如何通过工艺设计提高电子产品的质量与可靠性ppt课件

欢迎参加,如何通过工艺设计提高电子产品的质量与可靠性,1,目录,电子产品的工艺设计概述电子产品的工艺过程PCB布局、布线设计影响SMT焊接质量的主要问题点电子工艺技术平台建立,2,第一章电子产品工艺设计概述,1.1可制造性设计（DFM）概念可靠性高的产品设计可靠性高的元器件与零配件优良的工艺设计与工艺技术DFM:主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把制造系统用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。,3,FDM设计的重要性,设计缺陷流到后工序，其解决费用会成百倍的增加，再好的工艺流程和设备也弥补不了设计缺陷，众所周知，设计阶段决定了一个产品80%的制造成本，同样，许多质量特性也是在设计时就固定下来，因此在设计过程中考虑制造因素是很重要的。DFM主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中，以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化，使之更规范，以便降低成本，缩短生产时间，提高产品可制造性和工作效率。它的核心是在不影响产品功能的前提下，从产品的初步规划到产品的投入生产的整个设计过程进行参与，使之标准化、简单化，让设计利于生产及使用。减少整个产品的制造成本（特别是元器件和加工工艺方面）。减化工艺流程，选择高通过率的工艺，标准元器件，选择减少模具及工具的复杂性及其成本。DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。,4,品质与可制造性来自设计,良好的品质管理理念、全面的品质管理知识、有效的品质管理系统和制度,5,电子产品质量与可靠性工程来自于,通过优良的物料选型与高质量与可靠性的物料采购来保证构成产品的物料的基本质量与可靠性产品一旦选用了某物料，其质量、成本、可采购性基本上都已确定，后期物料选型影响重大。确定物料的规格，识别不同厂家的物料优劣，认证物料厂家，监控物料厂家的质量波动通过正确合理的设计方法保证物料应用可靠性与产品综合性能可靠性合理优良的产品原理、结构、各种性能指标设计及可制造性设计可靠性设计指标：用有效的散热方法使稳升降到最低。尽可能少使用高敏感性元件。使用可靠度高或有质量保证的元件。指定采用屏蔽性好或内嵌的测试方法。用最少的元件设计出最简单的电路。在元件级采用余技术。优良合理的工艺设计，批量性，重复性，稳定性，可操作性设计,6,电子产品发展趋势,功能越来越小元件与尺寸越来越小！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！,7,技术整合的必要性,产品的品质问题是多方面因素复合作用的结果立碑的成因：韩盘设计-焊盘长和宽SMD尺寸-SMD尺寸散热面积-PCB散热不均匀锡膏的使用-锡膏印刷不良锡膏的品质-锡膏的品质可焊性-焊接面氧化贴片精度-贴片偏位回流焊的温度设置-回流曲线所谓技术整合，即综合运用相关知识，通过选择、提炼产品设计与制造技术，进而将这些设计与技术整合成为合理的产品制造方案与有效的制造流程的系统化过程与方法。技术整合是过程、是方法。技术整合使技术创新，走向大规模制造。