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第三章 可制造性设计 测试考虑 焊盘设计和元件布置 DFM的重要性和概念 推行DFM所需的工作 了解生产能力和DFM 热处理 基板和元件的选择考虑 设计文件档案 01 您的客户要求些什么 品质 功能 性能 可靠性 外观等等 价格 价值 快而及时的交货 一个设计人员将能影响以上各项 02 的第一个工序 您是整个生产工作中 03 品质并不是自然发生的 优良的成品品质 优良工艺 产品设计 工艺开发 制定 工艺管制 工艺工程 制造工程 工艺优化 工艺工程 提供优良条件的组织 品质功率系统 文化 不断培训提升 改进管理项目等等 04 设计师的责任 DFV DesignforValue performance priceratio DFR DesignforReliability DFM DesignforManufacturability DFT DesignforTestability DFS DesignforServiceability DFA DesignforAssembly 寿命 可制造 经济效益 功能 性能 05 可制造性设计 您设计出的产品 必须 1 能够被制造出来 2 有经济效益的被制造出来 3 达到设计的功能和寿命意愿 DFM 06 INPUTS OUTPUTS TRANSFORMATIONS 优良坚固的制造工艺 制造工艺 一个优良坚固的制造工艺 将对其输入材料和制造过程中可能发生的任何不可控变数 包括一切外在因素 产生微不足道的不良反应 输入 处理过程 输出 07 坚固的工艺是相对性的 DesignRules 您能提供生产线一个坚固 因此具有针对性 的生产工艺 08 可制造性设计概念 生产线的设计和配置 设备配合产品 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 可制造性设计 最佳的生产设备也不能改正严重的设计错误 09 可靠性设计 您设计出的产品 应该 1 有好的直通率 2 100 的出厂合格率 3 足够的长期使用寿命 DFR 10 影响焊点的可靠性的主要因素 元件体积 0603 1812 焊点高度 焊接面积 引脚强度 材料 尺寸 温度膨胀系数的匹配 引脚种类 11 影响焊点的可靠性的主要因素 焊点外形 焊点大小 保护涂层 增加温度失配 吸湿性 增加板的硬度 焊点的金属结构 焊点的金属成分 焊点的内部结构 12 可靠性设计 材料选择 适合制造和使用环境 制造工艺的选择 保持元件和材料的最佳寿命 提供组装的最佳寿命 13 确保可制造性和可靠性设计 规范的使用是个关键 14 设计规范和标准 IPC MIL IEC EIA JEDEC标准 众说纷纭 谁是谁非 供应商的推荐 同行的说法 隔壁工厂的做法 专家的意见 国际一流公司的报告 15 设计规范和标准 国际标准 供应商建议 实习体验 员工培训 同业交流 厂内经验和资料库 16 确保可制造性和可靠性设计 经验 规范 设计 试制 生产 试验 学习 17 设计软件应该具有应付随时变化的能力和效率 必须更改标准了 标准制定的柔性和效率 设计软件的要求 设计规范和标准是和生产能力和采用的工艺息息相关的 用户需要经过实习来达到和规划良好有效的设计标准 并需要面对快速的发展和更动 18 PDM CAD 进一步利用资讯科技的优势 19 SMT对设计考虑的影响 电气方面 较低的 寄生 参数有利于更高的产品功能 高密度影响高压设计能力 散热方面 较小体形和较高密度使散热问题更难处理 没有了引脚的元件丧失了吸收应力的能力 测试方面 探测点占了相当的产品面积 对微型化不利 内置的测试设计成了重要工作 20 SMT对设计考虑的影响 制造工艺方面 产品的体形 单面还是双面组装 生产和运作中的温度 SMT THT 还是混合板 元件供应 焊接方法和次数 21 SMT对设计考虑的影响 元件方面 电气性能 使用条件下的可靠性 适合于所采用的组装工艺 标准件 低成本 普遍供应 什么元件 什么封装 什么包装 22 提升生产力设计 柔性 还是稳定性 23 柔性或灵活性需要 每一分柔性经常都有相对的付出 成本因素 复杂的设备设计 设备价 保养维修 可靠性 备件等 生产或作业速度 转型和准备工作 使用率 24 另一种有效做法 标准化 标准化作业使用户以更低的成本生产相同的产量 实施标准化限制 技术发展的限制 产品功能需求的限制 知识和经验的限制 意识和做法的限制 25 标准化的其他好处 较低的培训开支 产品推出市场较快 可靠性较高 使用获得证实的技术 增加稳定性 提供改进的基本条件 26 AutomationFlexibility ProductionCost levelof Standardization