孫亞芬，安 平

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043)

基于DFM的PCB協(xié)同設(shè)計

孫亞芬，安 平

(西安北方光電科技防務(wù)有限公司，陜西 西安 710043)

通過對傳統(tǒng)PCB設(shè)計缺陷的研究，提出了基于DFM的PCB協(xié)同設(shè)計思路，明確了各階段的職責(zé)，使協(xié)同理念貫穿于整個生產(chǎn)活動中，從而最大限度地降低了早期設(shè)計環(huán)節(jié)中的各類設(shè)計缺陷，并以表面組裝工藝中導(dǎo)通孔與焊盤間距實例進行了分析、驗證。該設(shè)計方法具有良好的前瞻性及有效性，在提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量、取得良好效果的同時，為后期的可制造性與可生產(chǎn)性提供了強有力保障，也為所有類似設(shè)計提供了高質(zhì)量借鑒經(jīng)驗，具有很高的推廣應(yīng)用價值。

PCB設(shè)計；DFM；協(xié)同設(shè)計；表面組裝工藝

由于早期的手工焊接對印制電路板(Printed Circuit Board，PCB)的設(shè)計要求不高，因此在傳統(tǒng)的PCB設(shè)計中，只要保證電路板上的電氣連通性能，遵循導(dǎo)線的各項設(shè)計原則(如倒角規(guī)則、電源線地線設(shè)計原則和屏蔽原則等)，就可以滿足手工組裝和焊接的要求。

隨著電子元器件封裝技術(shù)、電子產(chǎn)品組裝高密度、高可靠性、微型化、低成本及生產(chǎn)自動化需求的迅速發(fā)展，表面組裝技術(shù)/工藝(Surface Mount Technology，SMT)因其具有組裝密度高、可靠性高、焊點缺陷率低、易于實現(xiàn)自動化和生產(chǎn)效率高等優(yōu)點，已逐漸成為一種流行的電子組裝技術(shù)和工藝。由于SMT的應(yīng)用主要是通過各類SMT的設(shè)備來實現(xiàn)，傳統(tǒng)的PCB設(shè)計思路已不能滿足表面組裝高可靠性的要求，一種新型的PCB設(shè)計思路——可制造性設(shè)計(Design for Manufacturing，DFM)[1]應(yīng)運而生。

1 DFM和協(xié)同介紹

1.1 DFM定義及特點

DFM是將產(chǎn)品的工程要求與全球制造能力相匹配，以實現(xiàn)成本最低，產(chǎn)量最高，并加快產(chǎn)品面市時間的設(shè)計實踐和流程。它是保證PCB設(shè)計質(zhì)量最有效的方法。DFM在產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計時，就要考慮其可制造性、生產(chǎn)工藝性和可測試性，使設(shè)計、制造和生產(chǎn)工藝之間緊密聯(lián)系，從而實現(xiàn)從設(shè)計、制造到生產(chǎn)工藝一次成功。

DFM具有開發(fā)周期短、成本低和產(chǎn)品質(zhì)量高等優(yōu)點，在整個設(shè)計中非常重要。根據(jù)HP公司的DFM統(tǒng)計結(jié)果，產(chǎn)品總成本的60%取決于產(chǎn)品的最初設(shè)計，75%的制造成本取決于設(shè)計說明和設(shè)計規(guī)范，70%～80%的生產(chǎn)缺陷是由于設(shè)計原因造成的。

