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贴片机资讯
SMT贴片机可制造性设计应用研讨会讲义
来源:廣州我司自動設備有限公司    日期:2011-01-26    浏览量:

  SMT可制造性设计应用研讨会讲义

  1.0可制造性设计概念

  不论是您公司从事的是什么作品,不论您的顾客是内部或是外部顾客,他们对您的要求都可说是一致的。他们的要求都离不了三方面。即优良或致少满意的品质、相对较低的成本(或价格)、和较短而及时的交货期。而身为一个作品的设计人员,您对以上的三个方面是绝对有影响和控制才能的。目前新一代的设计师,他们的职责已不是单纯的把作品的功能和性能设计出来所以简单,而是必须对以上所提到的三方面负责,并做出项献。

  为什么现今的管理对设计师在这方面的表现特别重视呢?主要是因为设计是整个作品寿命的第一站。在效益学的观点上来说,问题越是能够越早解决,其成本效益也就越高,问题对公司造成的损失也就越低,在电子生产管理上,曾有学者做出这样的预测,即在每一个主要工序上,其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上,例如设计问题如果在试制时才给予更正,其所需费用将会较在设计时解决高出超过10倍,而如果这设计问题没法在试制时解决,当它流到再下一个主要工序的批量生产时,其解决费用就可能高达100倍以上。此外,对于设计造成的问题,即便您厂内拥有最好的设备和工艺知识,也未必能够很完善的解决。所以基于以上的原因,把设计工作做好是门很重要的管理。所谓把设计做好,这里指的是包括作品功能、性能、可制造性和质量各方面。

  SMT是门复杂的科技。因此目前的设计师也面对许多方面的压力。身为一个STM作品设计师,他必须对很多方面如元件和组装寿命等等数十种科目具备绝对的知识。许多这方面的问题都是以往插件技术中不必加以考虑和照顾的,但如今却成了必备的知识。所以当今的设计师,他们应当具备的知识面,已不能像以往处理电子作品设计时的范围一样。而本讲座中谈到的DFM技术,也正是当今SMT设计师必备的知识之一。

  目前在工业界里,几乎没有人不谈‘品质'管理的。先进管理观念强调,品质不是制造出来,而应当是设计出来的。这观念有其重要的地方,是使用户从以往较被动的关注点(生产线上)移到较主动的关注点(设计上)。但说法不够完善。严格和具体来说,品质既不是生产来的,也不是单靠设计来的,而应当是配合来的。好的品质是通过良好的设计(配合工艺和生产才能的设计),优良的工艺调制,和生产线上的工艺管制而获得的。而这三者又是需有良好的品质管理理念、知识、系统和制度来确保的。

  要确保作品高而稳定的品质、高生产效率和低生产成本、以及准确的交货时间,咱们的生产线必需要有一套所谓的‘坚固工艺’(RobustProcess)。而坚固工艺是必须通过设计、工艺才能、和设备性能之间的完好配合才能实现的。所谓坚固工艺,是指其对外界各种影它表现的因素的灵敏度很低。也就是说,对这些因素的大调整,其整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内的变动。

  在咱们计划引进一条生产线时,咱们必须确保此生产线能处理咱们所要制造的作品范围。但当咱们有了生产线后,咱们则应当尽力使咱们的作品设计,能适用于此生产线上制造。这便是可制造性设计的基本理念。

  ‘坚固的工艺’是相对的,所以一套设计规范也是有其针对性的。它在某一生产环境下(设备、管理、材料、工艺才能、品质标准)可能是‘坚固’的,但在另一个环境下却可能变得不‘坚固’。因此,设计的好与不好,也是有它的特定性。用户必须理解和牢记这一点。

  作品寿命,是另一设计上应当注重的地方。因为作品在服务期内会受到各种不同的环境压力(如热调整、机械振动等等),作品的设计必须确保在这方面能经得起使用环境中会遇上的各种压力。另一个要照顾到的是制造方面,可制造性和寿命有什么关系?一个设计得非常难组装的作品,其对服务寿命的威胁一般也较大,而制造工艺上的小调整常常也会缩短其服务寿命。例如一个热处理做得不好的设计其制造过程中所受到的焊接热冲击会较大,因温差较大使焊点的可靠性也不简单得到保证。这就影响了此作品的寿命。

  作品寿命的设计考虑,始于对作品寿命的定义。设计人员应当定下和寿命有关的一切条件,如寿命期(多少年?)、允许的故障率、故障定义、维修保养政策、使用环境条件、验证技巧等等。再从使用环境条件的定义下设计作品的寿命考试技巧、选择元件材料、选择设计规范,并通过寿命考试来验证设计和开发工艺等等。

  影响寿命的因素很多,可分为主因素和次因素两大类。主因素如元件引脚种类、元件的大小、元件和基本的匹配等等,这些对寿命的影响较明显严重。次因素虽然单独的影响不是很明显严重,但几种次因素的作用加起来,其整体作用也能够是相当可观的。这方面的例子如焊点的形状、成品的保护涂层(conformalcoating)、基板的外形比等等。在影响作品寿命的种种因素之中,热处理的考虑应当算是SMT应用中最重要的一部分。因为在SMT应用上,许多和寿命有关的问题都是和热处理有关。它同时也是影响可制造性的重要因素,所以在热问题的考虑上,用户应当同时兼顾到制造工艺上和作品寿命上的问题。另外一个对热处理关注的原因,是绝大多数使用在电子作品上的,他们的性能都会随温度(即关系到热处理)而发生调整的,轻则性能不稳定,重则可能失效(暂时性)或甚至被损坏(永久性)。

  咱们理解到设计规范对咱们的作品寿命(即质量)、成本和交货期都有影响,那咱们该采用什么设计规范或标准呢?咱们能够发现,公开市场上有不少类似IPC等机构推荐的设计标准。他们之间都有差别,加上各大电子厂也都有自己本身的一套规范,标准可谓五花八门。他们之中那一个较好呢?为什么大电子厂采用如IPC这类世界有声望机构推荐呢?而咱们是否能够采用呢?起初咱们必须理解和认同的一点,是SMT工艺是门复杂的科技学问,在SMT应用工作中,常出现一个问题现象是由无数因素联合形成的这一现象。而有效的解决这些问题,有赖于咱们对整体的配合才能。这是所谓的技术整合。因为因素众多,也随时间在改变,所以要找到两家完全一样的工厂的机会是很微小的。既然设计规范优化情况下是必须配合工艺和设备才能等方面的,也就是说设计标准都有其范围,越是要优化适用范围就越小。所以如果要很好的使用设计来解决问题,一套适用于本身的规范标准是必须按本身持有的条件而开发的。


  作品开发,应当将它当成是整个技术整合的一部分,而不是单独的作品开发工作。把整个技术合成一起管理,才能真正做到最优化程度,才有可能朝向‘无缺陷’或‘零缺陷’方向发展。在作品开发的初期,设计小组应当将作品的品质和寿命要求定下,如果厂内开发多种作品,有需要时能够按他们之间的不同分成几个档次。各档次都有对应的设计规范和工艺、材料规范来配合。这些规范能够是以前开发验证过的经验,也能够是为了应付新需求而开发的新规范。如果是新规范,设计方面也必须确保能够给予配合,有需要是或是引进新设备,或是提升改进现有的设备。配合设计和工艺规范的设备再通过如TPM等的先进管理,来确保其稳定性的可靠性。同时在不断标定的设备才能工作中使设计规范稳定的标准化。在另一方面,材料的规范化也应当推出对应的供应商选择和管制系统。通过对供应商才能的要求和评估来确保对工艺和材料方面的配合。厂内的技术水平,因为直接决定厂内的工艺管制才能,也是个必须注意、检测和调整的方面。


  因为当今设计工作范围和职责的改变,以及为了应付日趋强烈的开发时间压力,标准化和资讯管理成了非常重要的管理工作。对设计软件的要求,也不像以往那样注重现有的数据库,而是较注重软件的更改和兼容才能。对于CAD和PDM等管理软件和数据方面的结合也进行越来越被重视了。目前作品的更改频繁,作品的市场寿命较短等现象,使得许多工厂误入歧途,过分的注重生产线的灵活性或柔性,而忽略了相等重要的稳定性。标准化的推行,能够在这两者之间获得一个很好的平衡。适当的标准化有许多成本、质量和效益上的优势,但太多或不当的标准对柔性和设计空间起了限制,所以用户必须培养才能来维持这两者的平衡。

  2.0工艺和设计的关系

  所谓SMT技术,指的是有关如何将基板、元件通过有效工艺材料和工艺组装起来,并确保有良好寿命的一门科技。这其中便有许多种不同的组装形式和对应的工艺做法。因为各种方式都有其优缺点和不同的工艺,设计师对这方面知识的吸收也就成了一件重要的工作。例如说单面全SMT元件回流焊接技术的组装板,便具有外形薄和组装工艺较简单的优势。但其组装密度还不是很高,以及不能采用插件可能是其应用限制。而目前最多被采用的双面混装技术,具有密度较高,能混合采用SMD和插件,能发挥质量和成本之间的平衡利益。但却含必须处理两道焊接程序的弱点。诸这样类的认识,设计师都应当拥有,才能在其工作上发挥。所以要成为一位非常出色的设计工程师,努力学习组装工艺方面的知识的是重要的。详细的工艺不在本讲座的范围之内,咱们接下来谈谈部分常用工艺和设计方面的关系。从以下的例子中能够更好的理解到设计工作在整体SMT应用中的重要性。

  2.1锡膏丝印工艺

  这最常见的工艺包括4个主要工序,分别为对位、充填、整平、和释放。要把整个工作做好,在基板上有绝对的要求。基板必须够平,焊盘间尺寸准确和稳定(即便在经过焊接工作的高温处理后),焊盘的设计应当配合丝印钢网,并有良好的基准点设计来协助自动定位对中,此外基板上的标签油印不能影响丝印部分,基板的设计必须方便丝印机的自动上下板,外形和厚度设计不能影响丝印时所需要的平整度等等。这些都必须经过设计师的考虑。

  另外常见的问题是基板上的绿油(阻焊涂层)印刷不断或太厚,铜焊盘的保护处理选择不当(例如在微间距应用上采用垂直热风整平VHASL处理,双回流应用中采用不当的OSP等等)都应当在设计时给予适当的考虑和处理。

  丝印钢网的设计,有些工厂目前还是和焊盘设计分开考虑和进行的。这是种不当的做法。这两者是息息相关的,其设计指标应当同时考虑和进行。常见的问题是钢网的开孔被设计为比焊盘CAD数据稍为小些,同时在CAD数据上有允许焊盘在CAD数据上有个较小的公差(例如允许有+/-0.05mm值)。这使得在丝印钢网上的缩小失去其实用意义。准确的做法应当是要求基板上焊盘的尺寸公差定为如-0.0,+0.05(即只允许比CAD大而不允许小)的范围。钢网设计和制造能够由工艺或生产部门人员来执行,但必须和设计部的焊盘设计一块考虑。

  2.2点锡膏工艺

  如果厂内采用的锡膏涂布工艺注射是方式的,在基板上的焊盘设计又和丝印有所不同。例如焊盘的长度应当受到更短的限制,铜焊盘的防氧化处理要求更严格。但对绿油的要求却不高。对于不同元件封装也应当有个别的考虑。例如J引脚的PLCC元件,如果采用一般的做法在每一焊盘上分点两点锡膏,则有可能在回流前锡膏和引脚的接触不良,引起引脚发生位移的问题。如果采用点3锡点的方式,则又浪费宝贵的生产时间。所以焊盘的尺寸设计因给予更改,要求对元件封装进行较严格的范围控制,同时将焊盘加宽和缩短以达到能采用单一锡点的工艺。


  对于采用不同的泵技术,焊盘设计也有绝对的不同,所以设计师严格对各中泵的性能和特点有足够的理解。致少对本身厂内所使用的技术应当有足够的理解。

  2.3黏胶应用

  目前较常用的有点胶和印胶工艺。点胶工艺中有各种的注射泵技术,还有适用于非常高产量的针印工艺。目前更发展出新一代的喷射工艺。印胶工艺方面的做法则和锡膏的丝印很相似。