PCBdesign guidelines components selectionguidelines andprocess 两个主要的做法 27 DFM的依赖 常识的应用 采用的技术限制 要求的成本效益 工作人员实际经验 厂内的生产能力 28 推行DFM所需的工作 1 制定您的品质标准和水平 3 了解和量化您的生产能力 4 建立您的材料数据库 5 建立您的焊盘尺寸库 2 制定您的工艺范围和标准 6 建立数据和规范管理体系 29 制定您的品质标准和水平 30 使用环境考虑 环境参数 温度范围 温度和时间关系 热冲击程度 湿度范围 机械震荡 静电 高压 电磁波破坏 化学腐蚀 环境考验 制造过程 测试过程 库存条件 运输过程 使用过程 31 IPCSTANDARD Category Temp Temp Cycle yr Yearsofsvc Failure Min Max Power Typical Acceptable Consumer Computers Telecom Commercialaircraft Passengercompartment Militarygroundandship Space Militaryair Automotiveunderhood 0 15 40 55 55 55 55 55 55 60 85 60 95 95 95 95 95 125 365 1460 365 365 20 60 100 185 100 265 8760 365 40 300 1000 3 5 7 20 20 10 5 30 10 10 5 1 0 1 0 01 0 001 0 1 0 1 0 01 0 001 0 1 IPC D 279 32 分析和选择 元件和基板 组装和包装材料 生产工艺 测试策略 33 1 2 为何要了解生产能力 一套设计规范只适用于 某范围的生产条件 每条生产线都不 一样 即使硬件 的配置相同 其 软科学的一面也 使它和其他的不同 34 3 4 为何要了解生产能力 许多有用的资料都 很缺乏 业内没有一套设计 规范是适合于所有 用户的 35 需要了解些什么能力 36 需要了解些什么能力 基板的处理能力范围 尺寸范围 重量范围 材料种类 留空范围 定位方法和限制 标记辨认 37 需要了解些什么能力 元件的处理能力范围 拾取性能和封装范围 吸咀种类 对中方法和性能 贴片力度 供料性能 对速度的影响 38 需要了解些什么能力 设备工艺能力范围 了解影响设计的工艺能力或性能范围 例子 回流炉是采用 红外线 强制热风 混合 负荷能力 系数 边吸热效应 阴影效应 39 Componentheightconsideration 需要了解些什么能力 设备工艺能力范围 例子 40 solderresist Fiducialmark FR4substrate lighting FiducialVisionSystem Whitelight Redsoftlight 需要了解些什么能力 设备工艺能力范围 例子 41 需要了解些什么能力 工艺能力范围 例如 锡膏应用能力范围 注射工艺 丝印工艺 混合工艺 特别工艺等等 0 3mm间距能力 二次印刷能力等等 贴片能力范围 0 4mm间距 FC CSP BGA TAB 管式供料范围 PLCC20 PLCC84 SO8 SO28等等 42 制定您的生产线能力规范 供应商指标 生产经验 验证确认 试验开发 设计参考规范 数据库 43 基板的要求 适合所需电气性能 介质系数 电阻等 适合所需密度的制作 细线 小通孔等 足够坚固的结构 能承受制造工艺 焊接温度和时间 清洗等 有适合制造工艺的平整度 适合返修工作 44 基板特性参数的考虑 45 XXXPC G 10 G 11 FR 2 FR 3 FR 5 FR 4 Phenolic Phenolic Epoxy Epoxy Epoxy Epoxy Epoxy Paper Glasscloth Glasscloth Glasscloth Glasscloth Paper Paper brown brown lightyellow yellowgreen green brown lightgreen lightgreen bettertemp moistureproperty flame retardantXXXPC betterphysicalpropertiesFR 2 goodmoistureresistance physicalanddielectricproperties betterthermalstabilityG 10 flame retardantG 10 flame retardantG 11 XXXP Phenolic Paper brown generaluse 