,8,产品设计要素,DFV价格设计(designforValue)DFR可靠性设计(DesignforReliability)DFM可制造性设计(DesignforManufacturability)DFA可装配性设计(DesignforAssembly)DFT可测试性设计(DesignforTestability)DFS可维护性设计(DesignforServicability)不同的产品有不同的考虑重点,9,优良制造性的标准,产品的可制造性高的生产效率产品的高稳定性生产线可接受的缺陷率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,10,THT与SMT工艺,THT技术SMT技术需在PCB上打孔采用回流焊接工艺通过波峰焊接工艺元件直接焊接在PCB表面不须在PCB上打孔,11,第2章电子产品工艺过程,SMT的工艺生产线锡膏印刷工艺常用SMT组装工艺中的第一个，也是最难控制的一个工艺程序,12,常用的组装方式,双面SMT+THTPCB板生产来料检验自动上板锡膏印刷高速贴片回流焊接炉后目检自动翻版锡膏印刷AOI检测高速贴片泛用贴片炉前目检回流焊接AOI检测自动或手动插件插件检测装夹具波峰焊接取夹具焊接检验手动焊接ICT测试功能测试,13,锡膏涂布方法,印刷工艺注射工艺印刷工艺是主流，点胶不适合批量生产,14,锡膏印刷工艺,15,SMT点胶工艺,点胶工艺的用途波峰焊的SMD器件双面回流焊的大重量点胶工艺对PCB的要求若PCB设计时不在点胶位置设置假焊盘或走线，对standoff较大的元件，可能造成掉件,16,SMT贴片工艺,基板送入基板定位坏板维修拾取元件元件供料元件定位贴片机基本结构：贴片基板处理系统、传送基板、基板定位贴片头、真空拾/放元件送板供料系统元件对中系统,17,SMT回流焊接工艺,回流焊接技术要点：找出最佳的温度曲线一个好的回流曲线应该是对所要焊接的PCB板上的各种表面贴装元件都能够达到良好的焊接，且焊点不仅具有良好的外观品质而且有良好的内在品质的温度曲线。温度曲线处于良好的受控状态回流焊接温度曲线分为：预热区、恒温区、升温区、焊接区、冷却区预热区：时间100240S，温度145度恒温区：时间60120S，温度175度焊接区：时间6090S，温度235245度最大升温斜率小于2.5度/秒最大降温斜率小于2.5度/秒,18,波峰焊接工艺,波峰焊接工艺流程：进板助焊剂预热焊接冷却/出板波峰焊接的问题：元件需能承受瞬时热冲击（最高温超过240度）组装密度较低，细间距易出现连锡SMD器件易出现阴影效应QFP、BGA等器件不适合于波峰焊接防止阴影效应的措施：合适的焊盘尺寸；比回流焊盘长合适的元件间距；大于器件高度,19,第三章PCB布局、布线设计,基板设计基准点、定位孔、标记元件布局元件大小、方向、间距、参数特性通孔可测试性可生产性基板设计从设备对基板的处理开始考虑自动传送带所需的留空宽度（5mm）基板在设备中的定位方式定位孔的位置、形状和尺寸目的：保证设计出的产品在自动处理过程中不会有对质量和效率不利的现象,20,PCB板的可靠性设计,铜箔厚度0.0007英寸/0.01778mm0.0014英寸/0.03556mm0.0028英寸/0.07112mm铜镀铜镀主要用于成品印制板的最外层，主要目的是对印钻孔孔壁电镀，电镀的平均厚度是0.0014英寸（0.0356mm范围从0.00120.0014英寸（0.03040.0356mm）导线导线需要规定的属性是宽度和厚度，导线载流量是宽度为0.010英寸（0.0254mm）（厚度为1.5盎司）的外部导线可承载1A宽度为0.040英寸（厚度为0.5盎司）的内部导线可承载1A,21,元件选择的考虑因素,1、元件的电气性能。