  各种的泵在胶点的量控制才能和点出的胶点外形上也有不同,这是设计和工艺人员应当理解和注意到的。例如在同一直径胶点的高度上,采用针印工艺的高度就来得低些,喷射工艺最高,而鞭他的泵则处于他们之间。这些调整也就影响了设计工作。例如在元件外形和尺寸不变的情况之下,为了确保胶点能对元件的底部有足够的接触面。采用针印工艺的胶点虚设铜盘的宽度就应当较大,以处理更大的胶点直径。

  除此之外,胶水的种类和品牌也影响点的外形。所以在技术整合的观念下,设计规范是必须和工艺规范同时开发的。

  2.4贴片工艺

  贴片机是否能处理咱们设计时所选的元件,把他们都准确的贴在所需的位置上,这问题直接影响了咱们的生产。所以在设计时的元件选择工作上,对厂内贴片机性能的理解也是关键的。此外,出于贴片工序在整条生产线上经常是效率的‘瓶颈’(也就是限制整条生产线率的一节),在设计时咱们还得同时考虑对生产效率的影响。

  对于一个设计人员,在贴片这一工艺上应关注的有以下几方面:

  1、能处理的元件范围和个别元件的处理才能(拾放可靠性)。

  2、对各元件的对中才能(贴片精度和重复精度),包括基板的定位才能。

  3、灵活性和转换才能(可行性、所需进间和资源)。

  4、对各元件的产量。

  5、基板的处理才能和范围(材料种类、厚度、外形比等等)。

  市面上对贴片精度的规范和指标常出现错误或不完整的说法。正确的精度标法应包括分布系数SIGMA和贴片精度平均值U的资料,或是以Cp和Cpk两者标出。设备科人员应当协助提供这方面的资料给设计部人员。通过对此的理解,设计师才能对其焊盘尺寸的考虑做出优化。

  设计人员也该进一步的理解贴片精度的误差的来源。他们是有4个主要因素:基板质量、设备对基板的识别和定位才能、设备的机械精度、和设备对元件的识别和对中才能组成的。例如理解厂内设备对基板的识别的定位才能后,就能对应的设计合适的基准点(大小、形状、位置分布和反差条件等),就能决定区域和专用基准点是否需要等来确保作品设计的可制造性。

  对设备的灵活性方面的理解也一样。理解了什么元件能被处理,处理的可靠性如何,在处理不同元件时是否需要某程度的设备转换,是自动还是人工转换,对生产时间的浪费影响有多重等等之后,在选择元件封装上也能够做出更好考虑。而这些考虑的内容也能够提醒采购人员在采购时做出对应的要求。

  2.5波峰焊接工艺

  因为混装板和插件元件在应用上的某些优势,波峰焊接工艺目前仍是常见的组装焊接工艺之一。波峰焊接工艺的问题,如桥接、‘阴影效应’等已是众所周知的经验。许多问题在设计上能够给予绝对程度的协助,如为了减低SOIC引脚间桥接的‘吸锡盘’或‘盗锡盘’设计等。设计人员应当对他们有足够的理解和应用。应当注意的一点,是这些问题的程度,在波峰焊接工艺中是和设备原理和调制有很大的关系的。设计工作必须严密的配合设备料的工艺调制规范进行。例如说为理解决矩形件和‘阴影效应’而增加的焊盘长度,到底应增加多少是和厂内的设备和工艺调制才能息息相关的。忽略对厂内工艺和设备才能的理解而盲目搞设备规范是错误的做法。

  另一个经常受到关注的波峰焊接问题,是元件的受热问题。对于双面有元件的作品来说,一面的元件有可能在经过波峰焊时完全浸在高温的熔锡中,那热冲击能够高达每秒200多度。元件的封装是否经得起这样的热处理,在其寿命和性能方面会产生什么影响,是设计人员应当给予考虑的。

  为了处理只要少数插件的作品,或为了保护部分对热较敏感的元件不受熔锡的热冲击,目前有些部分波峰焊接的工艺和设备。厂内如果有采用这类设备,板上元件的编排会可能受到设备动作的部分限制。例如必须留下某些空位等等。

  2.6回流焊接工艺

  回流焊接工艺是目前最流行和常用的批量生产焊接技术。回流焊接工艺的关键在于找出最适当的稳定时间关系(即所谓的温度曲线设置)。并使它不断的重复。温度曲线必须配合所采用的工艺材料(锡膏),注意的参数有升温效率、温度的高低、在各温度下的时间、和降温效率。市场上出现了多种不同加热原理回流炉子,其实如何加温还是次要,最重要的是必须能够随意控制温度的调整和保持稳定。

  市场上采用的加温法,仍然不外3个基本的热传播方式。即传导、对流和辐射。各种炉子的原理也能够这技巧来分类。在采用传导方式的有热板、热丝和液态热(很少用)三种主要技术。采用对流的有强制热风、惰性热气、和气相回流(已基本不用)技术三种。而采用辐射技术的,有红外线、激光和白光三大源流。

  热板回流技术仍用在陶瓷基本工艺上,它只能用在单板上,而必须靠基板的良好热导性能才能发挥效益,限制了他在大部分电子组装业上的用途。热丝技术在英文中常称hot-bar焊接技术,是因为他常用在以金属或陶瓷片为加热媒介的设备上而得名。它适用于长、平和柔软引脚的元件上(如柔性板和TAB工艺上)。通过控制温度、压力和时间来控制焊接效果。需要不同的焊头来处理不同的元件。是属于较慢的工艺。工艺控制可能不易。此技术可应用在反修工作上。

  热风或热气技术有两种,一上适合批量生产的自动化回流炉子,另一是供部分焊接用的吹管技术(常用在返修技术上)。通过空气或惰性气体的对流作用来传热。在部分焊接技术上必须使用不同的吹管来处理不同元件是它的一个弱点。在使用空气为媒介时是个经济的方案,但工艺效率较慢。

  白光和红外线在小批量生产的应用上,都是通过光学聚集的原理将光内的热能集中起来,对焊点做部分加热的。其好处是没有机械接触(不像热丝技术),部分焊接不会对元件封装造成过热的威胁,能够自动化编程。缺点是焊接以点进行,效率较慢,虽不会对元件封装有过热的威胁,但失控时对焊点有过热的可能,而白光对人的眼睛不利。其加热效率快使他在对热容量大和封装对热较敏感的元件应用上有优势。

  激光技术和以上的白光和红外线原理类似,不过媒介同。这是种较新的技术,还未普遍被接受,主要原因可能是价格方面(非常昂贵)。激光的能量能够被很准确的进行控制,重复性很高,焊点能够很细(对微间距技术没困难),因为部分性很高而能保证很好的焊点质量(没有内部潜在应力)。此技术或许有很好的发展潜能,但目前说法不一。

  电感焊接技术,是一种通过电感效应的涡流加热原理来进行焊接的工艺。具有没有机械接触、加热快和热容量高的优点。缺点是技术不易掌握,焊点周边不能有某些金属部件,高频信号对某些电子元件不利和加热头的位置敏感度高等等。目前的应用还不普遍。

  火炬焊接技术,适用于焊点热容量特高的应用上。如在基板上有大的插座或金属屏蔽板等等的场合。也属于非接触式和部分焊接的工艺。缺点是工艺经验缺乏,对焊点的可靠性数据理解和考察不够(不过在某些应用上不是太重要)。

  红外线用在批量生产焊接技术上已有很长的时间,它是热风回流技术成熟前的主要工艺。目前还有些产家还在推荐远红外线技术的炉子。此技术的优点是加热效率较高,重复率很好,热容量也好,对部分回流工艺问题如吸锡(wicking)和立碑等较能应付。缺点是作品板上的温度较大,对部分元件的外形和封装材料调整较大,而且有超温的可能。另一更常见的批量焊接技术是热风回流技术,他基本是解决了红外线技术存在的问题,但设备困难,好的设备价格高于红外线技术,(差的设计性能不如红外线技术),而且应用上对知识的要求也较高,设备保养要求也高,设备选择不易,必需要有一套考试技巧。

  回流曲线设置的关键,在于将作品板上最热和最冷点找出,通过对炉温的调制使这两点的范围设置在锡膏性能的要求范围内,工作便可说是搞定了。板上热点和冷点的热学特,影响的因素很多,在设计作品时便应当考虑到和照顾到这些,使设计出来的作品上,热点和冷点的温差尽量做到最小为此。这不但使生产简单控制,对设备的性能(和价格相关)和保养的要求也较低,而且对作品焊点的质量也较简单保证,是个设计时很重要的考虑点和做法。

  3.0理解您的制造才能

  理解厂内实际的制造才能,是推动DFM管理的重要部分。工作包括对厂内设备的才能进行量化考察、规划和制定规范指标。这做法的主要原因有四:一是因为每个设计规范都有它特定的适用性或针对性,它只要在特定的条件下才能最优化的发挥其功能。第二个原因是大多数的生产线都是不同的,即便设备的硬件配置一样,管理、工艺知识、品质标准等等软科学会使其不同。所以在另一个工厂适用的设计规范,未必也适用于您的工厂。只要完全和准确的理解您厂内的才能情况后您才可能制定出一套优化的设计规范或标准。第三个原因是许多有用和重要的资料,除非您亲身去考察、考试和记录,您不可能在市场上得到现成的,即便是设备供应商也提供不了。第四原因,是在优化设计上,基本没有所谓的通用标准可被使用。

  在您的生产环境里,有什么是需要您的关注和量化理解的呢?您能够从四个方面着手。即生产线的功能(能做些什么?)生产线的柔性或灵活性(需要什么改变处理工作的变更?)、质量(能把作品做到多好?包括长期寿命方面和直通率方面的考虑)、以及生产效率(产量和成本)。

  生产线才能规划的例子,例如每一条生产线对基板的处理才能范围,包括如基板的材料、基板的厚度范围,板的尺寸限制、重量限制、板边的留空要求、定位要求(如基准点、定位孔、边定位的厚度和曲翘限制等等)、以及如果采用自动条码识别系统的位置要求等,这些都必须有详细和准确的规划。应注意这些规划应以整线而不是以个别设备的层次来进行的。如果厂内有多条不同规范的线,能够考虑以统一规范(最严格的规范)或分等级来简化。

  同样的,对于元件的处理才能,咱们也应当给予理解和规划。这方面可包括如各种常用元件的释放才能(以dpm计)、贴片机吸咀的种类和要求、对中技术和才能、贴片力度(静和动态)、供料器种类、数目和性能、以及各元件对效率效率的影响等。

  对于各设备的性能和技术限制,咱们也应当有足够的理解和记录。例如厂内所采用的回流炉子是属于什么加热原理的,如果是热风原理,那它对排风调整的影响或灵敏度又如何;如果是红外线对元件的外形和颜色有什么影响;炉子的轨道是否会因为吸热而对板的两边造成冷区效应,程度又如何等等这类的性能问题,都应当给予详细的考察和记录在设计规范内。

  除了设备的才能,整体的工艺才能也必须是规划的内容。厂内应当有最少一份的工艺规范,内容详细的类出厂内工艺的才能和极限。例如在锡膏工艺上能采用什么工艺(丝印、点锡)、达到什么程度(0.3mm间距、0.12mm开孔、AspectRatio1:1.5、双面印刷才能等等)。注意一切重要的条件(如锡膏种类、基板厚度和表面处理要求)也都必须清楚的列出。订立设备和工艺规范的技巧,能够配合供应商资料、生产线的实际经验(但必须是科学性的)和厂内设立的试验结果,使经过难验证的数据经验被纳入设计数据库使用。一切验证和分析、决策的过程都应当有份记录档案,方便日后改进工作。

  要正确和有效的进行以上工作,您厂内必须具备良好的设备工程学和SMT工艺知识。在这些才能未足够建立起来之前,推行的工作有可能是白费和误导的。工厂管理应当注意这一点而不可冲动行事。以免招到投入后没有效果的失败。

  SMT可制造性设计应用研讨会讲义(中)