常用的基板材料 46 XXXP XXXPC G 10 G 11 FR 2 FR 3 FR 5 FR 4 FlexuralStrength Operating Temperature KPSI oC CTE Length Width Peel strength Kg mm ppm Water Absorption Length Width 12 12 12 10 5 10 5 10 5 20 55 55 55 55 16 45 45 45 45 105 125 105 105 130 130 170 170 12 12 12 13 10 10 10 10 10 17 17 25 25 15 15 15 69 69 69 81 81 81 81 81 1 0 0 75 0 75 0 65 0 35 0 35 0 35 0 35 2 4mmthick 1ozCu 1 6mmthick 常用的基板材料 47 其他基板材料例子 铜 殷钢层夹板 TCE能随金属比例而调整 也有采用42合金和钼的 更好的机械强度和传热性能 可利用加强EMI等屏蔽能力 制作技术困难 价格高 48 TCE控制情况 49 什么较适合您的生产系统 50 防焊绿油 功能作用 1 防止焊接作业造成桥接或短路 2 保护基板免受环境不良影响 湿气 化学污化等 需求 1 适合制造工艺 焊接 固化 标印等 2 兼容其他制造材料 助焊剂 保护衣 清洗剂等 51 绿油的种类 液状丝印用绿油 低成本 一般厚度约50um 孔覆盖能力1 1mm以下 定位能力较差 固态薄膜绿油 高成本 一般厚度约75 100um 孔覆盖能力0 6mm以下 定位能力良好 52 绿油的种类 液固态混合绿油 完全充填通空 一般厚度约50um PCB必须足够的固化 以避免在较後的焊接工序中发出气体 液状光绘绿油 较固态绿油成本低 一般厚度约15 30um 通常在无需覆盖应用上使用 定位能力良好 53 绿油厚度高于焊盘 某些固态绿油会产生焊球问题 和某些助焊剂和用 过度固化会出现破裂 如果潮湿会在回流时脱离基板 如果涂布到有锡的地方会在回流 绿油的问题 时脱离 54 Gapwhichmaycausestombstoningorinsufficientfilletorjoint thicksoldermask smallstandoffSMD 绿油的问题 厚度太高 55 A B Lead PCB ForFine PitchTechnology Solderpasteprintingheight 150um MoltenSolderheight 110um Coplanarity 80um Bmax 110 80 30um A 0 65 1 0mm B A 0 03 0 046 OR Bis3 5 ofA 基板的曲翘 56 采用适当的基板材料 设计均匀的铜线分布 各层 设计适当的基板外形比和厚度 选择合格的供应商和实行供应商管理 基板曲翘的预防 57 元件的选择考虑 电气性能 占地效率 成本和供应 可靠性 寿命 符合设计规范 适合生产工艺和设备 有足够的制造资料 如 端点金属材料 详细尺寸和外观图 推荐的焊盘设计尺寸 推荐的焊接温度时间特性 58 UnderstandthePackagingTechnology andtheirtradeoff 元件的占地效率 59 ThermalResistance oC W 300 250 200 150 100 50 0 4 8 6 10 12 2 DieSize X1000mil2 元件的散热考虑 60 PLCC84 PLCC120 50 100 150 0 0 5 1 0 1 5 plasticthicknessunderdie pad mm die padsize mm PLCC44 VSO56 VSO40 SO24 SO28 QFP48 PLCC68 QFP44 SO32 CRACKING TSSOP VSOP TQFP QFP 封装厚度的影响 61 封装高度的影响 Clearance Stability Stabilityandswimming Tackiness Recognition alignment Process 62 Highstand off Lowstand off 元件封装的底高 用于波峰焊接工艺 无清洗工艺 需要扁平的产品组装 需要靠封装体传导散热 用于清洗工艺 较大元件尺寸 63 贴片冲击力的问题 64 FLATLEAD 元件引脚种类的影响 J LEAD GULL WING 扁平引脚 翼型引脚 J型引脚 I型引脚 65 引脚平介面的影响 不良问题 开路 虚焊和气孔 供应商常用的控制指标在80 100um左右 工艺控制 波峰焊约0 2 0 3mm 回流非微间距 100um 回流微间距 80um 