1.2 協(xié)同定義及特點

協(xié)同定義是指協(xié)調(diào)2個或者2個以上的不同資源或者要素，協(xié)同一致地完成某一目標(biāo)的過程或能力。

協(xié)同現(xiàn)象存在于一切領(lǐng)域中，沒有協(xié)同，生產(chǎn)就不能發(fā)展，社會就不能前進。在一個系統(tǒng)內(nèi)，若各種子系統(tǒng)(要素)不能很好地協(xié)同，系統(tǒng)必然發(fā)揮不了整體性功能，最終導(dǎo)致瓦解；反之，各子系統(tǒng)就會大大超越原各自功能總和，實現(xiàn)統(tǒng)一的整體性。因此，協(xié)同設(shè)計過程中，各主體間的協(xié)同要素不是簡單地疊加，而是為了同一目標(biāo)各要素進行有機融合，從而實現(xiàn)各協(xié)作主體間各自能力的優(yōu)勢整合和互補，加速技術(shù)實現(xiàn)和推廣應(yīng)用。

2 傳統(tǒng)PCB設(shè)計

2.1 傳統(tǒng)PCB設(shè)計流程

傳統(tǒng)PCB設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)的PCB設(shè)計流程

首次設(shè)計時如果強調(diào)設(shè)計速度，只注重產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，不能全面地考慮制造及生產(chǎn)工藝要求，其結(jié)果往往是手工裝配時不存在任何問題，一旦成批量上線生產(chǎn)時，就會將設(shè)計中欠考慮的工藝問題暴露出來，成為制約產(chǎn)線直通率指標(biāo)的重要影響因素；同時，因各類設(shè)計缺陷造成的一次或多次手工返工，將明顯影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期、質(zhì)量及可靠性。

2.2 傳統(tǒng)PCB設(shè)計在SMT生產(chǎn)中的危害

在SMT生產(chǎn)中，組裝質(zhì)量與PCB設(shè)計有直接的、十分重要的關(guān)系。PCB設(shè)計是保證表面組裝質(zhì)量的首要條件之一，不良設(shè)計在SMT生產(chǎn)中的危害非常大，會給企業(yè)的生產(chǎn)活動帶來不同程度的損失。主要危害如下：1)造成大量焊接缺陷，增加修板和返修工作量，浪費工時，延誤工期；2)增加工藝流程，浪費材料和能源；3)返修可能會損壞元器件或印制板，甚至影響產(chǎn)品的可靠性；4)可制造性差，增加工藝難度，影響設(shè)備利用率，降低生產(chǎn)效率。

上述危害產(chǎn)生的原因是由于電子產(chǎn)品設(shè)計人員對SMT生產(chǎn)設(shè)備、制造工藝不熟悉，實踐經(jīng)驗不足，導(dǎo)致設(shè)計的產(chǎn)品可生產(chǎn)性差、工藝性差，影響產(chǎn)品的可靠性與生產(chǎn)效率；因此，無論設(shè)計人員、工藝人員還是制造人員，都必須對SMT印制電路板可制造性設(shè)計的重要性有足夠的認(rèn)識和重視，在產(chǎn)品設(shè)計階段就應(yīng)考慮其制造性和生產(chǎn)工藝性[2]。

3 協(xié)同設(shè)計

設(shè)計質(zhì)量不僅由電路設(shè)計的先進性和原理的可行性決定，同時也由SMC/SMD的選擇、PCB設(shè)計及板上布局、工藝流程的先后次序是否合理來決定[3]，即生產(chǎn)制造工藝就應(yīng)在設(shè)計初期融于設(shè)計人員的主導(dǎo)思想中，并落實于具體產(chǎn)品的設(shè)計實踐中。下述僅以某SMT組裝工藝的PCB設(shè)計為例，研究分析基于DFM的PCB協(xié)同設(shè)計實施步驟。

與傳統(tǒng)的PCB設(shè)計流程不同，引入?yún)f(xié)同理念的PCB設(shè)計，使得設(shè)計、工藝和生產(chǎn)各環(huán)節(jié)形成一個良好的閉環(huán)系統(tǒng)。其每個階段都有自身的主責(zé)和配合下道工序的義務(wù)?；贒FM的PCB協(xié)同設(shè)計按階段劃分為研發(fā)設(shè)計、工藝協(xié)同和組裝生產(chǎn)等3個階段。協(xié)同設(shè)計流程圖如圖2所示。