2、使用条件下的可靠性。3、适合于所采用的组装工艺。4、标准件（低成本、普遍供应）。5、有利于高的生产效率大规模的生产。6、考虑各标准间的差异、不同的公司、不同的型号、不同尺寸封装之间的差异。7、尽量选用SMD元件，提高制造效率。8、尽量选用标准件、种类尽可能的少，提高制造效率。9、避免同时选用很大和很小的SMD器件（如6032与0402）降低制造成本。10、包装优选带式。11、线绕电感等SMD器件，standoff较大时需做假焊盘。12、元件封装需能承受相应焊接工艺的高温。13、考虑到工艺能力不足时应谨慎使用小于0.4mm的SOP/QFP。14、SOJ/PLCC不便于检测和返修，慎用。15、0.5mm以下BGA国内PCB厂加工能力不足，慎用。16、优先选择0.4mm以上的SOP/QFP或者0.8mm以上的BGA,22,PCB-layout的规范,元件布局需要考虑的因数：元件的物理特性元件的空间分配直接影响产品的质量与可靠性元件的电气特性元件的装配需求生产工艺的需求直接影响产品的生产效率测试需求维修需求,23,PCB-layout的规范,封装：1.使用统一的标准库。2.新封装需按规格书新建，审核后入库。3.有问题的封装，考虑贴片厂建议，修改审核后更新封装库。元件摆放：1.优先在同一面放贴片插件。其次双面贴，单面插件。严禁双面贴片，双面插件。2.插件之间保持一定的间距方便手工操作。3.晶振与贴片元件间距1mm以上。4.贴片件离板边至少2mm的间距，防止撞件。5.共模电感等易坏元件与周边元件间距3mm以上，方便烙铁维修6.背面焊盘面积加大20%。背面元件之间间距1mm以上。背面贴片与插件脚间距5mm.7.尽量做到同类封装元件方位一样.8.相同功能的线路集中在一起并丝引方框。9.所有元件编号的丝引方向相同,24,PCB-layout的规范,元件摆放方向：1.IC类等元件摆放方向应与波峰焊接时板传送方向一致2.焊接PCB板时产生的曲翘，对不同布局方向的元件会产生不同的应力丝印：1.IC有明显1PIN标识，保证元件焊上后不被覆盖。2.插座的管脚间距2.0mm，加白油隔开。3.加32.5*8.5mm流水号丝印框。其他1.小板须拼板。2.BGA及四面有管脚的IC在对角加光学定位点。,25,PCB-layout的规范,元件布局拼板1.提高生产制造效率2.提高设备对小基板的处理能力3.提高设备对异型板的处理能力通孔通孔通孔失效是影响产品寿命的主要因素之一，常见的有通孔镀层拐角处断裂和基板制造时孔镀工艺控制不良，造成孔壁与内层断裂良好的设计可解决大部分通孔失效通孔贯穿过孔最常用孔径大于10mil埋孔/盲孔会大量采用国内PCB厂较成熟的工艺：H/D8Diameter0.25mm,26,PCB-layout的规范,片式元件的焊盘设计1.焊盘长度为B=b1+T+b2;式中b1的取值范围为0.050.3mm，b2的取值范围为0.251.3mm2.焊盘间距G应适当小于元件两端焊头之间的距离，焊盘外侧距离D=L+2b2.其中L是元件的长度，b1是内侧焊点，b2是外侧焊点。注意：对于0603的片式元件为了防止焊接过程产生“立碑”等焊接缺陷，使用矩形焊盘（又称为H形焊盘），在SMT中柱状无源元器件的焊盘图形设计与焊接工艺密切相关，当采用贴片波峰焊时，其焊盘图形可参照片状元件的焊盘设计原则来设计；当采用再流焊时，为了防止柱状元器件的滚动，焊盘上必须开一个缺口，以利于元器件的定位。