  4.0基板和元件的选择

  选择适当的材料是设计工作内的注意部分。材料的选择必须考虑到他的寿命和可制造性。许多设计人员只注重在元件的电气性能、供应和成本的做法是不全面的。在电子工业中,大部分所用的材料都对温度有绝对的反应和敏感性。而在电子板的组装过程中又必须经过绝对程度,而有时又不只一次的高温处理。所选用的元件和基板等是否会变质呢?元件原有的寿命是否会缩短了呢?这些也都是需要加以考虑的。在作品的服务期内,作品本身也会经历部分热调整,如环境的温度调整,作品本身电源的接通和切断产生的热功率等等。这些热起的体形调整对SMD焊点起着不利的影响,是SMT作品中的一个主要寿命问题根源。所以在设计时对这方面的考虑也是重要的工作。

  4.1基板的选择和考虑

  基板的作用,除了提供组装所需的架构外,也提供电源和电信号所需的引线和散热的功能。所以对于一个好的基板,咱们要求它有以下的功能:

  1.足够的机械强度(附扭曲、振动和撞击等)。2.能够承受组装工艺中的热处理和冲击。3.足够的平整度以适合自动化的组装工艺。4.能承受多次的返修(焊接)工作。5.适合PCB的制造工艺。6.良好的电气性能(如阻抗、介质常数等)。

  在基板材料的选择工作上,设计部门能够将所有作品性能参数(如耐湿性、布线密度、信号频率或效率等)和材料性能参数(如表面电阻、热导、温度膨胀系数等)的关系列下。做为设计选择时的考虑用。

  目前较常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10、和G11数种。XXXPC是低成本的酚醛树脂,其它的为环氧树脂。FR2的特性和XXXPC接近,但付阻燃性。FR3是在FR2的基础上提高了其机械性能。G10较FR3的各方面特性都较强,尤其是防潮、机械性能和电介质方面。G11和G10接近,不过有较好的温度稳定性。FR4最为常用,性能也接近于G10,能够说是在G10的基础上加了阻燃性。FR5则是在G11的基础上加了阻燃性。目前在成本和性能质量方面的考虑上,FR4可说是最适合一般电子作品的批量生产应用。对于有大和微间距的元件,而由采用双面回流工艺的用户,能够选择FR5以求较可控的工艺和质量。

  为理解决基板和元件之间温度膨胀系数匹配的问题,目前有采用一种金属层夹板技术的。在基板的内层夹有是铜和另一种(常用的为殷钢,也有的用42号合金或钼),这中间层可用做电源和接地板。通过这种技术,基板的机械性能、热导性能和温度稳定性都能够得到改善。最有用的是,通过对铜和殷钢金属比例的控制,基板的温度膨胀系数能够得到控制,使其和采用的元件有较好的匹配,而增加了作品的寿命。

  在整个SMT技术应用中,基板技术能够算是较落后的。从目前的用户要求和基板发展商方面理解到,今后基板技术的发展,应当是朝以下的方向前进。

  1.注更细的引线和间距工艺(层加技术已进行成熟)。2.更大和更厚(用于更多层基板)。3.减少温度膨胀系数(新的材料或夹板技术)。4.更好的热传导性能(目前也有在研究通过辐射散热的)。5.更好的尺寸和温度稳定性。6.可控基板阻抗。

  7.氧化保护工艺的改革(锡膏成份有可能改变)。

  这些展望意味着基板技术有可能在将来有个大的改革。设计师应对这方面的动向保持留意。做好需求改变的准备。

  在基板技术的可制造性考虑上,绿油(防焊层)的应用是其中的一个重点。一般SMT用户很少去理解基板制造商对渌油的选择和应用。也缺乏这方面折知识。所使用渌油的化学特性,必须能符合基板的组装工艺(返修、点胶固化、油印等),也必须能融合或接受组装工艺上所采用的一切化学材料,如助焊剂和清洁剂等。这方面的资料应向基板供应商要求。注意有些化学反应的资料未必有。但致少用户能够理解那方面是可能存在问题的。在需要时能够要求基板或绿油供应商协助试验分析。

  基板业中常用的绿油工艺有四种,分别为液态丝印工艺、液态光绘工艺、干膜工艺和干湿混合工艺。液态丝印工艺成本最低,但质量(精度和分析度)较差,用于面积较小和密度较低的作品基板。干膜工艺精度和分析度很好,但成本高和涂布后的厚度较高,不利于某些工艺。干湿混合工艺的强点是对接通孔的充填才能强,但固化工艺必须做得完整,否则在SMT组装中会有泄气的不良问题。液态光绘工艺的发展潜能很高,他有很好的精度和分析度,成本低于干膜工艺,而且能控制较薄的厚度,对锡膏丝印工艺有利。不足的是此工艺对接通孔的充填才能较弱。

  在SMT组装工艺上常见的绿油相关问题不少,如绿油太厚造成锡膏丝印工艺的难控,绿油在基板制造时固化不良而泄气(形成焊点气孔)或裂开(腐蚀进行和应力集中),材料吸湿而造成绿油层在回流时的脱离,基板绿油工艺不良而造成绿油和焊盘界面的断裂,以及某些干膜材料简单引起焊球问题等等都是较常见的。

  4.2元件的选择和考虑

  对元件的选择,一般必须做到的考虑点最少有以下几方面

  1.电气性能。2.占地效率(三维)。3.成本和供应。4.元件可靠性和使用环境条件。5.和设计规范的吻合。6.适合厂内的工艺和设备规范。7.可组装性、可考试性(包括目视检查)。8.和制造相关的资料是否完整可得(如元件完整详细外形尺寸、引脚材料、工艺温度限制等)。

  在可制造性考虑上,元件的选择始于对封装的理解。元件的封装种类繁多,也各有各的长处。做为设计人员,对这些封装技术应当有绝对的认识。才有才能在可选择的范围内做出最优化(即适合高质量高效率的生产)最适当的选择。要很好的做出选择,设计人员应当要有最基础知识的认识。例如去理解元件封装的目的。如果理解封装的目的之一是提供散热,那在设计上自但是然的考虑到不同封装的散热性能。理解到散热和IC的引脚材料有关后,便自但是然地考虑到是否需要采用铜而放弃42号合金的引脚之类的问题。

  对于元件封装和组装工艺相关的问题,已不在不过工艺或生产工程师的事了。设计人员也应当有所理解。例如在‘爆米花效应’(Pop-comeffect,因元件吸湿而在回流过程中爆裂的现象)的考虑上,在可选的情况下会优选PLCC44而不用QFP44。又如对SOIC的底部浮起高度的考虑,市面上有不太统一的规范,设计人员应当理解到不同高度指标对厂内现有的工艺和设备将会造成什么问题。如当作品设计较大,厂内工艺采用精洗工艺时,元件选择上就应当规定较高standoff的元件。另一个例子,如果厂内采用的贴片机注意的。元件的选择考虑也应包括元件的包装。不同的包装有不同的生产效率和成本。应按厂内设备和管理的情况加以考虑选择。

  5.0热处理设计

  热处理在SMT的应用上是很重要的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加,而在元件体形上不断缩小,造成单位体积内的热量不断提高。另一原因是SMT的元件和组装结构,对因尺寸调整引起的应力的消除或分散才能不佳,造成对热调整引起的问题特别严重。常见的故障是经过绝对时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度),焊点发生断裂的现象。

  在设计是考虑热处理问题有两方面,一是半导体本身界面的温度,另一是焊点界面的温度。在分析热性能的时间,有两大注意方面。一是温度的调整幅度和速率,另一是处在高低温度下的时间。前者关系到和温差有关的故障,如热应力断裂等。后者关系到和时间长短有关的故障,如蠕变之类。所以他们的影响是不同的,故障分析时都应个别考试和考虑。

  因为受热而为害作品的其中一种方式是热冲击。作品在其寿命期间,尤其是在组装过程受到的热冲击(来自焊接和老化),如果处理不当,将会大大的影响其质量和寿命。这种热冲击,因为来得较快,即便材料在温度系数上完全配合也会因温差而造成问题。除了制造上的热冲击,作品在服务期间也会经历程度不一的热冲击,例如汽车电子在冷天气下启动而升温等等。所以一件作品在其寿命期间,将会面对制造、使用环境(包括库存和运输)和本身的电功率耗损三方面的热磨损。

  为确保寿命而努力的热处理工作,对于半导体或元件供应商、设计和组装工厂、元件作品的用户各方面都有本身的责任。元件商的责任在于确保良好的封装设计、使用优良的封装材料和工艺、并提供完整有用的设计数据给他的用户(即作品设计和组装工厂)。作品设计和组装工厂的责任则在于设计时的热处理考虑,正确和足够散热的采用,以及正确的组装工艺应用和管制。至于作品用户,则应根据供应商建议的使用技巧、环境和保养来使用这作品。

  要确保作品有较长的寿命,有效的散热处理和热平衡设计就成了重要的工作。散热的方式,一般还是通过热传播的三个基本原理,即热的传导、对流和辐射来达到的。在散热考虑上有几个难处。从避免有噪音(机械和电气噪音)和成本的观点上,咱们偏向于采用自然空气对流的技巧来散热。但从防止腐蚀和电移等观点上,咱们又希望将作品和空气隔开。这样的矛盾,加上空气流动学和复杂学问,而作品组装起来的外形(元件高矮距离的布局)对空气的流动造成的影响,基本的结构和对各不同热源(元件)的散热分担等等都是复杂的学问。目前也还没有能较好准确进行整体分析软件之类的工具来协助设计工作。所以这工作做起来相当棘手。很多时间还得凭经验和尝试。传统的以热阻公式的估计法依然通用,唯对多元件合成的整体作品的分析准确度不高(个别估计还能够)。但因为没有更可靠的技巧,目前的软件还是建立在这基础上的。

  从THT(插件技术)到SMT的转变中,咱们能够发现元件的体形缩小了,作品的组装密度增加了,元件第部和基本间的距离缩短了,这些都导致通过对流和辐射散热功效的减低,而通过基板的传导来散热就更重要了(虽然基板因密度增加也造成传导散热效率不良)。在元件封装技术上,SMDIC方面的设计通过不同引脚材料的选用和内部引脚底盘的尺寸设计而大有改善(较插件DIP的效果好),但这改进很多时间还应付不了组装密度的增加、元件的微型化和信号效率快速增加等方面发展连带的散热问题。

  温度膨胀系数失配的问题,除了材料外也和元件和基板的大小有关。例如2220的矩形件在这方面的寿命就较1206来得短,而LCCC156也会较LCCC16的寿命短许多。一份试验报告显示LCCC156的热循环考试寿命为183周,对同考试条件下LCCC16的722周寿命小了许多,只要他的25%左右。

  解决这类问题或延长寿命的技巧,工业界中有几种对策。当然最基本的是尽量选择有引脚的元件,尤其是体形较大的元件。其中翼形引脚在这方面的可靠性算是较好的。另一种做法是采用有金属夹层(如上提到的铜一殷钢夹板)的基本设计,这是种相当理想的做法。但价格昂贵而且供应商少。第三种做法是采用在环氧树脂和铜焊盘间加入一层弹胶物的基板设计,这弹胶层的柔性能够大大吸收因温度调整产生的应力。还有一种做法是采用了一种特制的锡膏,在锡膏中加入了某些专人成份的陶瓷或金属细球体,使焊点在回流后被托高起来。较高的焊点有更强的吸收应力的才能。

  很多时间,单靠正确的材料选择和设计还是不足以完全解决散热的问题。因此额外的设计就必须被用上。在散热处理中,通过辐射的技巧以往不被采用(这方面有新发展,稍后提到)。原因是辐射散热需要有较大的温差才有效,也就是说热源要相当的热而一般不被接受(散热就是使元件处于低热);同时散热的途径不易被控制(辐射是往各方向进行的),会造成对周边元件的加热现象。对流散热常被使用,其中有自然对流和强制对两种技巧。自然对流较经济简单,但有绝对的限制。如热源不应超过每单位立方米1万两千瓦特、空气和热源的温差应超过30度以上等等条件。强制对流,即采用风扇吹风或排风的做法,是个相当常用和有效的技巧。能够用在整机或单一元件(如电脑中的处理器IC)上。一般它的散热效率可达自然对流的4至8倍。缺点是成本、重量、耗能等都高。传导散热技术,在作品不断微型化下逐渐被重视和采用。一般配合基板材料的选用和设计(如金属内夹板),使热能通过基板的传导扩散到基板外去。一般传到板边缘的金屑支架或机壳上。散热才能能够达到每单位立方米25万瓦特(自然对流的20倍)。另外还有很少被使用和液体散热技术,散热才能可达自然对流的80倍。因为作品的基板必须被浸在冷却液体中,液体材料的选择要很小心。以确保不会影响作品的电气性能和起化学调整。这方面系统的设计也较困难,成本很高,所以只用在特大功率如特大型的电脑上。采用黏性较大的冷却液体还能同时起着避震的作用。液态散热也有自然对流和强制对流两种做法。

