毛飄 雷欣 郭孟飛 袁昕

【摘 要】隨著當(dāng)今社會(huì)對(duì)航空類電子產(chǎn)品的需求不斷增長(zhǎng)，PCB設(shè)計(jì)也呈現(xiàn)出高密度、高復(fù)雜度的發(fā)展趨勢(shì)，與此同時(shí)，航空類電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝勢(shì)必面臨更大的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)前端通過(guò)DFM審查可以及時(shí)排查設(shè)計(jì)中的工藝不符合項(xiàng)并進(jìn)行更改，可以大大縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品交付率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。文章主要論述了DFM審查在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用，根據(jù)實(shí)際案例分析DFM審查對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量所起到的作用。

【關(guān)鍵詞】DFM;電子裝聯(lián);PCB;質(zhì)量控制

【中圖分類號(hào)】TP311.1 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2021）04-0079-03

1 概述

設(shè)計(jì)和制造是產(chǎn)品生命周期中最重要的兩個(gè)環(huán)節(jié)，隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)開(kāi)始大量選用高集成器件，同時(shí)PCB元件密度也逐步增加，傳統(tǒng)上設(shè)計(jì)和工藝是兩個(gè)獨(dú)立的環(huán)節(jié)，前期只關(guān)注設(shè)計(jì)速度及產(chǎn)品功能的實(shí)現(xiàn)，隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度逐漸增加，設(shè)計(jì)的可制造性問(wèn)題也變得更加復(fù)雜。由于前期設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)未考慮制造要求，因此在后期電裝過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)無(wú)MARK點(diǎn)、器件干涉、器件與焊盤不匹配、裝配困難、BGA維修空間不足等問(wèn)題，追求設(shè)計(jì)速度反而導(dǎo)致產(chǎn)品的交付日期延長(zhǎng)、成本增加、產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題及返修工作量增加等一系列問(wèn)題，無(wú)法滿足航空類產(chǎn)品高可靠性和高穩(wěn)定性的要求。

2 DFM技術(shù)簡(jiǎn)介

面向制造的設(shè)計(jì)（Design for Manufacturability，DFM），即在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就考慮制造的可能性、高效性和經(jīng)濟(jì)性，它為設(shè)計(jì)與工藝建立了溝通渠道，在設(shè)計(jì)與工藝的協(xié)同的情況下，可以更早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的可制造性問(wèn)題，能夠顯著地降低成本，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。1949年，Henry Ford發(fā)現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)未考慮可制造性和可裝配性，導(dǎo)致產(chǎn)品制造成本很高。應(yīng)用DFM技術(shù)后，大大降低了產(chǎn)品的成本，縮短了設(shè)計(jì)制造同期。20世紀(jì)90年代形成“DFM技術(shù)”的概念，DFM技術(shù)主要經(jīng)歷了經(jīng)驗(yàn)方法、定量評(píng)估方法、基于特征的DFM方法、人工智能DFM方法4個(gè)階段 [1]。

3 DFM軟件在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用

隨著電子行業(yè)的高速發(fā)展，PCB產(chǎn)品的生命周期越來(lái)越短，隨之而來(lái)的一些公司研發(fā)出了專門應(yīng)用于DFM審查的軟件。DFM審查軟件的出現(xiàn)提高了設(shè)計(jì)與工藝的溝通效率，同時(shí)使DFM審查的結(jié)果更加具象化，通過(guò)DFM軟件生成審查報(bào)告，更能全面清晰地對(duì)PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行分析及考量。本文的案例分析均使用望友公司研發(fā)的DFM審查軟件，該軟件包含PCB設(shè)計(jì)、CAD與Gerber數(shù)據(jù)輸入、BOM數(shù)據(jù)解析輸入管理、元器件3D實(shí)體模型庫(kù)管理、實(shí)用設(shè)計(jì)與制造工藝數(shù)字化規(guī)則靈活管理、PCB裸板設(shè)計(jì)缺陷分析、組裝制造與工藝數(shù)字仿真分析、測(cè)試裝配虛擬分析、評(píng)分、仿真結(jié)果輸出等系統(tǒng)模塊;通過(guò)運(yùn)用3D數(shù)字建模技術(shù)，打造百萬(wàn)容量的三維器件模型數(shù)據(jù)庫(kù)，并結(jié)合1 500多條行業(yè)和國(guó)際國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，設(shè)計(jì)人員在制造前進(jìn)行3D仿真分析評(píng)審，提前發(fā)現(xiàn)元器件組裝及焊接過(guò)程可能帶來(lái)的設(shè)計(jì)缺陷及工藝隱患問(wèn)題，以便及早平衡產(chǎn)品功能與制造要求，形成最優(yōu)化的基板設(shè)計(jì)及最佳制造工藝路線籌劃。

