可制造性设计

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,+125,365,1460,365,365,20,60,100,185,100,265,8760,365,40,300,1000,3,5,720,20,10,530,10,10,5,1,0.1,0.01,0.001,0.1,0.1,0.01,0.001,0.1,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：PLCC20PLCC84，,SO8SO28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75100um。,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1530um。,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=0.651.0mm,B/A=0.030.046,OR,Bis35%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80100um左右。,工艺控制，波峰焊约0.20.3mm。,回流非微间距100um。,回流微间距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,150200,1216,1317,1520,4.4,0.5,Cu-Invar-Cu,5.8,FR-4+Kevlar181,5.36.0,Aluminaceramics,6.06.5,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=0.250.4mm,for34traces,Tracewidth=0.350.6mm,for12traces,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,0.3mmTSMDthickness/2,Pltol0.5mm,narrowtrackwithsoldermask,不良的设计,优良的设计,137,3.5mm,Via,Via,通接孔的设计,波峰焊接送板方向,排列的元件引脚,通孔必须,覆盖绿油,通孔必须,覆盖绿油,足够的距离,应尽量避免元件下开通孔！,138,元件下的通接孔必须给予覆盖或充填,残留助焊剂,残留助焊剂,波峰被阻挡,助焊剂,助焊剂,小的元件和板间距离使清洗困难！,139,探测点考虑,优良设计,可以接受,不良设计,占地较多,可能有工艺问题,不可靠的测试,元件损坏,140,0.4mmMin.,1.01.5mm,typical*,Testland,Soldermask,TESTLANDRECOMMENDATIO