  目前工业界中有工厂在开发一套新的散热技术,是采用辐射原理的。利用于类似无线电天线的发射原理,把热能当做是一种波来发射离热源。据已表的研究报告,通过在元件底部基板上铜分布和图形,元件基板内层的结构设计,其辐射散热的效果能够达到采用一般散热器的两倍多。目前这项研究仍进行中,是要找出铜分布图形和散热才能的确实关系。

  以下是部分有用的散热考虑:

  1.在空气流动的方向上,对热较敏感的元件应分布在‘上游’的位置2.发热较高的元件分散开来,使单位面积的热量较小3.将热源尽量靠近冷却面(如传导散热的板边等等

  在使用强制空气对流的情况下:

  4.较高的元件应分布在热源的下游地方

  5.下游的高元件应和热源有绝对的距离

  6.高长形的元件应和空气流动方向平行

  SMT可制造性设计应用研讨会讲义(下)

  6.0焊盘设计

  焊盘的尺寸,对SMT作品的可制造性和寿命有着很大的影响。所以它是SMT应用中一个必须做得好的工作。影响焊盘尺寸的因素众多,必须全面的配合才能做得好。要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。所以SMT用户应当开发适合自己的一套尺寸规范。而且必须有良好的档案记录,详细记载各重要的设计考虑和条件,以方便将来优化和更改。因为目前在部分因素和条件上还不能找出具体的有效的综合数学公式,用户还必须配合计算和试验来优化本身的规范,而不能单靠采用他人的规范或计算得出的结果。

  6.1良好焊盘和影响它的因素

  一个良好的焊盘设计,应当提供在工艺上简单组装、便于检查和考试、以及组装后的焊点很长的使用寿命等条件。设计考虑上的焊盘定义,包括焊盘本身的尺寸、绿油或阻焊层框框的尺寸、元件占地范围、元件下的布线和(在波峰焊工艺中)点胶用的虚设焊盘或布线的所有定义。

  决定焊盘尺寸的,有五方面的主要因素。他们是元件的外形和尺寸、基板种类和质量、组装设备才能、所采用的工艺种类和才能、以及要求的品质水平或标准。在考虑焊盘的设计时必须配合以上五个因素整体考虑。计算尺寸公差时,如果采用最差情况技巧(即将各公差加起来做总公差考虑的技巧),虽然是保险的做法,但对微型化不利而有难照顾到目前统一不足的巨大公差范围。所以工业界中较常用的是统计学中接受的有效值或均方根技巧。这做法在各方面达到较好的平衡。

  6.2设计前的准备工作

  焊盘设计必须配合多方面的资料,所以在进行焊盘设计有以下的准备工作先得做好。

  1.收集元件封装和热特性的资料。注意国际是对元件封装虽然有规范,但东西方规范在某些方面的相差还是挺大的。有时要以统一的焊盘尺寸来处理这巨大的规范范围,同时又要配合厂内的各种条件而做到最优化是不可能的。用户必须在元件范围上做出选择或把设计规范分成等级。

  2.整理基板的规范。对于基板的质量(如尺寸和温度稳定性)、材料、油印的工艺才能和相对的供应商都必须有一个清楚详细记录。

  3.制定厂内的工艺和设备才能规范。例如基板处理的尺寸范围、贴片精度、丝印精度、回流原理和点胶工艺采用的是什么注射泵等等。这方面的量化理解对焊盘的设计也有很重要的帮助。

  4.对各制造工艺的问题和知识有足够的理解。这协助对设计焊盘时的考虑和取舍,有些时间设计无法面面俱顾,这方面的知识和才能能够使设计人员做出较好的决策。

  5.制定厂内或对某一作品上的品质标准。只要在理解到具体的作品品质标准后,焊盘设计才能够有意义的推算出来。品质标准是指如焊点的大小、需要怎么样的外形等等。

  6.3波峰焊工艺中的部分考虑

  波峰焊接工艺中,较常见的工艺问题有‘阴影效应’(缺焊)、‘桥接’(短路)和元件脱落。‘阴影效应’是因为元件封装的不润湿性和溶锡的强大表面张力造成的,为了避免这种问题的产生,焊盘的长度必须有足够的伸延出元件体外,越高的元件封装伸延也应越长。而元件和元件之间的距离也不能太靠近,应保留有足够的孔隙让熔锡渗透。注声这些尺寸都和厂内的设备和调制才能有绝对的关系,所以设计时必须理解到厂内这方面的特性。

  ‘桥接’问题常发生在IC引脚上和距离太近的元件。解决的技巧是给予足够的元件间距,对于IC引脚(一般在离开锡炉的最后引脚上)能够在焊盘设计上加入‘吸锡’或‘盗锡’虚焊盘。此焊盘的尺寸和位置看IC的引脚间距和类型而定。对于较细间距的翼形引脚应采用较长的吸锡焊盘。此外,对于四边都有引脚的QFP应采用45度角置放,以减少桥接的机会。对于J形引脚和间距较宽的PLCC则无此需要。

  元件脱落的问题,一般是因为黏胶工艺做得不好造成的。最常见的是因为胶点的高度不够引起而很多时间是因为工艺(泵技术)和材料(黏胶、元件)的选择不当,以及因基板上焊盘高度将元件托起而引起的。设计时除了要具体和严格的规定元件的封装尺寸、工艺规范中规定技术和材料外,在基板的设计上可采用所谓的‘垫盘’(胶点处的一种虚焊盘)来协助增加胶点的高度。这‘垫盘’也能够采用信号布线来代替。


  6.4焊点质量的考虑


  决定焊盘的尺寸大小,起初要从焊点的质量来考虑。什么样的焊点(大小、外形)才算是优良的焊点呢?在点厂内的品质部应当配合设计和工艺部有一认同。科学性的确认是通过对不同焊点大小和外形进行寿命考试而得来的。这类考试费用高、技术难、所需时间也长,因此不是每一家工厂都能负担的。不过工业界中有许多经验是能够被咱们参考和借用的。例如说矩形元件的焊点,咱们要求底部端点最少有一半的面积必须和焊盘焊接(家电和消费作品),端点两侧要有0.3mm以上或元件高度的三份一的润湿面等的最低要求。


  对于设计工作,重要的是咱们应当理解到焊点组成各部分的功能和作用。例如理解到矩形元件两端延伸方向处是影响焊点的机械力,是提供工艺效果有用的检查点。而它在组装工艺上是影响立碑和阴影效应的重要部分和关系后,咱们在设计时就能很好的给予尺寸方面取舍的决定。有例如咱们理解到矩形元件各端点两侧只提供未必需要的额外机械强度,而它又是决定回流时‘浮动’效应(引起立碑的成因之一)时,咱们能够在小元件上放弃这两铡的焊盘面积来换取较高的工艺直通率。


  6.5焊盘尺寸的推算


  焊盘尺寸的初步推算,应当考虑元件尺寸的范围和公差,焊点大小的需要,基板的精度和稳定性和厂内的工艺才能(如定位和贴片精度等)。推算的公式内应当包含这些因素的考虑。让咱们来看以下的例子。


  在焊盘尺寸X的考虑上,为了确保端点底部有足够的焊接面,咱们采用了元件范围中最长的L值,加上品质标准中所需的端点焊点(0.3mm或元件端点高度的1/3),再加上贴片精度的误差(注:有些认为回流时元件会自动对中而不考虑,这种做法不当。因为不是在任何情况下都会自动对中,而且即便能自动对中,在对中前会产生中贴偏而不利工艺的其他问题)。此外因基板尺寸误差在制造时是以只允许大而不可小的指标来控制的(见以上2.1一章),所以基板的误差能够不加在公式内。因此,X的推算概括如下:


  X最小值=L最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度


  X最大值=L最大值+1.5X元件端点高度-2X贴片精度


  注:焊盘延伸长度超过元件高度的1.5倍时简单引起浮动立碑问题。


  对于D的考虑,为确保有足够的端点底部焊接面,采用了元件S的最低值,减去品质标准中所需焊点大小。成为:


  D最大值=S最小值-2X优良焊点的延伸


  因为在质量观点上元件底下内部焊点不是很重要,此处的贴片精度和焊点保留区能够同时考虑(包括在一起)。用户也能够采用:


  D最大值=S最小值-2X贴片精度


  一般以上的抉择是看那一个公差较大而定。D最小值的考虑点是焊球问题,但能够提供丝印钢网的设计来补偿。一般在设计D尺寸时用以上的公式而不找其最小值(没额外的好处)。


  Y值的考虑和X值类似。但无需考虑最大值,因为延伸以下的焊盘没有什么意义。


  Y最小值=W最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度


  因为从W值再向外延伸的焊盘尺寸,对元件的寿命和可制造性没有什么更有益的作用,而缩小这方面的尺寸对元件回流时的‘浮动’效应有制止的作用,许多设计人员因此将焊盘的Y值方面不加入这方面的值,甚至还有为了更强的工艺管制而使用稍小于W值的。对于小的矩形(0603或更小)能够考虑此做法。


  以上是以矩形为例子,用户该做到的是理解焊点的作用细节,理解尺寸和工艺方面可能发生的误差,那不管是什么引脚,什么封装的元件焊盘都能较科学的推算了。


  6.6绿油(阻焊层)的考虑


  对于绿油无覆盖框的尺寸考虑,主要是看基板制造商在绿油工艺上的才能(印刷定位精度和分析度)而定。只要保留足够的孔隙确保绿油不会覆盖焊盘和不会因太细而断裂便能够了。一般采用液态丝印绿油涂布技术的,约需保留0.4mm。而采用光绘绿油涂布技术的,则只需约0.15mm的间隙。最细的绿油部分,丝印技术应有0.3mm而光绘技术应有0.2mm。


  6.7占用面积


  占用面积指的是不能有其他物件的范围。这方面的考虑是要确保检查(光学或目视)和返修工具和工作所需的空间。设计人员应先理解厂内所采用的返修和检查技巧和工具后再进行制定此规范。


  7.0基板设计和元件布局


  基板设计能够从基板如何在自动化设备中处理进行。例如设备自动传送带所需的留空宽度、基板在每一处设备中的定位方式和需求(如边定位需要绝对的厚度和平整度等等)、定位孔的位置、形状和尺寸要求之类的,都应当给予清楚的定下。以免设计出的作品不适合处理或在处理中会有对质量和效率不利的现象。


  7.1定位孔


  基板的定位孔,如果是用做基准对位用途和不不过固定的作用的话,设计时只应当在基准孔上是正圆形的。一般设备的定位针都有两根,所以定位孔也最小有两个。除了基准孔外,另外的孔就不应当是正圆形。而应当是在基准孔同一方向上延伸式的设计。此外,为了避免错位时损坏基板,可考虑把孔在基板的对边也开出对称的设计。如果基板尺寸是正方形的,那可能得确保四便对称。注意这里所要防止的是基板因错位而被损坏,自动设备应当还要有才能判断错位而停止进行无谓的加工。


  7.2基准标点


  基准标点是供自动化设备做自动对位用的,按精度需求可采用板基准(Panelfiducial或Globalfiducial)、电路基准(Circuit或Imagefiducial)、或个别基准(Localfiducial)。在不采用拼板设计上(即每一块板是一个线路),前两者是一样的。对于尺寸较小、精度要求不高的基板,则最后的个别基板能够不被采用。值得注意的是,采用基准点对中是未必需要的。所以设计时加以给予考虑。


  基准点的形状能够是有很多种。设备供应商常说其设备能够处理各种各样的基准图形,甚至可采用焊盘图形。其实多数的设计对不同的图形都有不同才能的。为了做到最好(准确和稳定),设计人员应对厂内设备对不同图形的识别和计算才能有足够的理解。并采用对应最优化的图形做为基准点。