计算公式：焊盘间距A=L最大-2T最大-0.254焊盘长度B=d最大+T最小+0.254焊盘宽度C=d最大-0.254焊盘长度轴中心孔长D=B-（2B+A-L最大）/2焊盘长度轴中心孔宽E=0.2mm其中L是元件长度，d是元件直径，T是元件两端电极的长度。,27,PCB-layout的规范,小外形封装晶体管（SOT）焊盘的设计的：焊盘间的中心距与器件引线间的中心距相等；焊盘的图形与器件引线的焊接面相似，但在长度方向上应扩展0.3mm，在宽度方向上应减少0.2mm；若是用于波峰焊，则长度方向及宽度方向均应扩展0.3mmPLCC和LCCC焊盘的设计通常PLCC引脚在焊接后也有两个焊接点，外侧焊点（主焊点）与内侧焊点（次焊点），PLCC器件的引脚间距通常为1.27mm(50mil),故焊盘的宽度为0.63mm(25mil),长度为2.03mm(80mil),PLCC引脚在焊盘上的位置有引脚居中型，这种设计的焊盘的宽度为0.63mm(25mil),长度为2.03mm(80mil),只要计算出器件引脚落地中央尺寸就可以方便地设计出焊盘内外侧的尺寸。引脚不居中型，PLCC引脚与焊盘的相切点在焊盘的内1/3处，焊盘的宽度仍为0.63mm(25mil),28,PCB-layout的规范,QFP焊盘的设计QFP焊盘长度和引脚长度的最佳比为L2：L1=（2.53）：1，或者L2=F+L1+A（F为端部长0.4mm；A为趾部长0.6mm;L1为器件引脚长度；L2为焊盘长度）。焊盘宽度通常取：0.49Pb20.54P(P为引脚公称尺寸；b2为焊盘宽度)。元件间距1.与可制造性的关系:元件间距大于前面元件高度可避免阴影效应2.与可测试性的关系:要求测试点间距大于50mil,测试点与焊盘间距大于12mil3.与检测的关系:S=T12T1whereT1T2S=T22T2whereT1T2S是元件间距,T1是元件1的高度,T2是元件2的高度4.测试点尽量采用专用测试焊盘,避免采用元件焊盘及元件引脚作为测试点,密度较高时可用过孔兼测试点及双面测试,29,PCB-layout的规范,PCB板边1、普通的CHIP、IC等元件引脚布局必须离板边5mm以上。2、靠近板边的引线必须加宽3、电源引线避免设计到板边，防止摩擦短路。4、当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴的状，这样设计的好处是焊盘不容易起皮，并且是走线与焊盘不易断开5、铜箔与板边最小距离为0.5MM,元件与板边最小距离为5.0MM,焊盘与板边最小距离为4.0MM。PCB工艺边,30,PCB-layout的规范,一般PCB过板方向定义：PCB在SMT生产方向为短边过回流炉（reflow)，PCB长边为SMT输送带夹持边。PCB在DIP生产方向为I/Oport朝前过波峰焊炉(wavesolder)，PCB与I/O垂直的两边为DIP输送带夹持边。金手指过板方向定义：SMT：金手指边与SMT输送带夹持边垂直。DIP：金手指边与DIP输送带夹持边一致。,31,第四章影响SMT焊接质量的主要问题点,锡膏量的要求考虑以下因素：焊盘尺寸焊点质量标准器件焊端大小器件焊端与焊盘的接触面积器件引脚的共面性,32,锡膏使用注意事项,无铅锡膏成分：Sn96.55%Ag3.0%Cu0.5%锡膏通常规定出厂后保存时间规定36个月密封低温保存，其通常保存在37度的冷柜中。