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欢迎参加电子产品可制造性设计DFM培训-DesignForManufacturing彭有鹏一.目的：1.推行DFM降低制造成本缩短开发周期2.愿景目标：DFM问题造成版本更改小于?%DFM设计一次通过率大于?%单板试制综合直通率大于?%注：为了占领市场，公司一般会推行N年质保。故在设计之初就要考虑到N年后，产品大量失效的风险。而DFM可以从源头上降低这一风险。3.回报任何工作启动阶段总是低回报DFM工作也不例外二.基础：电子产品的可制造性，特指PCB的设计、制作和制造。1.产品三步曲曲棍球效应设计制作制造2.DFM的基础：设计规范ERFs：EngineeringtechnologyRuleFiles，工程技术规则文件，即DFM规则。目录：第一章.电子产品工艺设计概述第二章.SMT制造过程第三章.基板和元件的工艺设计与选择第四章.PCB布局、布线设计第五章.焊盘设计第六章.电子工艺技术平台建立第一章电子产品工艺设计概述1.可制造性设计概念生产线的规划设备满足公司产品、工艺和品质要求。生产线的应用产品、工艺和品质要求配合生产线。2.DFM的重要性设计是整个产品的第一站——设计缺陷流到后工序，其解决费用会成百倍的增加——再好的设备也弥补不了设计缺陷可制造性设计3.品质来自设计优良的品质：优良的现场工艺管制(6σ)---重复性、稳定性良好的设计(DFSS)---与工艺能力良好配合DFSS=DesignForSixSigma，6σ设计DFMDFADFRDFTDFSDFV……DFx4.电子产品发展趋势功能：越来越多元件尺寸越来越小价格：越来越低组装密度越来越高外形：越来越小制造对设计的依赖越来越强环保：推行无铅逐步由有铅过渡到无铅工艺消费类电子因销量大、用户多，是电子行业发展的风向标，引领着微电子、网络、通信等产品向前发展。5.客户的需求品质——功能、性能、可靠性、外观等等价格——价值，良好的性价比快而及时的交货——体现为生产周期一个设计人员能影响以上各项!!!6.技术整合的必要性从一个电容立碑开始分析：焊盘设计：不对称;太长reflow时张力大;太宽易漂移…可焊性：焊盘或PIN污染、氧化，锡膏不润湿散热面积：没加花焊盘；走线不对称。如图锡膏：滚动性不好；搅拌不均匀；放置时间太久回流焊的温度：升温速率太快；预热时间短贴片精度：贴偏钢网：清洗频率太低，堵孔7.各设计阶段考虑因素设计步骤和内容注意点电路DFV,DFM,DFT,DFRPCBDFA,DFM,DFT,DFR,DFS热设计DFREMC,EMI,ESDDFT,DFR机械设计DFV,DFA,DFM,DFT,DFR,DFS软件DFT,DFS材料选择DFA,DFM,DFT,DFR,DFS封装及包装DFA,DFR设计者应明白在设计中考虑何种内容，不同的产品有不同的考虑重点。DFV——价格设计DesignforValue(performance/priceratio)DFR——可靠性设计(DesignforReliability)DFM——可制造性设计(DesignforManufacturability)DFA——可装配性设计(DesignforAssembly)DFT——可测试设计(DesignforTestability)DFS——可维护性设计(DesignforServicability)8.制造工艺的坚固性（健壮性）指在某一生产环境下，其特性不会随外界因素的变化而产生大的改变。能保证产品的重复性、稳定性。尽量使用成熟的工艺，做精密的产品。eg：选用pitch≥0.8mm的BGA；pitch≥0.5mm的QFN/QFP；使用≥10mil的过孔；全贴片的设计；有铅工艺……9.优良制造性的标准产品的可制造性：高生产效率高稳定性可接受的缺陷率，零缺陷会使投入与产出不成比例产品的高可靠性：适应不同环境的变化产品维持一定的使用周期第二章SMT制造过程1.THT与SMT工艺THT→SMT是发展趋势THT：通孔插入安装技术，ThroughHoleTechnology的简写。