  为了达到最准确,基准点的位置最好是在基板的对角上。而且距离越远越好。基准点的数量也重要。最少两点。但如果要处理非线性的补偿则必需要有三点(应当确保所使用设备的补偿计算有此功能)。还可采用第四点做为后备用途的(也需确保设备能处理)。基准点对基板在设备中的机械定位基准面(如板边或定位孔)不应当有一样的距离。最好是相差超出一个设备的视觉范围FOV之外。这样能用做错位时分辨工作。


  为了确保有足够和良好的光学反差,基准点的平整度应给予关注。如果基板采用热风整平技术的,基准点应当设计的较大。OSP或镀金技术较受推荐。绿油不可覆盖基准点,以免造成反差不良。基准点周边也应当有足够的空位,以免布线或绿油等影响识别的稳定性。有一种好的做法是在基准位置的下方(基板背后或内层)设置足够大小的铜片来增加反差。


  基准点的位置,也应当被用做是整个基板坐标的零点。许多设计还是采用板的一角等做为零点。这样的做法对日后的工艺管制没有帮助。


  7.3标记


  基板的布线和元件布局经常会留有空位,这些空位能够用来印刷些有用的资料。常见的有作品型号、改进标号、基板制造商号和批号、线路标号等。如果有采用条码标记的,应当考虑到条码的大小和位置(如果是自动化的还得考虑设备限制)。


  7.4元件布局


  元件的布局能够影响以后的工作效率,如检验和返修工作等。在有才能的情况下,设计人员应当尽量做到以下的布局法:


  1.元件方位的标记(尽量做大同类封装元件方位一样)。


  2.以同功能的线路集中在一起并印下方框。


  3.同类封装元件的距离相等。


  4.所有元件编号的印刷方位一样。


  拼板的做法很多时间值得考虑。拼板有以下的好处:


  1.对元件少的板,能够通过加长贴片时间来提高贴片机的使用效率。


  2.对太小的基板提高其可处理性。


  3.改变异形(非正方或长方形)板或外形比不佳的板子外形,增加效益和可处理性。


  4.对从面回流技术的板,能够通过正方拼来提高整体生产的效率。


  设计元件的方位时,除了以上通过第6章中提到的热处理考虑外,还得注意方位对组装工艺是否有不良的影响。如在波峰焊接工艺中,许多IC的方位对工艺的成功率都有些影响。除非在焊盘设计上有才能做到非常完善的补偿,否则在元件布局时应尽量采用最佳方位来布局。


  7.5接通孔


  接通孔在作品的寿命故障上也是主要问题之一,在设计上也有些能够照顾到的地方。较常见的问题是接通孔镀层的断裂而最终导致开路现象。断裂的现象常出目前接通孔的内壁中间和孔上下面的转弯处。孔内壁中间的问题是因为基板制造时镀金属的工艺做的不好。而在转弯处是热循环造成(FR4基板的垂直温度膨胀系数较水平面的要高得多)。虽然这些的和基板的制造工艺有关,但不良的设计使基板的可制造性差而引起问题是常见的事。


  接通孔的镀金工艺是否能做得好,除了制造商的工艺才能外,和接通孔的尺寸也很有关系。例如一般的工艺,对小于0.5mm孔径和外形比(孔深对孔径)大于3的接通孔尺寸,是较难有很可靠的工艺成果的。所以为了确保较可靠的作品,设计接通孔时就必须注意到这些。镀层的厚度应当要求在25至40um之间。


  为祢补这方面的不足,有一个有效的做法是将接通孔完全充填。因为这样有可能使应力更集中而缩短寿命。


  因为接通孔具有吸锡的才能,因此接通孔的位置设计应当尽量避免太靠近焊盘和看不见的元件封装底部。


  7.6考试方面的考虑


  考试,虽然本意是用来确保作品是合格的,但应用不当却会伤害作品的寿命。所以在设计作品时不得不小心加以考虑。考试用的探针对作品不利,但很多时间咱们还得借用它。尤其是在ICT(在线考试)上使用的特多。飞针式的考试,在对作品的破坏危险性上较小,但因为目前的效率还不理想而常常还是由针床式治具时,因为探针的数目可能相当可观,而每一探针都需要绝对的力度来确保可靠的电气接触性,其总压力能够是非常大的。如果加上压力的分布不均等问题,是有可能给考试中的作品造成内在的破坏,缩短其服务寿命。为了减少这方面的破坏,应当在设计考试点时使其均匀的分布在整个基板面上,采用虚设测点,采用正反面平衡测点或足够的支撑和下压柱等等技巧。


  虽然占用在方,但应当尽量采用个别的考试点而不是采用元件焊盘或元件引脚做为考试点。在密度较大的组装板上能够考虑使用接通孔兼考试点做法以及双面考试。


  考试点的大小应看治具和探针的精度而定,采用压缩距离较短的探针有利于精度的提升。探测点能够考虑用技巧来取代一般的圆形,能够考虑用六或八边形的探测点,方便识别区别。因为探测点都不能有绿油覆盖,要注意他们对邻近焊盘的影响。


  探测点的布置最好是采用标准的栅阵排列(即坐标间距跟随绝对的标准),这样能够方便日后测点的改变和针床治具的重复使用或修改。


  8.0设计文件档案


  一个作品开发出来后,有一套随着而生的重要文件档案。这些文件包含了各种在制造、品质管理、采购、改进、和返修工作中需要的资料。如线路图、Gerber档案、物料清单、组装文件等等。在种种关系到设计工作的文件档案中,在以前较不被注重的是工艺的材料规范、合格供应商资料和物料清单中的部分资料。这些曾被忽略的文件档案,在目前的先进管理上是不可不利用他们的。


  工艺和材料规范档案,应当最少包括五个重要的组成部分。分别为:


  1.元件组装资料档案;


  2.基板材料和工艺规范;


  3.工艺材料规范;


  4.工艺规范;


  5.品质规范和标准。


  以上五者都必须整合开发,并使用在设计规范的参考上。


  合格供应商管理档案中,也应当包括了四个重要的组成部分;


  1.和用户本身有关的所有元件封装和组装上的初步资料;


  2.经过鉴定的合格封装详细资料;


  3.供应商的才能的评估记录;


  4.合作和独立的改进计划和进展记录(包括管理和技术、质量等全面的),元件未来发展计划。


  在传统的物料清单(BOM),一般只具备的资料有元件编号、元件封装称号、元件名称简述、单一作品是所需元件的数量、和元件参数值几种。因为市面上元件的标准化还缺乏完整性。咱们常能够发现采购中出现的问题(这完全符合设计和生产的要求)。其更正成本和时间往往相当可观。为了避免以上的问题发生,在BOM资料中有两个新成员是应当被加入的。其一是元件的详细封装资料(如尺寸和温度时间限制等)和优选的供应商清单。另一是基板的详细指标规范。


  在竞争日趋激烈的情况下,目前许多工厂都较重视作品的推出时间性。要提高这方面的才能,技术整合、标准化和不断学习的做法是重要的。而这种做法的效益,在相当大的程度上有赖于信息的准确性和及时沟通。从本讲座中所学到的,咱们能够意识到在信息上的未来特性,咱们有必要考虑利用现今发达的信息资讯技术,考虑将咱们的信息高程度的电脑网络化。电脑网络化能够带给咱们许多好处,如减少重复的修改和输入工作,也因此节省时间而较能及时化,也同时减少输入量犯错的机会,有能够通过电脑软件进行有效的控制和利用电脑的许多计算和处理才能。


  柔性印制板SMT工艺探讨


  随着电子作品向短小、轻薄方向发展,对应的便要求电子元器件集成化、微小型化。传统的通孔安装技术(THT)已不能满足要求,新一代的贴装技术,即表面贴装技术(SMT)就应运而生。


  从广义角度来说,SMT是包括了表面贴装元件(SMC:SurfaceMountComponent)、表面贴装器件(SMD:SurfaceMountDevice)、表面贴装印刷电路板(SMB:SurfaceMountPrintedCircuitBoard)、一般混装印刷电路板(PCB:PrintedCircuitBoard)、点胶、涂膏、表面贴装设备、元器件取放系统、焊接及在线考试等技术内容的一整套完整工艺技术过程的统称。


  因为SMC、SMD减少引线分布特性影响,而且在PCB表面贴焊牢固,大大降低了寄生电容和引线间寄生电感。在很大程度上减少了电磁干扰和射频干扰,改善了高频特性。这类元件已广泛应用于卫星通信方面的作品中:例如,地面接收卫星信号时需使用的低噪声降频放大器(LNB)等高频作品,另外高频所用的PCB,对其特性参数:介电常数X,也有要求,例如,当电路的工作频<109HZ时,一般要求PCB基材的X<2.5.实验表明,PCB基材的X除了与基材的特性有关外,还与增强材料的含量有关。基材的增强材料含量越高,X值越大,故高频电路用PCB基材的增强料含量不能太高,这使得高频电路用PCB机械性能不够强,甚至有些高频作品还要求采的PCB非常薄,其厚度只要一般PCB厚度的1/3,这样的PCB就更加易断裂。这一特性会给该类作品的生产带来困难。下面就这方面问题,谈一谈咱们在生产实践中的部分体会及采用的上些手段以克服高频作品所用薄型PCB在进行表面贴装生产中易断裂的弱点使这类作品的大批量生产能顺利进行。


  表面贴装过程主要包括三个基本环节:涂布焊膏、贴片以及焊接,下面咱们重点前二个基本环节。


  在进行大批量生产时,咱们一般采用全自动印刷机进行印刷的(即涂布焊膏),当PCB進入印刷机被涂布焊膏之前,需先固定于印刷机内,印刷机固定PCB方式一般有二种:第一种是传送导轨并定位;第二种是传送导轨下方采用真空吸附固定并定位。


  对于较薄且易断的PCB而言,若在第一种固定PCB方式的印刷机中被涂布焊膏,咱们会看到PCB放入印刷机的传送导轨上進入到适当位置后,两传送导轨会相向夹紧PCB,这会引起PCB板中间部分轻轻凸起。一方面这个夹持力易使PCB断裂;另一方面,因为PCB中部凸起,使PCB整个需涂布面不平。这样会影响到焊膏的涂布质量。若放在第二种固定PCB方式的印刷机中被涂布焊膏,就可避免上述情况,因为这种固定PCB方式时,传送导轨是不相向运动,所以不会对PCB两边施加一相向的力,PCB中部也就不会凸起,这种印刷机是靠传送导轨下方的真空吸附装置将PCB吸附于传送导轨上,PCB不会因受到夹紧的外力而折断。另外,咱们会看到PCB中间底部是悬空的。为了保证薄型的PCB在涂布时,板面平整不弯曲,咱们在实际操作时会在真空吸附装置上增加一自制平台以支撑PCB。该平台的面积可与PCB相匹配,这样就避免了因PCB板面不平而影响涂布的质量的问题。


  为了保证成品率及作品质量,采用上述第二种具有真空吸附固定功能的印刷进行生产。


  涂布焊膏之后,就進入到贴片环节。同样PCB進入贴片机进行贴片之前,起初需固定于贴片机内。贴片机夹持固定PCB的方式一般也有两种,第一种为贴片平台上传送导轨相向运动夹紧PCB。从而固定PCB并定位;第二种为传送导轨上装有压紧条,当PCB在传送导轨上前进到对应的位置时,导轨上的压紧条则自动压下,将PCB两边压在导轨上固定并定位。无论采用上述哪一种PCB固定方式,PCB中间底部均无支撑物,形成悬空,若对较薄且易断裂的PCB在进行贴片时,随着贴片平台的运动及贴片关的动作,不能完全保证PCB板面不弯曲。这会影响到贴片位置的准确性,另外第一种PCB方式对较薄且易断的PCB来说,它使PCB板两边受到一相向的夹紧力,易造成PCB中部凸起,若该PCB为拼板时,甚至会导致其拼接处断裂。为此,咱们在实际操作中会采用将PCB固定在定制的托盘中,然后将托盘送入传送导轨上,進入贴片机进行贴片,这样PCB就不会直接受到导轨给予的外力而导致断裂,而且托盘起到了对PCB的支撑作用,在贴片时,避免了因PCB无支撑物击变形影响贴片位置的准确性的问题。采用这种技巧,咱们要求托盘之间的一致性要好(包括外形、边框、尺寸及涉及PCB定位的尺寸)。托盘的一致性好坏,直接影响到贴片位置的准确性。