生产管制 66 小心对待工业标准 BQFP QFP Pitch 25mil 0 635mm Not0 65mm endtoendpinsdistancefor30pins 0 635X 30 1 18 415mm Pitch 0 65mm endtoendpinsdistancefor30pins 0 65X 30 1 18 85mm EIAJ JEDEC 差异0 44mm 超出一个引脚的尺寸 67 D SOT236AA JEDEC D 2 10 2 50mm EIAJ D 2 60 3 00mm Standoff0 1 0 25mm SOT236AB Standoff0 01 0 1mm SOT236 Standoff0 08 0 13mm Standoff0 00 0 15mm 小心对待工业标准 SOT的例子 68 10 00 10 65mm 10 95mm 0 36 0 49mm 0 7mm 13 34 14 61mm 0 35 0 51mm 10 60mm IPCref SO32 SO32 小心对待工业标准 封装名称并不能代表什么 69 配合您的设备能力 您的贴片机能处理吗 能处理的多好 70 配合您的设备能力 不同的技术有不同的表现能力 71 配合您的设备能力 带式供料 管式供料 盘式供料 散料供料 较成熟 较高成本 不稳定 需要小心处理 较新技术 成本效益好 供料效率低 需要小心处理 供料效率低 72 影响产品长期可靠性的主要因素之一 包括生产因素和使用因素 DFM和DFR的考虑重点 电子产品中使用的材料 大都对温度有一定的 敏感性 为何考虑热处理问题 73 SMDs体积较小 产品组装密度较大 SMT组装的焊点缺乏引脚引线的柔性 因此板 为何考虑热处理问题 增加了单位面积所产生的热量 和元件间的温度系数匹配 成了重要的考虑点 74 热效应故障的例子 75 半导体晶体界面温度 焊点温度 两大热处理考虑范围 老化 金属结构的变化 疲劳断裂 蠕变 绝对最高温度和正常操作温度 76 生产工艺 如焊接过程 热冲击 使用环境温度的快速转变 如冷天发动汽车 即使是温度系数匹配好的材料也会因热冲击而损坏 77 SMD在基板上的散热 Convection Conduction Radiation 78 热学参数 POWERDISSIPATION Productofmax operatingvoltageandcurrent PD VmaxXImax THERMALRESISTANCE Expresstheabilitytodissipateheatawayfromchiptoambient Rthj a Rthj c Rthc a JUNCTIONTEMPERATURE Temp ofchip theultimatecontroliteminthermalmanagement Tj PDXRthj a ambienttemp 79 热处理的可控因素 元件制造商可控因素 LeadFrame的材料和设计 元件封装材料 晶片组装的方法和材料 PCBA组装商可控因素 基板材料的选择 布局设计和密度 散热和冷却设计 用户可控因素 使用环境 开关频率和周期 80 只有30 的封装体积 对流散热效果较低 辐射散热效果较低 传导散热效果较高 对照对象 基板材料和设计日益重要 密度较高 封装体更接近基板 热处理要求的变化 81 DILPackage SOPackage SMD封装的热处理能力 82 14 16 18 20 24 22 26 28 50 100 150 200 0 12 Pincount ThermalresistanceRthj a oC W 插件和表面贴装元件的比较 83 散热能力的分析 84 For20oCchange 1206 1812 2220 LCC16 LCC156 0 38um 0 54um 0 68um 0 94um 6 28um 0805 0 24um 0805 1206 1812 2220 LCC16 LCC156 200 400 600 800 1000 1200 1400 Temp cycle 1500cycle 20oCto 100oC cycletime1 25hr JointFatigueTest SMD LSMD 0 64um 0 90um 1 13um 1 57um 10 47um 0 40um Ltotal 温度系数匹配问题 85 50umelastomericlayer solderjoint 温度系数匹配对策 1 柔性涂层 2 托脚 86 温度系数匹配对策 3 材料匹配 4 选择元件 87 Epoxy glass Zaxis Epoxy glass X Yaxis Polyimide glass Copper Alloy42 Quartz 150 