SMT：表面贴装技术，SurfaceMountedTechnology的简写。THT工艺优点：缺点：焊点变化不大不利于产品的微型化焊接时元件温度较低自动化程度不高容易目检生产总成本较高元件功率大焊点的机械强度大主要应用在对可靠性要求非常高的航空、航天等产品上。SMT工艺优点：缺点：适于微型化技术、工艺和检测较复杂电气性能好（引脚短,寄生参数小）设备投资大生产成本低焊接强度小对员工素质要求提高主要应用在高密度、高效率、大批量的消费和工业级产品上。2.SMT是一门依赖技术整合的科技在电路设计前，就要考虑到工艺、基板和元件选型相关的内容。3.工艺线路设计常用的组装方式1a.单面THT自动插件→手动插件→波峰焊接b.单面SMT印刷锡膏→元件贴装→回流焊接这两种组装方式不能适应高密度产品的发展，已较少采用常用的组装方式2a.双面SMT印刷锡膏→元件贴装→回流焊接→翻板→印刷锡膏→元件贴装→回流焊接优点：组装密度很高缺点：对元件选择和PCB设计有一定要求推荐选用。常用的组装方式3a.双面SMT+THT印刷锡膏→元件贴装→回流焊接→翻板→点胶→元件贴装→胶固化→翻板→手插件→波峰焊特点：工艺较为灵活、当前主流组装方式为加强理解，附上波峰焊工艺简要流程派生组装方式——单面SMT+THT——双面SMT+手工补焊——正面THT+反面SMT等新型组装方式——Flip-Chip——COB(chiponboard)——MCM(multichipmodule)等工艺线路设计：1.公司内部规定x种工艺线路。2.参考基板、元件的相关内容，选择一种合适的工艺路线。3.按照该工艺路线，合理布局、合理设计电路和封装。eg：双面SMT工艺时，BGA、大的/重的元件摆在同一面，非BGA、小的/轻的元件摆另一面；如果同一元件需要过波峰焊和回流焊两种工艺，则在设计时要选择对应的封装，因为两种工艺对应的元件封装完全不同；chip元件过波峰焊时，要设置点胶孤立焊盘……4.SMT典型工序一：锡膏涂布方法有三：点锡、印刷和喷印印刷方法是主流，点锡不适合批量生产，喷印太贵。点锡点锡的应用印刷a.丝网印刷不适合于细间距，很少使用。b.模板印刷精度高、平整度好，适于细间距，目前普通采用。锡膏印刷方法锡膏印刷步骤1）刮刀与PCB之间要有一定距离。因为：a.放置锡膏b.锡膏是滚动前进的，给滚动留有助跑空间，这样有向下的力，填锡才能好。2）大的热焊盘要采用井字状开孔，以免锡膏塌陷。控制上述四个步骤，需要好的基板平整度、焊盘设计和加工质量、钢网加工质量。锡膏印刷对基板的要求：尺寸准确、稳定绿油不高于SMT焊盘焊盘加工为正公差绿油/丝印不上焊盘板面清洁焊盘表面平整锡膏喷印不需要钢网每分钟可喷印3万点换线快锡膏涂敷效果好无脱模难问题，保证细间距印刷全编程控制，锡厚可控锡膏颗粒小，价格昂贵MY5000MYDATA公司，上海有售，焊盘加工为正公差,特别注意CSP、BGA等IC的焊盘size和pitch5.SMT典型工序二：贴片贴片的工序流程图贴片机的基本结构：基板处理系统——传送基板、基板对位/定位贴片头——内装吸嘴，用于真空拾/放元件供料系统——即feeder，有机械式和电子式元件对中系统——利用影像识别系统，制作零件资料和零件吸取后的识别比较好的贴片设备有松下、西门子，可以识别出器件引脚的变形和污染。贴片精度影响贴片的主要因素有下面4个：6.SMT典型工序三：回流焊回流焊技术要点：找出最佳的温度曲线温度曲线处理良好的受控状态回流焊原理：回流焊技术分类a.按加热区域可分为两大类：1）对PCB局部加热。分为激光回流焊、聚焦红外回流焊、光束回流焊、热气流回流焊。2）对PCB整体加热。分为热板回流焊、红外回流焊、热风回流焊、热风加红外回流焊、气相回流焊。b.按热的传播方式可分为三大类：传导——热板、热丝回流焊、气相回流焊对流——热风、热气流回流焊辐射——激光、红外、光束回流焊1）传导：它具有依靠物体内部的温度差或两个不同物体直接接触，在不产生相对运动，仅靠物体内部微粒的热运动传递了热量。