DFM分析軟件主要包含裸板分析、裝配分析，本文僅對(duì)裝配分析的應(yīng)用進(jìn)行闡述。DFM審查的前期準(zhǔn)備主要包含元件庫(kù)的建立、DFM審查規(guī)則的建立、BOM清單的獲取及ODB++文件的獲取。

3.1 元件庫(kù)的建立

元件庫(kù)為三維模型，通過(guò)查看元器件手冊(cè)，獲取元件的外形尺寸、規(guī)格型號(hào)、封裝類型及制造商等信息，利用DFM軟件建庫(kù)工具輸入元件信息，即可生成具帶有以上信息的三維元器件模型，圖1所示為一個(gè)QFN封裝器件的三維元件模型，元件庫(kù)的建立需要盡可能的精確，主要包含器件本體的尺寸（長(zhǎng)、寬、高），以及器件引腳的尺寸和跨距，同時(shí)在元器件建庫(kù)的時(shí)候就應(yīng)該考慮器件尺寸誤差的問(wèn)題，例如軸向通孔器件，查看器件手冊(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)器件本體直徑可能有最大值、最小值及均值，需要使用哪一個(gè)值進(jìn)行建模是需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題，同樣對(duì)于通孔器件引腳的建模也存在這樣的問(wèn)題。DFM審查中根據(jù)BOM清單匹配到元件庫(kù)中對(duì)應(yīng)的元件，即可直觀地查看元器件與設(shè)計(jì)焊盤的匹配情況。元件庫(kù)的建立是一個(gè)的累積的過(guò)程，在后續(xù)DFM審查應(yīng)用中需要不斷地對(duì)元件信息進(jìn)行完善與更正，保證DFM審查的效率與準(zhǔn)確性。QFN封裝器件的三維模型如圖1所示。

3.2 DFM審查規(guī)則的建立

在建立元件庫(kù)之后，需要將PCB文件中的ODB++文件導(dǎo)入DFM審查軟件，同時(shí)導(dǎo)入符合軟件BOM清單格式的BOM表格，獲取元件之后就可以將元件模擬安裝在PCB上，后續(xù)通過(guò)調(diào)用規(guī)則庫(kù)，對(duì)該P(yáng)CB設(shè)計(jì)進(jìn)行分析，不符合DFM審查規(guī)則的將作為問(wèn)題輸出形成報(bào)告。DFM審查規(guī)則對(duì)于審查的準(zhǔn)確性及可靠性至關(guān)重要，需要根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)及工藝技術(shù)現(xiàn)狀，建立合適的DFM審查規(guī)則庫(kù)，表1為電子裝聯(lián)中部分DFM審查內(nèi)容。