取用规定：先进先出，并且在取用时注明取出时间和日期取出使用时在常温下回温4小时，防止锡膏吸潮在锡膏印刷前搅拌4分钟印刷使用剩余锡膏必须密封保存，但是不得超过24小时锡膏印刷工序，当产线停止生产超过30分钟以上时，必须回收密封保存锡膏，,33,SMT车间管理规定,SMT车间规定的温度为232;湿度为RH60%SMT元件的存放周期一般在三个月内.对有防潮要求的SMD元件，开封后72h内必须用完，如不能用完，应存放在RH20%的干燥箱内，已受潮的SMD元件按规定进行去潮烘干处理。PCB真空包裝的目的是防塵及防潮。,34,钢网厚度的选择,钢网厚度的选择原则：开口宽度和钢网厚度的比例要合适，且要有合适的开口面积与孔壁面积之比，以便于印刷过程中锡膏的释放。常见的钢网厚度标准有:0.1mm0.12mm0.15mm0.18mm0.2mm0.25mm钢网厚度的选择依据是PIN间距通常情况下，印刷钢网厚度的选择以PCB中IC最小的pitch值为依据，钢网厚度与最小pitch的关系如下要注意的是，器件管脚间距越小，钢网加工和印刷工艺的难度就越大。一般来讲，0.4mm间距的IC开口是激光加工的极限，且质量较难控制。0.3mm间距IC的开口就只能用电铸法加工了（但是成本很高）SMT一般鋼板開孔要比PCBPAD小4um可以防止錫球不良之現象,35,锡膏印刷不良汇总,由焊锡膏印刷不良导致的品质问题常见有以下几种:、焊锡膏不足(局部缺少甚至整体缺少)将导致焊接后元器件焊点锡量不足元器件开路、元器件偏位、元器件竖立.、焊锡膏粘连将导致焊接后电路短接、元器件偏位.、焊锡膏印刷整体偏位将导致整板元器件焊接不良,如少锡、开路、偏位竖件、锡珠等.、焊锡膏拉尖易引起焊接后短路.、印刷过厚导致焊接连锡、锡厚,36,导致焊锡膏不足的主要因素,印刷机工作时,没有及时补充添加焊锡膏.焊锡膏品质异常,其中混有硬块等异物.以前未用完的焊锡膏已经过期,被二次使用.电路板质量问题,焊盘上有不显眼的覆盖物,例如被印到焊盘上的阻焊剂(绿油).电路板在印刷机内的固定夹持松动.焊锡膏漏印网板薄厚不均匀.焊锡膏漏印网板或电路板上有污染物(如PCB包装物、网板擦拭纸、环境空气中漂浮的异物等).焊锡膏刮刀损坏、网板损坏.焊锡膏刮刀的压力、角度、速度以及脱模速度等设备参数设置不合适.焊锡膏印刷完成后,因为人为因素不慎被碰掉.,37,导致焊锡膏粘连及偏位的主要因素,导致焊锡膏粘连的主要因素电路板的设计缺陷,焊盘间距过小.网板问题,镂孔位置不正.网板未擦拭洁净.网板问题使焊锡膏脱落不良.焊锡膏性能不良,粘度、坍塌不合格.电路板在印刷机内的固定夹持松动.焊锡膏刮刀的压力、角度、速度以及脱模速度等设备参数设置不合适.焊锡膏印刷完成后,因为人为因素被挤压粘连.导致焊锡膏印刷整体偏位的主要因素电路板上的定位基准点不清晰.电路板上的定位基准点与网板的基准点没有对正.电路板在印刷机内的固定夹持松动.定位顶针不到位.印刷机的光学定位系统故障.焊锡膏漏印网板开孔与电路板的设计文件不符合.,38,印刷焊锡膏拉尖,导致印刷焊锡膏拉尖的主要因素焊锡膏粘度等性能参数有问题.电路板与漏印网板分离时的脱模参数设定有问题,漏印网板镂孔的孔壁有毛刺.,39,SMT贴片质量分析,SMT贴片常见的品质问题有漏件、侧件、翻件、偏位、损件等.导致贴片漏件的主要因素1、元器件供料架(feeder)送料不到位.2、元件吸嘴的气路堵塞、吸嘴损坏、吸嘴高度不正确.3、设备的真空气路故障,发生堵塞.4、电路板进货不良,产生变形.5、电路板的焊盘上没有焊锡膏或焊锡膏过少.6、元器件质量问题,同一品种的厚度不一致.7、贴片机调用程序有错漏,或者编程时对元器件厚度参数的选择有误.8、人为因素不慎碰掉.