，不选择过厚的基材坐标网格采用GB1360规定的网格系统导线宽度、长度和间距宽度由负载电流、允许升温和铜箔附着力决定。间距由导线之间绝缘和耐压要求及基材料特性决定。长度低频电路没有严要求。孔与连接盘孔：机械安装孔、元器件安装孔、隔离孔、中继孔、安位孔五类。各类孔的设计要求不同，在设计中孔径的种类尽可能少，并避免异形孔。连接盘：形状一般为圆形，与孔同心环绕在孔周围，最小环宽应≥0.1mm。表面涂（镀）层的选择有机涂层：助焊剂（松香）、助焊剂、敷形涂层、有机防氧化保护剂（osp）等金属镀层：锡铅合金镀层、焊料涂层、电镀镍/金、化学浸镍/金等。2.5电气性能设计导线电阻由导线宽度、长度和厚度决定。互连电阻由界面电阻、金属化电阻和导线电阻组成。导线电流负载能力持续电流（工作电流）冲击电流（过载电流）绝缘电阻表面绝缘电阻（板材决定）内层绝缘电阻（多层板同一层导线之间的电阻）层间绝缘电阻（各导电层之间绝缘层的体电阻）耐电压正常条件，导线间的耐电压1200v/mm2.6散热设计CTE的匹配选择PCB基材时应尽量考虑热膨胀系数接近器件基板材料。散热设计的要求根据热传递方式（传导、辐射、对流），设计不同的散热方式。2.7导电图形设计导电图形设计是PCB设计的关键，PCB的电气性能、机械性能、电磁兼容性等都体现在导电图形上。布局要求布局要考虑PCB整体性，按结构要求考虑，元器件分布均匀，排列到整齐美观，避免受热应力或机械应力影响，造成PCB变形。布线要求布线应按照电原理图、逻辑图和网格表，以及导线宽度和间距，布设印制板导线。2.8有关标准GJB3243“电子元器件表面安装要求”GJB4057“军用电子设备印制电路板设计要求”GJB4907“球栅阵列元器件组装通用要求”GJB362A“刚性印制板总规范”GJB2142“印制板用覆金属箔层板总规范”GJB/T4588.3“印制电路板设计和使用”3、电子元器件选用工艺性元器件选用，除电气参数符合电路设计要求外，对其组装特性也有严格的要求，即要考虑选用的工艺性，如元器件安装形式、引线可焊性（镀层）、耐热能力、耐清洗能力，以及元器件的可获得性、可测试性和经济性等要求。3、电子元器件选用工艺性3.1元器件的选用原则优先选用国产元器件元器件应在选用目录或优选目录中选用尽可能选用制造工艺或成熟的元器件尽可能压缩元器件品种和厂家元器件参数及使用环境不得超过其极限值在保证整机性能前提下选择适当的元器件质量等级以先进、高可靠元器件替代落后、低质量元器件3.2电子元器件选用的工艺性要求设计选用元器件时，应结合产品的结构特点，综合考虑元器件的装联方式、占地效率（二维、三维）、组装厂的工艺和设备、元器件的可测试性、可更换性、可获得性、电磁兼容性等。（1）通孔插装元器件选用工艺性要求设计应考虑引线搪锡、焊接等工艺要求，保证引线直径与安装孔径有0.2～0.4mm的合理间隙；设计应了解引线成形的工艺要求，选用引线成形方式、尺寸应符合标准要求；元器件外形尺寸应与安装空间相匹配，并与相邻元器件保持一定的安全间隙；选用环氧包封的元件（独石电容、云母电容等）应注意其外形尺寸公差，留出适当余量。（2）表面贴装元器件选用工艺性要求选用质量和尺寸精度有保证的元器件；注意元器件可承受的贴装压力和焊接要求；注意元器件最小引脚间距和组装工艺的关系；尽量选用已成形好的元器件；注意元器件引脚平面度要求；注意湿敏、热敏元件的安装要求。