3.3 BOM清單的獲取

在DFM審查前期需要將設(shè)計(jì)的BOM清單整理成DFM軟件認(rèn)可的形式，主要的清單內(nèi)容有元器件位號(hào)、型號(hào)、數(shù)量等，也可以通過(guò)軟件設(shè)置適用于企業(yè)的BOM清單格式。讀入BOM清單的過(guò)程中，DFM軟件可以通過(guò)對(duì)比BOM清單及PCB文件，快速獲取位號(hào)、數(shù)量不一致的元器件，主要包括有焊盤無(wú)器件、有器件無(wú)焊盤兩種類型，有焊盤無(wú)器件位號(hào)為不裝焊器件位號(hào)，有器件無(wú)焊盤主要包括設(shè)計(jì)遺漏或者該器件無(wú)須設(shè)計(jì)與引腳相對(duì)應(yīng)的焊盤（如通過(guò)導(dǎo)線連接至印制板的器件），該類型問(wèn)題需和設(shè)計(jì)進(jìn)行確認(rèn)，若無(wú)焊盤的器件通過(guò)導(dǎo)線與印制板進(jìn)行連接，則該項(xiàng)問(wèn)題報(bào)告可忽略，否則需要輸出問(wèn)題報(bào)告。

3.4 ODB++文件的獲取

ODB++文件是由VALOR提出的一種雙向傳輸文件，文件包含所有PCB設(shè)計(jì)、制造和裝配方面的要求，是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式 [2]，它通過(guò)EDA設(shè)計(jì)工具中嵌入的ODB++數(shù)據(jù)生成器產(chǎn)生。在使用DFM軟件審查時(shí)，需先導(dǎo)入PCB相對(duì)應(yīng)的ODB++文件。

4 DFM審查工藝不符合項(xiàng)案例分析

DFM審查的目的是在產(chǎn)品投產(chǎn)前及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可制造性問(wèn)題，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期及提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，以下為使用望友公司研發(fā)的DFM審查軟件在進(jìn)行PCB的DFM審查時(shí)發(fā)現(xiàn)的部分工藝不符合項(xiàng)案例分析。

4.1 無(wú)MARK點(diǎn)

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，SMT器件逐漸成為PCB設(shè)計(jì)中的主要封裝器件，因此雙面回流焊接路線的PCB設(shè)計(jì)越來(lái)越多，對(duì)于這類PCB，SMT器件的焊接需要使用錫膏印刷機(jī)及貼片機(jī)，而目前市場(chǎng)上的錫膏印刷機(jī)及貼片機(jī)大多使用光學(xué)定位，定位點(diǎn)的存在可以使PCB能夠準(zhǔn)確地定位，從而保證每個(gè)貼片機(jī)能夠準(zhǔn)確地定位元器件，減少貼裝后器件偏盤的問(wèn)題，PCB設(shè)計(jì)需要至少提供1對(duì)不對(duì)稱的MARK點(diǎn)供設(shè)備進(jìn)行光學(xué)定位，同時(shí)MARK點(diǎn)的布置應(yīng)該考慮在PCB上機(jī)器之后不會(huì)被遮擋，例如貼片機(jī)夾持寬度為4 mm，而MARK點(diǎn)的布置在夾持邊之外，這個(gè)MARK點(diǎn)在實(shí)際貼裝中便無(wú)法用于光學(xué)定位，為無(wú)效的MARK點(diǎn)，沒(méi)有MARK點(diǎn)的PCB在電裝過(guò)程中，會(huì)增加定位工作量，降低印刷機(jī)與貼片機(jī)的工作效率，同時(shí)印刷精度與貼片精度也會(huì)受到影響。針對(duì)一些對(duì)貼裝精度要求更高的器件，例如BGA、LGA、DFP等重要器件，一般需要提供局部的MARK點(diǎn)。MARK的直徑范圍一般在0.1～0.3 mm，MARK點(diǎn)的周圍必須有無(wú)其他電路特征的空余范圍，范圍區(qū)間至少為該MARK半徑的2倍以上，這樣可以保證PCB上布置的MARK點(diǎn)能夠被設(shè)備識(shí)別。