  当然上述技巧并不是十全十美的,它同样也存在着某些缺陷。因为采用该技巧在托盘制作上要求比較高,除了一致性要求要高外,还有一个问题需解决,即PCB的固定问题。所以在托盘制作时还要注意固定PCB的方式,既要保证PCB在托盘中不能晃动,又要使PCB便于取放,这增加了托盘的制作难度及费用、鉴于这点,咱们提出了另一种解决技巧,这种技巧就是将托盘制成简单的框架,而PCB在托盘中的固定,采用真空吸附的技巧,这使托盘制作简便了,一致性也较简单保证且PCB的取放也很简单,但是该技巧需要对现有的贴片机进行稍稍改制。因目前贴片机不带真空吸附固定PCB的功能,所以需另外增加一小型真空吸附装置,而且该装置的真空泵开启的动作需与传送导轨夹持固定PCB的动作同步。


  综上所述,薄型易断PCB的SMT工艺探讨,不过咱们对使用该类PCB的作品生产工作中的点滴体会,仅供同行们特别是在生产该类PCB的作品的同行们参考。


  SMT可制造性设计应用研讨会讲义


  1.0可制造性设计概念


  不论是您公司从事的是什么作品,不论您的顾客是内部或是外部顾客,他们对您的要求都可说是一致的。他们的要求都离不了三方面。即优良或致少满意的品质、相对较低的成本(或价格)、和较短而及时的交货期。而身为一个作品的设计人员,您对以上的三个方面是绝对有影响和控制才能的。目前新一代的设计师,他们的职责已不是单纯的把作品的功能和性能设计出来所以简单,而是必须对以上所提到的三方面负责,并做出项献。


  为什么现今的管理对设计师在这方面的表现特别重视呢?主要是因为设计是整个作品寿命的第一站。在效益学的观点上来说,问题越是能够越早解决,其成本效益也就越高,问题对公司造成的损失也就越低,在电子生产管理上,曾有学者做出这样的预测,即在每一个主要工序上,其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上,例如设计问题如果在试制时才给予更正,其所需费用将会较在设计时解决高出超过10倍,而如果这设计问题没法在试制时解决,当它流到再下一个主要工序的批量生产时,其解决费用就可能高达100倍以上。此外,对于设计造成的问题,即便您厂内拥有最好的设备和工艺知识,也未必能够很完善的解决。所以基于以上的原因,把设计工作做好是门很重要的管理。所谓把设计做好,这里指的是包括作品功能、性能、可制造性和质量各方面。


  SMT是门复杂的科技。因此目前的设计师也面对许多方面的压力。身为一个STM作品设计师,他必须对很多方面如元件和组装寿命等等数十种科目具备绝对的知识。许多这方面的问题都是以往插件技术中不必加以考虑和照顾的,但如今却成了必备的知识。所以当今的设计师,他们应当具备的知识面,已不能像以往处理电子作品设计时的范围一样。而本讲座中谈到的DFM技术,也正是当今SMT设计师必备的知识之一。


  目前在工业界里,几乎没有人不谈‘品质'管理的。先进管理观念强调,品质不是制造出来,而应当是设计出来的。这观念有其重要的地方,是使用户从以往较被动的关注点(生产线上)移到较主动的关注点(设计上)。但说法不够完善。严格和具体来说,品质既不是生产来的,也不是单靠设计来的,而应当是配合来的。好的品质是通过良好的设计(配合工艺和生产才能的设计),优良的工艺调制,和生产线上的工艺管制而获得的。而这三者又是需有良好的品质管理理念、知识、系统和制度来确保的。


  要确保作品高而稳定的品质、高生产效率和低生产成本、以及准确的交货时间,咱们的生产线必需要有一套所谓的‘坚固工艺’(RobustProcess)。而坚固工艺是必须通过设计、工艺才能、和设备性能之间的完好配合才能实现的。所谓坚固工艺,是指其对外界各种影它表现的因素的灵敏度很低。也就是说,对这些因素的大调整,其整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内的变动。


  在咱们计划引进一条生产线时,咱们必须确保此生产线能处理咱们所要制造的作品范围。但当咱们有了生产线后,咱们则应当尽力使咱们的作品设计,能适用于此生产线上制造。这便是可制造性设计的基本理念。


  ‘坚固的工艺’是相对的,所以一套设计规范也是有其针对性的。它在某一生产环境下(设备、管理、材料、工艺才能、品质标准)可能是‘坚固’的,但在另一个环境下却可能变得不‘坚固’。因此,设计的好与不好,也是有它的特定性。用户必须理解和牢记这一点。


  作品寿命,是另一设计上应当注重的地方。因为作品在服务期内会受到各种不同的环境压力(如热调整、机械振动等等),作品的设计必须确保在这方面能经得起使用环境中会遇上的各种压力。另一个要照顾到的是制造方面,可制造性和寿命有什么关系?一个设计得非常难组装的作品,其对服务寿命的威胁一般也较大,而制造工艺上的小调整常常也会缩短其服务寿命。例如一个热处理做得不好的设计其制造过程中所受到的焊接热冲击会较大,因温差较大使焊点的可靠性也不简单得到保证。这就影响了此作品的寿命。


  作品寿命的设计考虑,始于对作品寿命的定义。设计人员应当定下和寿命有关的一切条件,如寿命期(多少年?)、允许的故障率、故障定义、维修保养政策、使用环境条件、验证技巧等等。再从使用环境条件的定义下设计作品的寿命考试技巧、选择元件材料、选择设计规范,并通过寿命考试来验证设计和开发工艺等等。


  影响寿命的因素很多,可分为主因素和次因素两大类。主因素如元件引脚种类、元件的大小、元件和基本的匹配等等,这些对寿命的影响较明显严重。次因素虽然单独的影响不是很明显严重,但几种次因素的作用加起来,其整体作用也能够是相当可观的。这方面的例子如焊点的形状、成品的保护涂层(conformalcoating)、基板的外形比等等。在影响作品寿命的种种因素之中,热处理的考虑应当算是SMT应用中最重要的一部分。因为在SMT应用上,许多和寿命有关的问题都是和热处理有关。它同时也是影响可制造性的重要因素,所以在热问题的考虑上,用户应当同时兼顾到制造工艺上和作品寿命上的问题。另外一个对热处理关注的原因,是绝大多数使用在电子作品上的,他们的性能都会随温度(即关系到热处理)而发生调整的,轻则性能不稳定,重则可能失效(暂时性)或甚至被损坏(永久性)。


  咱们理解到设计规范对咱们的作品寿命(即质量)、成本和交货期都有影响,那咱们该采用什么设计规范或标准呢?咱们能够发现,公开市场上有不少类似IPC等机构推荐的设计标准。他们之间都有差别,加上各大电子厂也都有自己本身的一套规范,标准可谓五花八门。他们之中那一个较好呢?为什么大电子厂采用如IPC这类世界有声望机构推荐呢?而咱们是否能够采用呢?起初咱们必须理解和认同的一点,是SMT工艺是门复杂的科技学问,在SMT应用工作中,常出现一个问题现象是由无数因素联合形成的这一现象。而有效的解决这些问题,有赖于咱们对整体的配合才能。这是所谓的技术整合。因为因素众多,也随时间在改变,所以要找到两家完全一样的工厂的机会是很微小的。既然设计规范优化情况下是必须配合工艺和设备才能等方面的,也就是说设计标准都有其范围,越是要优化适用范围就越小。所以如果要很好的使用设计来解决问题,一套适用于本身的规范标准是必须按本身持有的条件而开发的。


  作品开发,应当将它当成是整个技术整合的一部分,而不是单独的作品开发工作。把整个技术合成一起管理,才能真正做到最优化程度,才有可能朝向‘无缺陷’或‘零缺陷’方向发展。在作品开发的初期,设计小组应当将作品的品质和寿命要求定下,如果厂内开发多种作品,有需要时能够按他们之间的不同分成几个档次。各档次都有对应的设计规范和工艺、材料规范来配合。这些规范能够是以前开发验证过的经验,也能够是为了应付新需求而开发的新规范。如果是新规范,设计方面也必须确保能够给予配合,有需要是或是引进新设备,或是提升改进现有的设备。配合设计和工艺规范的设备再通过如TPM等的先进管理,来确保其稳定性的可靠性。同时在不断标定的设备才能工作中使设计规范稳定的标准化。在另一方面,材料的规范化也应当推出对应的供应商选择和管制系统。通过对供应商才能的要求和评估来确保对工艺和材料方面的配合。厂内的技术水平,因为直接决定厂内的工艺管制才能,也是个必须注意、检测和调整的方面。


  因为当今设计工作范围和职责的改变,以及为了应付日趋强烈的开发时间压力,标准化和资讯管理成了非常重要的管理工作。对设计软件的要求,也不像以往那样注重现有的数据库,而是较注重软件的更改和兼容才能。对于CAD和PDM等管理软件和数据方面的结合也进行越来越被重视了。目前作品的更改频繁,作品的市场寿命较短等现象,使得许多工厂误入歧途,过分的注重生产线的灵活性或柔性,而忽略了相等重要的稳定性。标准化的推行,能够在这两者之间获得一个很好的平衡。适当的标准化有许多成本、质量和效益上的优势,但太多或不当的标准对柔性和设计空间起了限制,所以用户必须培养才能来维持这两者的平衡。


  2.0工艺和设计的关系


  所谓SMT技术,指的是有关如何将基板、元件通过有效工艺材料和工艺组装起来,并确保有良好寿命的一门科技。这其中便有许多种不同的组装形式和对应的工艺做法。因为各种方式都有其优缺点和不同的工艺,设计师对这方面知识的吸收也就成了一件重要的工作。例如说单面全SMT元件回流焊接技术的组装板,便具有外形薄和组装工艺较简单的优势。但其组装密度还不是很高,以及不能采用插件可能是其应用限制。而目前最多被采用的双面混装技术,具有密度较高,能混合采用SMD和插件,能发挥质量和成本之间的平衡利益。但却含必须处理两道焊接程序的弱点。诸这样类的认识,设计师都应当拥有,才能在其工作上发挥。所以要成为一位非常出色的设计工程师,努力学习组装工艺方面的知识的是重要的。详细的工艺不在本讲座的范围之内,咱们接下来谈谈部分常用工艺和设计方面的关系。从以下的例子中能够更好的理解到设计工作在整体SMT应用中的重要性。


  2.1锡膏丝印工艺


  这最常见的工艺包括4个主要工序,分别为对位、充填、整平、和释放。要把整个工作做好,在基板上有绝对的要求。基板必须够平,焊盘间尺寸准确和稳定(即便在经过焊接工作的高温处理后),焊盘的设计应当配合丝印钢网,并有良好的基准点设计来协助自动定位对中,此外基板上的标签油印不能影响丝印部分,基板的设计必须方便丝印机的自动上下板,外形和厚度设计不能影响丝印时所需要的平整度等等。这些都必须经过设计师的考虑。


  另外常见的问题是基板上的绿油(阻焊涂层)印刷不断或太厚,铜焊盘的保护处理选择不当(例如在微间距应用上采用垂直热风整平VHASL处理,双回流应用中采用不当的OSP等等)都应当在设计时给予适当的考虑和处理。


  丝印钢网的设计,有些工厂目前还是和焊盘设计分开考虑和进行的。这是种不当的做法。这两者是息息相关的,其设计指标应当同时考虑和进行。常见的问题是钢网的开孔被设计为比焊盘CAD数据稍为小些,同时在CAD数据上有允许焊盘在CAD数据上有个较小的公差(例如允许有+/-0.05mm值)。这使得在丝印钢网上的缩小失去其实用意义。准确的做法应当是要求基板上焊盘的尺寸公差定为如-0.0,+0.05(即只允许比CAD大而不允许小)的范围。钢网设计和制造能够由工艺或生产部门人员来执行,但必须和设计部的焊盘设计一块考虑。