200 12 16 13 17 15 20 4 4 0 5 Cu Invar Cu 5 8 FR 4 Kevlar181 5 3 6 0 Aluminaceramics 6 0 6 5 Poor Good 常用基板材料的温度系数比较 88 Rtotal Rthj a Rthj c Rthc a Singlechipmodel 散热分析 89 提高传导散热能力 金属夹层 铜盘 散热胶 90 提高对流散热能力 91 Rthc a Rthp a Different SinglechipPCBAmodel 散热分析 高密度组装使问题复杂化 92 元件布局的考虑 热敏感元件 热源 长高体形元件 涡流 气流 接边散热 高功率元件 靠散热边 93 Tracewidth 0 25 0 4mm for3 4traces Tracewidth 0 35 0 6mm for1 2traces 焊点热容量的设计考虑 小容量 大容量 94 焊点热容量的设计考虑 大容量 大容量 小容量 小容量 多层板 95 基板的焊盘设计 最重要的工作之一 做好它 取决于众多因素 自己做 复杂众多的条件 注重档案 推算 经验 配合使用 您厂内的生产工艺和生产能力决定您应有的设计规范 而不由是您 96 基板的焊盘设计 焊盘的定义 影响焊盘设计的因素 元件外形和尺寸 包括公差 基板的材料种类和质量 产品的组装工艺 生产设备的实际性能 成品品质要求 订立适合自己的设计规范 并改善优化它 97 元件端点 焊盘和焊点 矩形电容器 矩形电阻器 小焊点 1 2至1 3端点高度 大焊点 增加 立碑 机会 同样的焊盘不会给不同的元件带来同样的质量 0805 0805 98 元件端点 焊盘和焊点 长翼形引脚 短翼形引脚 两种SOIC的引脚 不同的引脚需要不同的锡膏量 99 先订立您正确的元件资料 别忘了公差和范围 100 考虑您的设备性能 X Y和 的总公差 贴片精度 锡膏印刷精度 X Y和 的总公差 漏印板设计指标 101 TARGET ACTUAL LCL UCL TARGET MEAN SOLDERLAND SMD PASTE 考虑您的设备性能 贴片精度 让Cpk协助您 技术整合 102 TIME PRESSURE ROTARY PUMP 考虑您的设备性能 气压技术还是旋转泵技术 气压技术 旋转泵技术 103 了解您的工艺问题 波峰焊 回流焊 焊盘距离的例子 除了焊盘大小 焊盘距离也重要 104 SHADOWEFFECT EXTENDINGSOLDERLAND 了解您的工艺问题 表面张力和屏蔽 阴影 效应 许多制造问题是设计和工艺不配合的结果 105 了解您的工艺问题 元件布局的方向性 基板运行方向 基板运行方向 优选 限于间距 1 27mm 短路区 106 QFP SOT23 SOT143 了解您的工艺问题 元件布局的方向性 基板运行方向 基板运行方向 107 了解您的工艺问题 盗焊盘的使用 基板运行方向 基板运行方向 桥接区 吸焊盘 108 SOIC SSOP VSOP QFP PLCC 盗焊盘的设计 基板运行方向 109 PCB SMD PCB SMD PCB SMD PCB SMD 了解您的工艺问题 虚设焊盘或布线的使用 焊盘 黏胶点 虚设焊盘 110 PCB SMD A B C D SOL VSOP 虚设焊盘的设计 矩形件 矩形件 虚设焊盘 黏胶点 黏胶点 虚设布线 虚设焊盘 黏胶点 线路布线 111 元件下的布线 必须使用阻焊涂层 solderresist 保持和元件端点一定距离 工艺和电气考虑 112 X Y 吸焊效应 焊盘 吸焊效应 导通孔 插件引脚 矩形件 113 X Y 阻焊层 焊盘 阻焊涂层的设计 足够的工艺空间X 丝印工艺 0 4mm 感光膜工艺 0 15mm 最小Y距离 丝印工艺 0 3mm 感光膜工艺 0 2mm 114 焊盘设计和回流浮移 良好 不良 不良 115 完整的焊盘设计定义 元件尺寸与公差 焊盘尺寸 对照资料 基板质量规范 丝印技术规范 点胶 或锡膏 技术规范 工艺规范 116 焊点各部位的作用 PCB Inspection wetting jointsize Mechanicalstrength Tombstone Heeljoint Mechanicalstrength Solderball Shadoweffect Toejoint Bottomandsidejoint Mechanicalstrength 117 制定您的品质标准 118 D X Y W L S Xmin Lmax 2T Dmax Smin 2H Ymin Wmax 2Ef 2Pltol Where T min toesolderfilletlength H min heelsolderfilletlength Ef min