4.2 BGA維修空間不足

目前，PCB設(shè)計(jì)呈高密集趨勢(shì)發(fā)展，元器件布局更加緊湊，在DFM審查中會(huì)發(fā)現(xiàn)BGA器件與外圍元器件距離不滿足生產(chǎn)要求（如圖2所示），生產(chǎn)要求BGA本體邊緣與外圍元器件至少保留2 mm的維修空間（維修空間根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品特點(diǎn)及工藝現(xiàn)狀進(jìn)行設(shè)置），而實(shí)際D8位號(hào)與C776位號(hào)器件外邊緣僅有1.6 mm，這種情況會(huì)給后續(xù)的返修工作增加難度及增加工作量，維修的時(shí)候需要使用小鋼網(wǎng)印刷錫膏，若維修空間過(guò)小，會(huì)導(dǎo)致小鋼網(wǎng)無(wú)法放置，此時(shí)就需要先去除BGA周邊的器件，等BGA維修好之后再對(duì)周邊器件進(jìn)行補(bǔ)焊。如果兩個(gè)BGA之間空間不足，BGA返修過(guò)程的加熱、降溫等操作會(huì)對(duì)周邊BGA焊點(diǎn)造成不同程度的影響，有可能在維修的過(guò)程中周邊的BGA形成缺陷焊點(diǎn)，導(dǎo)致重復(fù)交替的BGA進(jìn)行返修。

4.3 SOP器件引腳后端到焊盤距離不足

對(duì)于SOP封裝器件，IPC-7351標(biāo)準(zhǔn)中要求SOP器件的引腳后端到焊盤的距離應(yīng)該保持在0.25～0.45 mm [3]，而圖3中N6位號(hào)器件引腳后端到焊盤的距離為0 mm，導(dǎo)致在焊接時(shí)焊料沒(méi)有爬錫空間，不能滿足扁平鷗翼形引線根部最小填充的要求 [4]，形成缺陷焊點(diǎn)。

4.4 SMD器件引腳與焊盤跨距不一致

如圖4所示，SMD器件引腳內(nèi)跨距為1 mm，而焊盤設(shè)計(jì)內(nèi)跨距為1.5 mm，PCB設(shè)計(jì)的焊盤間距過(guò)大，元器件可焊端與焊盤不能完全匹配，焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生立碑、移位、虛焊等缺陷，降低產(chǎn)品一次性焊接合格率，增加回流焊后的維修工作。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要論述了DFM審查在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用，以及根據(jù)實(shí)際案例分析DFM審查對(duì)于提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用。目前，隨著航空類電子產(chǎn)品需求量的增加，研發(fā)設(shè)計(jì)到生產(chǎn)交付的流程也逐步加快，產(chǎn)品周期變短，若前期只關(guān)注研發(fā)設(shè)計(jì)速度，而未對(duì)設(shè)計(jì)的可制造性進(jìn)行把關(guān)，勢(shì)必大量的設(shè)計(jì)問(wèn)題會(huì)在產(chǎn)品初樣生產(chǎn)過(guò)程中暴露，此時(shí)再對(duì)設(shè)計(jì)資料進(jìn)行修改會(huì)延長(zhǎng)產(chǎn)品交付周期、增加生產(chǎn)成本，因此在產(chǎn)品投產(chǎn)之前進(jìn)行DFM審查是很有必要的。DFM審查建立了設(shè)計(jì)與工藝的溝通渠道，在產(chǎn)品投產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)的可制造性問(wèn)題，能夠縮短設(shè)計(jì)更改流程，同時(shí)提高電子產(chǎn)品的交付率及產(chǎn)品質(zhì)量。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]宋玉銀，蔡復(fù)之.DFM技術(shù)綜述[J].智能制造，1996（3）：6-8.

[2]陳正浩.電子裝聯(lián)可制造性設(shè)計(jì)[J].電子工藝技術(shù)，2006，

27（3）：177-180.

[3]IPC-7351，Generic Requirements forSurface Mount Design and Land Pattern Standard[S].

[4]IPC-610，電子組件可接受性[S].

[5]江平.DFM軟件的應(yīng)用性研究[J].電子工藝技術(shù)，2008，

29（6）：331-333.

[6]李曉麟.印制板電路組件裝焊工藝與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.