  2.2点锡膏工艺


  如果厂内采用的锡膏涂布工艺注射是方式的,在基板上的焊盘设计又和丝印有所不同。例如焊盘的长度应当受到更短的限制,铜焊盘的防氧化处理要求更严格。但对绿油的要求却不高。对于不同元件封装也应当有个别的考虑。例如J引脚的PLCC元件,如果采用一般的做法在每一焊盘上分点两点锡膏,则有可能在回流前锡膏和引脚的接触不良,引起引脚发生位移的问题。如果采用点3锡点的方式,则又浪费宝贵的生产时间。所以焊盘的尺寸设计因给予更改,要求对元件封装进行较严格的范围控制,同时将焊盘加宽和缩短以达到能采用单一锡点的工艺。


  对于采用不同的泵技术,焊盘设计也有绝对的不同,所以设计师严格对各中泵的性能和特点有足够的理解。致少对本身厂内所使用的技术应当有足够的理解。


  2.3黏胶应用


  目前较常用的有点胶和印胶工艺。点胶工艺中有各种的注射泵技术,还有适用于非常高产量的针印工艺。目前更发展出新一代的喷射工艺。印胶工艺方面的做法则和锡膏的丝印很相似。


  各种的泵在胶点的量控制才能和点出的胶点外形上也有不同,这是设计和工艺人员应当理解和注意到的。例如在同一直径胶点的高度上,采用针印工艺的高度就来得低些,喷射工艺最高,而鞭他的泵则处于他们之间。这些调整也就影响了设计工作。例如在元件外形和尺寸不变的情况之下,为了确保胶点能对元件的底部有足够的接触面。采用针印工艺的胶点虚设铜盘的宽度就应当较大,以处理更大的胶点直径。


  除此之外,胶水的种类和品牌也影响点的外形。所以在技术整合的观念下,设计规范是必须和工艺规范同时开发的。


  2.4贴片工艺


  贴片机是否能处理咱们设计时所选的元件,把他们都准确的贴在所需的位置上,这问题直接影响了咱们的生产。所以在设计时的元件选择工作上,对厂内贴片机性能的理解也是关键的。此外,出于贴片工序在整条生产线上经常是效率的‘瓶颈’(也就是限制整条生产线率的一节),在设计时咱们还得同时考虑对生产效率的影响。


  对于一个设计人员,在贴片这一工艺上应关注的有以下几方面:


  1、能处理的元件范围和个别元件的处理才能(拾放可靠性)。


  2、对各元件的对中才能(贴片精度和重复精度),包括基板的定位才能。


  3、灵活性和转换才能(可行性、所需进间和资源)。


  4、对各元件的产量。


  5、基板的处理才能和范围(材料种类、厚度、外形比等等)。


  市面上对贴片精度的规范和指标常出现错误或不完整的说法。正确的精度标法应包括分布系数SIGMA和贴片精度平均值U的资料,或是以Cp和Cpk两者标出。设备科人员应当协助提供这方面的资料给设计部人员。通过对此的理解,设计师才能对其焊盘尺寸的考虑做出优化。


  设计人员也该进一步的理解贴片精度的误差的来源。他们是有4个主要因素:基板质量、设备对基板的识别和定位才能、设备的机械精度、和设备对元件的识别和对中才能组成的。例如理解厂内设备对基板的识别的定位才能后,就能对应的设计合适的基准点(大小、形状、位置分布和反差条件等),就能决定区域和专用基准点是否需要等来确保作品设计的可制造性。

  对设备的灵活性方面的理解也一样。理解了什么元件能被处理,处理的可靠性如何,在处理不同元件时是否需要某程度的设备转换,是自动还是人工转换,对生产时间的浪费影响有多重等等之后,在选择元件封装上也能够做出更好考虑。而这些考虑的内容也能够提醒采购人员在采购时做出对应的要求。

  2.5波峰焊接工艺

  因为混装板和插件元件在应用上的某些优势,波峰焊接工艺目前仍是常见的组装焊接工艺之一。波峰焊接工艺的问题,如桥接、‘阴影效应’等已是众所周知的经验。许多问题在设计上能够给予绝对程度的协助,如为了减低SOIC引脚间桥接的‘吸锡盘’或‘盗锡盘’设计等。设计人员应当对他们有足够的理解和应用。应当注意的一点,是这些问题的程度,在波峰焊接工艺中是和设备原理和调制有很大的关系的。设计工作必须严密的配合设备料的工艺调制规范进行。例如说为理解决矩形件和‘阴影效应’而增加的焊盘长度,到底应增加多少是和厂内的设备和工艺调制才能息息相关的。忽略对厂内工艺和设备才能的理解而盲目搞设备规范是错误的做法。

  另一个经常受到关注的波峰焊接问题,是元件的受热问题。对于双面有元件的作品来说,一面的元件有可能在经过波峰焊时完全浸在高温的熔锡中,那热冲击能够高达每秒200多度。元件的封装是否经得起这样的热处理,在其寿命和性能方面会产生什么影响,是设计人员应当给予考虑的。

  为了处理只要少数插件的作品,或为了保护部分对热较敏感的元件不受熔锡的热冲击,目前有些部分波峰焊接的工艺和设备。厂内如果有采用这类设备,板上元件的编排会可能受到设备动作的部分限制。例如必须留下某些空位等等。

  2.6回流焊接工艺

  回流焊接工艺是目前最流行和常用的批量生产焊接技术。回流焊接工艺的关键在于找出最适当的稳定时间关系(即所谓的温度曲线设置)。并使它不断的重复。温度曲线必须配合所采用的工艺材料(锡膏),注意的参数有升温效率、温度的高低、在各温度下的时间、和降温效率。市场上出现了多种不同加热原理回流炉子,其实如何加温还是次要,最重要的是必须能够随意控制温度的调整和保持稳定。

  市场上采用的加温法,仍然不外3个基本的热传播方式。即传导、对流和辐射。各种炉子的原理也能够这技巧来分类。在采用传导方式的有热板、热丝和液态热(很少用)三种主要技术。采用对流的有强制热风、惰性热气、和气相回流(已基本不用)技术三种。而采用辐射技术的,有红外线、激光和白光三大源流。

  热板回流技术仍用在陶瓷基本工艺上,它只能用在单板上,而必须靠基板的良好热导性能才能发挥效益,限制了他在大部分电子组装业上的用途。热丝技术在英文中常称hot-bar焊接技术,是因为他常用在以金属或陶瓷片为加热媒介的设备上而得名。它适用于长、平和柔软引脚的元件上(如柔性板和TAB工艺上)。通过控制温度、压力和时间来控制焊接效果。需要不同的焊头来处理不同的元件。是属于较慢的工艺。工艺控制可能不易。此技术可应用在反修工作上。

  热风或热气技术有两种,一上适合批量生产的自动化回流炉子,另一是供部分焊接用的吹管技术(常用在返修技术上)。通过空气或惰性气体的对流作用来传热。在部分焊接技术上必须使用不同的吹管来处理不同元件是它的一个弱点。在使用空气为媒介时是个经济的方案,但工艺效率较慢。

  白光和红外线在小批量生产的应用上,都是通过光学聚集的原理将光内的热能集中起来,对焊点做部分加热的。其好处是没有机械接触(不像热丝技术),部分焊接不会对元件封装造成过热的威胁,能够自动化编程。缺点是焊接以点进行,效率较慢,虽不会对元件封装有过热的威胁,但失控时对焊点有过热的可能,而白光对人的眼睛不利。其加热效率快使他在对热容量大和封装对热较敏感的元件应用上有优势。

  激光技术和以上的白光和红外线原理类似,不过媒介同。这是种较新的技术,还未普遍被接受,主要原因可能是价格方面(非常昂贵)。激光的能量能够被很准确的进行控制,重复性很高,焊点能够很细(对微间距技术没困难),因为部分性很高而能保证很好的焊点质量(没有内部潜在应力)。此技术或许有很好的发展潜能,但目前说法不一。

  电感焊接技术,是一种通过电感效应的涡流加热原理来进行焊接的工艺。具有没有机械接触、加热快和热容量高的优点。缺点是技术不易掌握,焊点周边不能有某些金属部件,高频信号对某些电子元件不利和加热头的位置敏感度高等等。目前的应用还不普遍。

  火炬焊接技术,适用于焊点热容量特高的应用上。如在基板上有大的插座或金属屏蔽板等等的场合。也属于非接触式和部分焊接的工艺。缺点是工艺经验缺乏,对焊点的可靠性数据理解和考察不够(不过在某些应用上不是太重要)。

  红外线用在批量生产焊接技术上已有很长的时间,它是热风回流技术成熟前的主要工艺。目前还有些产家还在推荐远红外线技术的炉子。此技术的优点是加热效率较高,重复率很好,热容量也好,对部分回流工艺问题如吸锡(wicking)和立碑等较能应付。缺点是作品板上的温度较大,对部分元件的外形和封装材料调整较大,而且有超温的可能。另一更常见的批量焊接技术是热风回流技术,他基本是解决了红外线技术存在的问题,但设备困难,好的设备价格高于红外线技术,(差的设计性能不如红外线技术),而且应用上对知识的要求也较高,设备保养要求也高,设备选择不易,必需要有一套考试技巧。

  回流曲线设置的关键,在于将作品板上最热和最冷点找出,通过对炉温的调制使这两点的范围设置在锡膏性能的要求范围内,工作便可说是搞定了。板上热点和冷点的热学特,影响的因素很多,在设计作品时便应当考虑到和照顾到这些,使设计出来的作品上,热点和冷点的温差尽量做到最小为此。这不但使生产简单控制,对设备的性能(和价格相关)和保养的要求也较低,而且对作品焊点的质量也较简单保证,是个设计时很重要的考虑点和做法。

  3.0理解您的制造才能

  理解厂内实际的制造才能,是推动DFM管理的重要部分。工作包括对厂内设备的才能进行量化考察、规划和制定规范指标。这做法的主要原因有四:一是因为每个设计规范都有它特定的适用性或针对性,它只要在特定的条件下才能最优化的发挥其功能。第二个原因是大多数的生产线都是不同的,即便设备的硬件配置一样,管理、工艺知识、品质标准等等软科学会使其不同。所以在另一个工厂适用的设计规范,未必也适用于您的工厂。只要完全和准确的理解您厂内的才能情况后您才可能制定出一套优化的设计规范或标准。第三个原因是许多有用和重要的资料,除非您亲身去考察、考试和记录,您不可能在市场上得到现成的,即便是设备供应商也提供不了。第四原因,是在优化设计上,基本没有所谓的通用标准可被使用。

  在您的生产环境里,有什么是需要您的关注和量化理解的呢?您能够从四个方面着手。即生产线的功能(能做些什么?)生产线的柔性或灵活性(需要什么改变处理工作的变更?)、质量(能把作品做到多好?包括长期寿命方面和直通率方面的考虑)、以及生产效率(产量和成本)。

  生产线才能规划的例子,例如每一条生产线对基板的处理才能范围,包括如基板的材料、基板的厚度范围,板的尺寸限制、重量限制、板边的留空要求、定位要求(如基准点、定位孔、边定位的厚度和曲翘限制等等)、以及如果采用自动条码识别系统的位置要求等,这些都必须有详细和准确的规划。应注意这些规划应以整线而不是以个别设备的层次来进行的。如果厂内有多条不同规范的线,能够考虑以统一规范(最严格的规范)或分等级来简化。

  同样的,对于元件的处理才能,咱们也应当给予理解和规划。这方面可包括如各种常用元件的释放才能(以dpm计)、贴片机吸咀的种类和要求、对中技术和才能、贴片力度(静和动态)、供料器种类、数目和性能、以及各元件对效率效率的影响等。

  对于各设备的性能和技术限制,咱们也应当有足够的理解和记录。例如厂内所采用的回流炉子是属于什么加热原理的,如果是热风原理,那它对排风调整的影响或灵敏度又如何;如果是红外线对元件的外形和颜色有什么影响;炉子的轨道是否会因为吸热而对板的两边造成冷区效应,程度又如何等等这类的性能问题,都应当给予详细的考察和记录在设计规范内。