圖2 協(xié)同設(shè)計流程圖

3.1 研發(fā)設(shè)計

設(shè)計應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品特性及原理，確保PCB設(shè)計滿足產(chǎn)品的原理性電氣連通要求，并遵循一定的布板、排件規(guī)則，同時結(jié)合SMT工藝人員編制的PCB上線具體要求，完善PCB設(shè)計。PCB樣板由工藝人員進行工藝審查。

3.2 工藝協(xié)同

對設(shè)計人員提供的PCB設(shè)計樣板，工藝人員綜合考慮SMT工藝組裝，SMT生產(chǎn)線設(shè)備特點，以及PCB板的可生產(chǎn)性，對其進行工藝審查，以確定是否滿足上線生產(chǎn)需求。工藝協(xié)同主要內(nèi)容如下：1)確定PCB的尺寸和結(jié)構(gòu)形狀；2)滿足印制板的組裝形式及工藝流程設(shè)計；3)貼裝元器件SMC/SMD焊盤設(shè)計；4)布線設(shè)計；5)焊盤與印制導(dǎo)線連接的設(shè)置；6)導(dǎo)通孔設(shè)置原則，明確要求導(dǎo)通孔不能直接設(shè)置在焊盤上、焊盤延長部分或焊盤角上；7)根據(jù)SMT生產(chǎn)設(shè)備和工藝特點進行元器件整體布局及排列方向設(shè)計，根據(jù)不同的工藝需求進行不同的工藝布局設(shè)計。

3.3 組裝生產(chǎn)

PCB設(shè)計應(yīng)滿足SMT設(shè)備的要求。按照生產(chǎn)環(huán)節(jié)中各自職責(zé)的不同，設(shè)計人員主要負(fù)責(zé)PCB板內(nèi)的電氣連通性；工藝人員在確定PCB板內(nèi)內(nèi)容正確的前提下，再根據(jù)生產(chǎn)線設(shè)備需求，進行PCB外形和尺寸等設(shè)計，以滿足生產(chǎn)工藝需求。

3.3.1 PCB外形設(shè)計

外形設(shè)計應(yīng)根據(jù)PCB的組裝特性決定，應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)外形盡量簡單、規(guī)矩。印刷設(shè)備和貼片設(shè)備傳輸方式、印刷范圍和貼裝范圍決定了PCB外形和尺寸，采用導(dǎo)軌傳輸方式的PCB外形應(yīng)為直線，如為異形時，需設(shè)計工藝邊以滿足傳輸要求。另外，直線型工藝邊應(yīng)進行倒角處理，以防止上板過程中銳角損壞傳輸帶。

3.3.2 PCB尺寸設(shè)計

PCB尺寸由貼裝范圍決定。當(dāng)PCB尺寸小于最小貼裝尺寸時，應(yīng)采用拼板方式。拼板原則是各小板應(yīng)方向一致。

4 實例驗證

根據(jù)上述PCB設(shè)計流程，以某產(chǎn)品電子部件PCB設(shè)計為例進行說明。

4.1 最初設(shè)計

電子部件編號為R54的焊盤最初設(shè)計位置如圖3所示。該設(shè)計雖然保證了電子部件的電氣連通性能，手工焊接時也會因人工掌握焊料多少而忽略此類設(shè)計，但該電子部件的生產(chǎn)工藝改變時(即表面貼裝元件由手工焊接工藝更改為機器自動焊接工藝)，此類設(shè)計缺陷就暴露出來了，具體現(xiàn)象為電子部件經(jīng)再流焊接后，元件的焊端出現(xiàn)缺錫并歪斜。機器焊接后的實物效果如圖4所示。