（3）螺装元器件选用工艺要求选用螺装方式安装的元器件，应考虑元器件安装方式、外形尺寸、散热要求等与安装空间相适应；选用自带紧固件的元器件，其所带紧固件的标准、规格能否满足产品安装要求；设计应明确螺装元器件安装后，紧固件的防松措施。（4）元器件焊接工艺性要求元器件引线、焊端的可焊性符合相关标准要求；元器件的耐热能符合相关焊接方法的要求；尽量选用有铅元器件，选用无铅元器件应在设计文件中明确。（5）元器件三防工艺性要求应能承受清洗液的清洗温度和时间要求；元器件表面涂层应与三防材料相容；需加固和灌封的元器件，应考虑加固和灌封的工艺要求。（6）元器件的可检测性元器件选用应考虑元器件的可筛选和可检测性；元器件筛选和检测要求应在设计文件中明确；筛选和检测可在元器件生产厂完成。（7）湿敏元器件湿敏度等级及使用要求（8）相关标准GJB33A“半导体分立器件总规范”GJB597A“半导体集成电路总规范”GJB/Z35“元器件降额准则”GJB3243“电子元器件表面安装要求”4、印制电路板组装件（PCA）设计工艺性4.1PCA设计工艺性原则PCA设计工艺性，应在PCB设计工艺性的基础上综合考虑，对PCA进行规范性、可制造性、可检测性、可维修性及可靠性设计。综合考虑PCA元器件安装于加固，焊接工艺及环境条件等各种应力因素，确认PCA选用的基材，复核和调整PCB导电图形相关尺寸；元器件布局、安装于加固及焊接工艺的选择，保证PCA的安装刚度和翘曲度要求，保证在振动环境中不产生振动响应放大；对PCA局部非规范设计，应有工艺试验验证和可实施的工艺技术途径；不遗留元器件布局与安装设计工艺性的薄弱环节和缺陷。4.2PCA设计工艺性要求元器件安装尺寸布局满足安装高度要求，满足安全间距要求，满足安装空间要求。元器件导热与散热热量分布均匀，具备有效导热散热的途径。绝缘及耐电压满足元器件之间，引线及焊盘之间，及与金属结构件之间的绝缘、耐电压的要求。引线安装支撑力保证引线在金属化孔中垂直安装；导通孔不能安装元器件；一孔一线；孔与直径的间隙合理。导线及跨接线的连接导线及跨接线连接要求与引线要求相同；跨接线等同轴向引线元器件安装要求。PCA接口根据PCA在整机中的安装要求，合理选择接口，并保护接口安装的可实施性和可靠性。PCA质心：质心一般不应处于PCA中心区域，防止PCA振动响应较大。4.3元器件通孔插装设计工艺性通孔插装设计应保证元器件引线的合理成形与安装，应能释放元器件引线安装的应力，以避免引起对元器件及焊点的损伤。（1）轴向引线元器件水平安装的布局及要求如下：元器件水平安装布局及尺寸设计：引线安装跨度A一般应不大于25.4mm，平行排列元器件两侧沿之间的安装间隙B、直线型排列的两相邻连接盘边缘间距C的要求。C≥1.27mmB≥1.6mmA25.4mmB≥1.6mm轴向引线元器件水平安装与布局设计元器件不应摞装布局（除非一个元器件或部件专门设计成允许另一个元器件与它成为一体），也不应十字交叉跨装。a.元器件摞装b.元器件跨装元器件摞装或跨装（不允许）每根引线承重超过7g的轴向引线元器件，一般应采取加固措施。如果安装孔为非金属化孔，元器件引线一般应按引线端头弯曲安装要求安装。安装在接线柱上的轴向引线元器件，其引线应采取应力消除措施。水平安装的形式轴向引线元器件在PCB上安装高度、安装强度的设计可以考虑如下方式：水平贴板安装适用于发热量较小，质量较大，质心较高，引线较粗（Φ0.8mm），焊盘较大的轴向引线元器件。水平微间隙安装适用于质量较轻，引线较细（Φ0.8mm），焊盘较小。焊点强度较弱以及安装应力影响较大的轴向引线元器件。水平悬空安装适用于功率较大，如