2）对流：流体中温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递的过程。3）辐射：物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射，由于热的原因，物体的内能转化为电磁波的能量而进行的辐射过程。比如冬天烤火。对流和传导最大的区别是对流是流体中的热传递过程，比如液体和气体。而传导是固体和固体或者固体和流体之间的，比如水中的菜被加热。热风回流炉基本结构回流炉子按PCBA温度变化可分为4个区预热区:使元器件/基板快速获得热量。恒温区:使基板各处元器件焊接前一瞬间尽量彼此温差最小。回流区:焊膏熔化，形成良好焊点。冷却区:使基板/元器件温度降低到室温。7.工艺窗口a.器件对热风回流焊的影响各个器件的温度曲线不同，增加了焊接的难度。曲线2的器件形成良好焊接时,曲线1的器件过热,曲线3的器件则焊接不充分。板上只有一种器件时,不管数量有多少,焊接都很简单因为温度曲线只有一种。b.实际的温度特性曲线——热风回流焊不能控制局部的温度——不耐高温器件不能加工——各器件的热容量尽量相近，热容量大的器件可能虚焊单板上的温度特性一般都是一个宽带，选型时我们尽量使器件温度的带宽最窄，以获得好的焊接效果。即选择温度曲线/热容量相近的器件。eg：大尺寸的芯片（30x30mm的cpu）与小尺寸的chip器件（0201、01005的阻容）就不搭配；ublox模块（低温曲线）与marvell的CPU（高温曲线）也不搭配。c.对回流炉和温度曲线的要求1）传输带横向温度均匀，无铅焊接要求＜±2℃2）加热区长度越长、加热区数量越多，越容易调整和控制温度曲线，无铅焊接应选择7温区以上3）要求传送带运行平稳，震动会造成移位、吊桥、冷焊等缺陷4）应具备温度曲线测试功能，否则应外购温度曲线采集器热电偶测温仪①准备一块焊接好的实际的PCB产品②测试点数3-9。分别为高(热点)、中、低(冷点)有代表性的温度测试点。热点，一般在炉膛中间,无元件或元件稀少及小元件处；冷点，一般在大型元器件(如PLCC、BGA)、大面积铺铜、传输导轨或炉膛的边缘、热风对流吹不到的位置。d.双面回流焊介绍存在的问题：底部的大元件可能会在第二次回流焊过程中掉落；底部焊点经过第二次回流焊后部分熔融而造成焊点的可靠性问题。方法1：用胶粘住第一面元件（炉温、锡膏不变）特点：元件不会掉落。很常用，但工艺复杂、同时需额外的设备和操作步骤，增加了成本。方法2：应用不同熔点的焊锡合金（锡膏改变，炉温不变）第一面采用较高熔点合金，第二面采用较低熔点合金。特点：高熔点合金的锡膏势必要提高回流焊的温度，那就可能会对元件与PCB本身造成损伤。低熔点合金的锡膏可能受到最终产品的工作温度的限制，也会影响产品可靠性。方法3：第二次回流焊时将炉子底部温度调低，并吹冷风。（锡膏不变，炉温改变）特点：这种方法在第二次回流焊时，可以使PCB底部焊点温度低于熔点。但是由于上、下面温差产生内应力，也会影响可靠性。实际上很难将PCB上、下拉开30℃以上的距离，可能会引起二次熔融不充分，造成焊点质量变差。方法4：双面采用相同温度曲线（锡膏不变，炉温不变）对于大多数小元件，由于熔融的焊点的表面张力足够抓住底部元件，二次熔融后完全可以形成可靠的焊点。元件重量与焊盘面积之比是用来衡量是否能进行这种成功焊接一个标准。元件重量（Dg）与焊盘面积（P）之比＜30g/in2工艺控制：①PCB设计应将大元件布放在主（A）面，小元在辅（B）面。设计时遵循原则：Dg/P＜30g/in2②不符合以上原则的元件，设计时增加假焊盘，用胶粘住。③先焊B面，后焊A面。④双面贴装BGA时，大BGA在主面，小BGA在辅面。⑤双面都有大BGA时，尽量交叉排布。⑥双面都有大BGA时，应缓慢升温，尽量减小PCB表面的温差△T。e.回流焊的总结1）PCB设计(焊盘、走线和布局）、元器件选型(可焊性、封装和尺寸）、焊膏质量、PCB制作质量是保证回流焊品质的基础，因为这些问题在生产工艺中是很难