edgesolderfilletlength 焊盘的计算例子 矩形片 回流焊工艺 Forrobustprocess 0 3mm T SMDthickness 2 Pltol SMDthickness 4 2Pltol H 119 D X Y W L S Xmin Lmax WfTc 2Pltol Dmax 0 9Smin 2Pltol Ymin Wmax 2Ef 2Pltol Where Tc Chip抯thickness Ef edgesolderfilletlength E Emax Dmax 0 2mm PCBtol Gltol TotalGlueprocesstolerances Wf Waveshadowfactor m crelated Emin Glds 2Gltol Glds Gluedotsize diameter 焊盘的计算例子 矩形片 波峰焊工艺 120 SolderLand Solderresist X SufficientclearanceX Photo definedprocess 0 15mm Screen printprocess 0 4mm Y Min Y Photo defined0 2mm Screen print0 3mm MinimumX 和您的基板供应商共同制定可行标准 阻焊绿油范围的设计 121 Y X A B A X 0 05mm B Y 0 05mm Solderresistpattern Rptolincludesregistrationanddimensional tolerances Suppliercapabilitydependent 绿油范围的计算例子 矩形片 122 元件占地的考虑之一 阴影效应 波峰焊接 红外线焊接 和炉子的设计和能力有关 123 F G Reflow Wave F Chip抯length 2Pltol IRA F X 0 5 0 7mm orIRA G Chip抯width thickness 2Pltol G Chip抯width 2Pltol IRA orX IRA orY IRA X Y orY IRA IRA Inspection Reworkallowances 元件占地的计算例子 矩形片 124 S L W X D Y Xmin Lmax WfTc 2Pltol Dmax Smin 2Pltol Ymin Wmax 2Pltol Where Tc Chip抯thickness Emax D 0 2mm 2Pltol Gltol TotalGlueprocesstolerances E Emin Glds 2Gltol Glds Gluedotsize diameter Wf Waveshadowfactor m crelated 焊盘的计算例子 电解质电容 125 胶点数目和位置的设计例子 X X Y adhesivedot keep outzone Via 126 0 75 2mm 1 3mm 5 8mm 0 4mm QFP盗锡焊盘设计 PCBflowdirection 1mm 2mm 5mm 0 4mm 1mm 3mm 7mm 0 4mm 短引脚 长引脚 经验的累积 127 基板元件布局的一些做法 128 拼板设计 方便处理较小的线路板 较好的使用材料空间 制造成本较低 改变线路板的外形和外形比 双回流中的生产平衡设计 提高生产效率 较常的贴片周期 采用拼板的原因 129 协助生产或工艺管理的设计 运送或焊接方向指示 光学方位检查 130 元件方位和焊接传送方向的关系 传送方向 较好的方位 应力较大 131 减少曲翘程度的设计 不平均的金属分布 增添金属丝线分布 132 Plated ThroughVia BlindVia BuriedVia 通接孔 较优良的尺寸比 埋孔 可兼用做探测和返修孔 通孔 最好有充填或覆盖 可兼用做探测和返修孔 盲孔 最好有充填或覆盖 较优良的尺寸比 133 通接孔的损坏现象 Barrelfracturenearthecenter Shoulderfracture bendingstressduetolandrotationasaresultoflargeZ directionexpansion bytensilestressinbarrel 134 孔的大小和外形尺寸比 最小0 5mm 因微型化造成直径不断的缩小 发展更多层板使板的厚度增加 在外形尺寸比 3的情况下 难以有良好的金属电镀效果 135 孔的大小和外形尺寸比 大孔径 小尺寸比 小孔径 大尺寸比 能有良好的电镀结果 难有良好的电镀结果 电流密度不均 电解质流动不良 136 通接孔的设计 Viaholesflushagainstsolderland viaunderneath Viahole