导致SMC电阻器贴片时翻件、侧件的主要因素1、元器件供料架(feeder)送料异常.2、贴装头的吸嘴高度不对.3、贴装头抓料的高度不对.4、元件编带的装料孔尺寸过大,元件因振动翻转.5、散料放入编带时的方向弄反.,40,SMT贴片质量分析,导致元器件贴片偏位的主要因素1、贴片机编程时,元器件的X-Y轴坐标不正确.2、贴片吸嘴原因,使吸料不稳.导致元器件贴片时损坏的主要因素1、定位顶针过高,使电路板的位置过高,元器件在贴装时被挤压.2、贴片机编程时,元器件的Z轴坐标不正确.3、贴装头的吸嘴弹簧被卡死.,41,影响再流焊品质的因素,焊锡膏的影响因素焊锡膏合金粉末的颗粒形状与窄间距器件的焊接质量有关,焊锡膏的粘度与成分也必须选用适当.另外,焊锡膏一般冷藏储存,取用时待恢复到室温后,才能开盖,要特别注意避免因温差使焊锡膏混入水汽,需要时用搅拌机搅匀焊锡膏.焊接设备的影响有时,再流焊设备的传送带震动过大也是影响焊接质量的因素之一.再流焊工艺的影响、冷焊通常是再流焊温度偏低或再流区的时间不足.、锡珠预热区温度爬升速度过快(一般要求,温度上升的斜率小于3度每秒).、连锡电路板或元器件受潮,含水分过多易引起锡爆产生连锡.、裂纹一般是降温区温度下降过快(一般有铅焊接的温度下降斜率小于4度每秒).,42,SMT焊接质量缺陷立碑,立碑现象再流焊中,片式元器件常出现立起的现象,产生的原因:立碑现象发生的根本原因是元件两边的润湿力不平衡,因而元件两端的力矩也不平衡,从而导致立碑现象的发生.下列情况均会导致再流焊时元件两边的湿润力不平衡:1、焊盘设计与布局不合理.如果焊盘设计与布局有以下缺陷,将会引起元件两边的湿润力不平衡.1.1、元件的两边焊盘之一与地线相连接或有一侧焊盘面积过大,焊盘两端热容量不均匀1.2、PCB表面各处的温差过大以致元件焊盘两边吸热不均匀;1.3、大型器件QFP、BGA、散热器周围的小型片式元件焊盘两端会出现温度不均匀.解决办法:改变焊盘设计与布局.1.2、焊锡膏与焊锡膏印刷存在问题.焊锡膏的活性不高或元件的可焊性差,焊锡膏熔化后,表面张力不一样,将引起焊盘湿润力不平衡.两焊盘的焊锡膏印刷量不均匀,多的一边会因焊锡膏吸热量增多,融化时间滞后,以致湿润力不平衡.解决办法:选用活性较高的焊锡膏,改善焊锡膏印刷参数,特别是模板的窗口尺寸.1.3、贴片移位Z轴方向受力不均匀,会导致元件浸入到焊锡膏中的深度不均匀,熔化时会因时间差而导致两边的湿润力不平衡.如果元件贴片移位会直接导致立碑.解决办法:调节贴片机工艺参数.1.4、炉温曲线不正确如果再流焊炉炉体过短和温区太少就会造成对PCB加热的工作曲线不正确,以致板面上湿差过大,从而造成湿润力不平衡.解决办法:根据每种不同产品调节好适当的温度曲线.,43,SMT焊接质量缺陷锡珠,锡珠是再流焊中常见的缺陷之一,它不仅影响外观而且会引起桥接.锡珠可分为两类,一类出现在片式元器件一侧,常为一个独立的大球状;另一类出现在IC引脚四周,呈分散的小珠状.产生锡珠的原因很多,现分析如下:1、温度曲线不正确再流焊曲线可以分为4个区段,分别是预热、保温、再流和冷却.预热、保温的目的是为了使PCB表面温度在6090s内升到150,并保温约90s,这不仅可以降低PCB及元件的热冲击,更主要是确保焊锡膏的溶剂能部分挥发,避免再流焊时因溶剂太多引起飞溅,造成焊锡膏冲出焊盘而形成锡珠.解决办法:注意升温速率,并采取适中的预热,使之有一个很好的平台使溶剂大部分挥发.2、焊锡膏的质量2.1、焊锡膏中金属含量通常在(900.5),金属含量过