圖3 R54的焊盤最初設(shè)計位置 圖4 機器焊接后效果

4.2 原因分析

電子部件經(jīng)SMT生產(chǎn)設(shè)備生產(chǎn)后，在AOI檢測環(huán)節(jié)提示元件R54的一端焊端存在少錫、偏移等缺陷。經(jīng)分析，少錫的根本原因是在再流焊過程中，由于元件焊盤和導(dǎo)通孔緊鄰，當(dāng)焊盤上焊料熔化時，熔融的焊料會有一部分潤濕導(dǎo)通孔，同時對元件產(chǎn)生一種拉偏的力，最終導(dǎo)致元件焊盤上的錫量過少且元件焊端出現(xiàn)歪斜現(xiàn)象。同時，查看由原PCB設(shè)計圖轉(zhuǎn)化的PCB制板圖(見圖5)，從制板圖中可以很明顯地驗證焊盤和導(dǎo)通孔直接相連這一點。

圖5 PCB制板圖

4.3 解決措施

根據(jù)實際生產(chǎn)效果，并結(jié)合GJB 3243—1998《電子元器件表面安裝要求》中5.2.5導(dǎo)通孔與焊盤的連接要求(見圖6)[4]：“導(dǎo)通孔與焊盤之間應(yīng)采用長度不小于0.635 mm的細(xì)導(dǎo)線連接；應(yīng)避免在距表面安裝焊盤0.635 mm以內(nèi)設(shè)置導(dǎo)通孔和盲孔”，同時引入?yún)f(xié)同設(shè)計理念，再按照SMT生產(chǎn)特點進行工藝協(xié)同改進后，將導(dǎo)通孔與元件焊端的間距增至0.75 mm，滿足國軍標(biāo)的要求；同時采用阻焊膜對該段導(dǎo)線進行覆蓋，徹底解決了因間距過小而導(dǎo)致的少錫缺陷存在。改進后的PCB設(shè)計如圖7所示。

圖6 導(dǎo)通孔與焊盤連接要求

圖7 工藝協(xié)同改進后的PCB設(shè)計

5 結(jié)語

本文提出了基于DFM的PCB協(xié)同設(shè)計理念，并明確了協(xié)同設(shè)計流程及各階段的責(zé)任。以某電子部件表面貼裝工藝(再流焊工藝)為例，說明了協(xié)同設(shè)計的重要性，既證明了該方法具有良好的可行性，也驗證了基于DFM的PCB協(xié)同設(shè)計可以切實消除傳統(tǒng)PCB設(shè)計過程中存在的設(shè)計缺陷，使PCB在后期的可制造性與可生產(chǎn)性方面具有時間短、可靠性高等優(yōu)點，從而為產(chǎn)品的整體可靠性提供設(shè)計和技術(shù)保障。該設(shè)計方法具有良好的應(yīng)用推廣及借鑒價值。

[1] 顧靄云.表面組裝技術(shù)(SMT)基礎(chǔ)與通用工藝[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2014.

[2] 何麗梅.SMT—表面組裝技術(shù)[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2008.

[3] 杜中一. SMT表面組裝技術(shù)[M]. 北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[4] GJB 3243—1998，電子元器件表面安裝要求[S].

責(zé)任編輯 鄭練

The Method of PCB Collaborative Design based on DFM

SUN Yafen, AN Ping

(North Electro-optic Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

The research of the traditional PCB design defect, and the thought of the PCB collaborative design based on DFM is proposed. Make sure that the responsibility of each phase can minimize all kinds of design defect early through the concept penetrating the production activities. Meanwhile, the validity of the method is proved prospective and effectiveness with an example of the distance between via holes and pads. The method has stronger application value and advantage over traditional methods in the aspect of manufacturability, producibility, and high-quality reference experience for all similar design.

PCB design, DFM, collaborative design, SMT

TB

B

孫亞芬(1971-)，女，高級工程師，主要從事導(dǎo)引頭制導(dǎo)技術(shù)及表面組裝技術(shù)等方面的研究。

2016-08-16