  除了设备的才能,整体的工艺才能也必须是规划的内容。厂内应当有最少一份的工艺规范,内容详细的类出厂内工艺的才能和极限。例如在锡膏工艺上能采用什么工艺(丝印、点锡)、达到什么程度(0.3mm间距、0.12mm开孔、AspectRatio1:1.5、双面印刷才能等等)。注意一切重要的条件(如锡膏种类、基板厚度和表面处理要求)也都必须清楚的列出。订立设备和工艺规范的技巧,能够配合供应商资料、生产线的实际经验(但必须是科学性的)和厂内设立的试验结果,使经过难验证的数据经验被纳入设计数据库使用。一切验证和分析、决策的过程都应当有份记录档案,方便日后改进工作。

  要正确和有效的进行以上工作,您厂内必须具备良好的设备工程学和SMT工艺知识。在这些才能未足够建立起来之前,推行的工作有可能是白费和误导的。工厂管理应当注意这一点而不可冲动行事。以免招到投入后没有效果的失败。

  SMT可制造性设计应用研讨会讲义(中)

  4.0基板和元件的选择

  选择适当的材料是设计工作内的注意部分。材料的选择必须考虑到他的寿命和可制造性。许多设计人员只注重在元件的电气性能、供应和成本的做法是不全面的。在电子工业中,大部分所用的材料都对温度有绝对的反应和敏感性。而在电子板的组装过程中又必须经过绝对程度,而有时又不只一次的高温处理。所选用的元件和基板等是否会变质呢?元件原有的寿命是否会缩短了呢?这些也都是需要加以考虑的。在作品的服务期内,作品本身也会经历部分热调整,如环境的温度调整,作品本身电源的接通和切断产生的热功率等等。这些热起的体形调整对SMD焊点起着不利的影响,是SMT作品中的一个主要寿命问题根源。所以在设计时对这方面的考虑也是重要的工作。

  4.1基板的选择和考虑

  基板的作用,除了提供组装所需的架构外,也提供电源和电信号所需的引线和散热的功能。所以对于一个好的基板,咱们要求它有以下的功能

  1.足够的机械强度(附扭曲、振动和撞击等)。2.能够承受组装工艺中的热处理和冲击。3.足够的平整度以适合自动化的组装工艺。4.能承受多次的返修(焊接)工作。5.适合PCB的制造工艺。6.良好的电气性能(如阻抗、介质常数等)。

  在基板材料的选择工作上,设计部门能够将所有作品性能参数(如耐湿性、布线密度、信号频率或效率等)和材料性能参数(如表面电阻、热导、温度膨胀系数等)的关系列下。做为设计选择时的考虑用。

  目前较常用的基板材料有XXXPC、FR2、FR3、FR4、FR5、G10、和G11数种。XXXPC是低成本的酚醛树脂,其它的为环氧树脂。FR2的特性和XXXPC接近,但付阻燃性。FR3是在FR2的基础上提高了其机械性能。G10较FR3的各方面特性都较强,尤其是防潮、机械性能和电介质方面。G11和G10接近,不过有较好的温度稳定性。FR4最为常用,性能也接近于G10,能够说是在G10的基础上加了阻燃性。FR5则是在G11的基础上加了阻燃性。目前在成本和性能质量方面的考虑上,FR4可说是最适合一般电子作品的批量生产应用。对于有大和微间距的元件,而由采用双面回流工艺的用户,能够选择FR5以求较可控的工艺和质量。

  为理解决基板和元件之间温度膨胀系数匹配的问题,目前有采用一种金属层夹板技术的。在基板的内层夹有是铜和另一种(常用的为殷钢,也有的用42号合金或钼),这中间层可用做电源和接地板。通过这种技术,基板的机械性能、热导性能和温度稳定性都能够得到改善。最有用的是,通过对铜和殷钢金属比例的控制,基板的温度膨胀系数能够得到控制,使其和采用的元件有较好的匹配,而增加了作品的寿命。

  在整个SMT技术应用中,基板技术能够算是较落后的。从目前的用户要求和基板发展商方面理解到,今后基板技术的发展,应当是朝以下的方向前进。

  1.注更细的引线和间距工艺(层加技术已进行成熟)。2.更大和更厚(用于更多层基板)。3.减少温度膨胀系数(新的材料或夹板技术)。4.更好的热传导性能(目前也有在研究通过辐射散热的)。5.更好的尺寸和温度稳定性。6.可控基板阻抗。

7.氧化保护工艺的改革(锡膏成份有可能改变)。

  这些展望意味着基板技术有可能在将来有个大的改革。设计师应对这方面的动向保持留意。做好需求改变的准备。

  在基板技术的可制造性考虑上,绿油(防焊层)的应用是其中的一个重点。一般SMT用户很少去理解基板制造商对渌油的选择和应用。也缺乏这方面折知识。所使用渌油的化学特性,必须能符合基板的组装工艺(返修、点胶固化、油印等),也必须能融合或接受组装工艺上所采用的一切化学材料,如助焊剂和清洁剂等。这方面的资料应向基板供应商要求。注意有些化学反应的资料未必有。但致少用户能够理解那方面是可能存在问题的。在需要时能够要求基板或绿油供应商协助试验分析。

  基板业中常用的绿油工艺有四种,分别为液态丝印工艺、液态光绘工艺、干膜工艺和干湿混合工艺。液态丝印工艺成本最低,但质量(精度和分析度)较差,用于面积较小和密度较低的作品基板。干膜工艺精度和分析度很好,但成本高和涂布后的厚度较高,不利于某些工艺。干湿混合工艺的强点是对接通孔的充填才能强,但固化工艺必须做得完整,否则在SMT组装中会有泄气的不良问题。液态光绘工艺的发展潜能很高,他有很好的精度和分析度,成本低于干膜工艺,而且能控制较薄的厚度,对锡膏丝印工艺有利。不足的是此工艺对接通孔的充填才能较弱。

  在SMT组装工艺上常见的绿油相关问题不少,如绿油太厚造成锡膏丝印工艺的难控,绿油在基板制造时固化不良而泄气(形成焊点气孔)或裂开(腐蚀进行和应力集中),材料吸湿而造成绿油层在回流时的脱离,基板绿油工艺不良而造成绿油和焊盘界面的断裂,以及某些干膜材料简单引起焊球问题等等都是较常见的。

  4.2元件的选择和考虑

  对元件的选择,一般必须做到的考虑点最少有以下几方面

  1.电气性能。2.占地效率(三维)。3.成本和供应。4.元件可靠性和使用环境条件。5.和设计规范的吻合。6.适合厂内的工艺和设备规范。7.可组装性、可考试性(包括目视检查)。8.和制造相关的资料是否完整可得(如元件完整详细外形尺寸、引脚材料、工艺温度限制等)。

  在可制造性考虑上,元件的选择始于对封装的理解。元件的封装种类繁多,也各有各的长处。做为设计人员,对这些封装技术应当有绝对的认识。才有才能在可选择的范围内做出最优化(即适合高质量高效率的生产)最适当的选择。要很好的做出选择,设计人员应当要有最基础知识的认识。例如去理解元件封装的目的。如果理解封装的目的之一是提供散热,那在设计上自但是然的考虑到不同封装的散热性能。理解到散热和IC的引脚材料有关后,便自但是然地考虑到是否需要采用铜而放弃42号合金的引脚之类的问题。

  对于元件封装和组装工艺相关的问题,已不在不过工艺或生产工程师的事了。设计人员也应当有所理解。例如在‘爆米花效应’(Pop-comeffect,因元件吸湿而在回流过程中爆裂的现象)的考虑上,在可选的情况下会优选PLCC44而不用QFP44。又如对SOIC的底部浮起高度的考虑,市面上有不太统一的规范,设计人员应当理解到不同高度指标对厂内现有的工艺和设备将会造成什么问题。如当作品设计较大,厂内工艺采用精洗工艺时,元件选择上就应当规定较高standoff的元件。另一个例子,如果厂内采用的贴片机注意的。元件的选择考虑也应包括元件的包装。不同的包装有不同的生产效率和成本。应按厂内设备和管理的情况加以考虑选择。

  5.0热处理设计

  热处理在SMT的应用上是很重要的学问。原因之一是SMT技术在组装密度上不断增加,而在元件体形上不断缩小,造成单位体积内的热量不断提高。另一原因是SMT的元件和组装结构,对因尺寸调整引起的应力的消除或分散才能不佳,造成对热调整引起的问题特别严重。常见的故障是经过绝对时间的热循环后(环境温度和内部电功率温度),焊点发生断裂的现象。

  在设计是考虑热处理问题有两方面,一是半导体本身界面的温度,另一是焊点界面的温度。在分析热性能的时间,有两大注意方面。一是温度的调整幅度和速率,另一是处在高低温度下的时间。前者关系到和温差有关的故障,如热应力断裂等。后者关系到和时间长短有关的故障,如蠕变之类。所以他们的影响是不同的,故障分析时都应个别考试和考虑。

  因为受热而为害作品的其中一种方式是热冲击。作品在其寿命期间,尤其是在组装过程受到的热冲击(来自焊接和老化),如果处理不当,将会大大的影响其质量和寿命。这种热冲击,因为来得较快,即便材料在温度系数上完全配合也会因温差而造成问题。除了制造上的热冲击,作品在服务期间也会经历程度不一的热冲击,例如汽车电子在冷天气下启动而升温等等。所以一件作品在其寿命期间,将会面对制造、使用环境(包括库存和运输)和本身的电功率耗损三方面的热磨损。

  为确保寿命而努力的热处理工作,对于半导体或元件供应商、设计和组装工厂、元件作品的用户各方面都有本身的责任。元件商的责任在于确保良好的封装设计、使用优良的封装材料和工艺、并提供完整有用的设计数据给他的用户(即作品设计和组装工厂)。作品设计和组装工厂的责任则在于设计时的热处理考虑,正确和足够散热的采用,以及正确的组装工艺应用和管制。至于作品用户,则应根据供应商建议的使用技巧、环境和保养来使用这作品。

  要确保作品有较长的寿命,有效的散热处理和热平衡设计就成了重要的工作。散热的方式,一般还是通过热传播的三个基本原理,即热的传导、对流和辐射来达到的。在散热考虑上有几个难处。从避免有噪音(机械和电气噪音)和成本的观点上,咱们偏向于采用自然空气对流的技巧来散热。但从防止腐蚀和电移等观点上,咱们又希望将作品和空气隔开。这样的矛盾,加上空气流动学和复杂学问,而作品组装起来的外形(元件高矮距离的布局)对空气的流动造成的影响,基本的结构和对各不同热源(元件)的散热分担等等都是复杂的学问。目前也还没有能较好准确进行整体分析软件之类的工具来协助设计工作。所以这工作做起来相当棘手。很多时间还得凭经验和尝试。传统的以热阻公式的估计法依然通用,唯对多元件合成的整体作品的分析准确度不高(个别估计还能够)。但因为没有更可靠的技巧,目前的软件还是建立在这基础上的。

  从THT(插件技术)到SMT的转变中,咱们能够发现元件的体形缩小了,作品的组装密度增加了,元件第部和基本间的距离缩短了,这些都导致通过对流和辐射散热功效的减低,而通过基板的传导来散热就更重要了(虽然基板因密度增加也造成传导散热效率不良)。在元件封装技术上,SMDIC方面的设计通过不同引脚材料的选用和内部引脚底盘的尺寸设计而大有改善(较插件DIP的效果好),但这改进很多时间还应付不了组装密度的增加、元件的微型化和信号效率快速增加等方面发展连带的散热问题。

  温度膨胀系数失配的问题,除了材料外也和元件和基板的大小有关。例如2220的矩形件在这方面的寿命就较1206来得短,而LCCC156也会较LCCC16的寿命短许多。一份试验报告显示LCCC156的热循环考试寿命为183周,对同考试条件下LCCC16的722周寿命小了许多,只要他的25%左右。

  解决这类问题或延长寿命的技巧,工业界中有几种对策。当然最基本的是尽量选择有引脚的元件,尤其是体形较大的元件。其中翼形引脚在这方面的可靠性算是较好的。另一种做法是采用有金属夹层(如上提到的铜一殷钢夹板)的基本设计,这是种相当理想的做法。但价格昂贵而且供应商少。第三种做法是采用在环氧树脂和铜焊盘间加入一层弹胶物的基板设计,这弹胶层的柔性能够大大吸收因温度调整产生的应力。还有一种做法是采用了一种特制的锡膏,在锡膏中加入了某些专人成份的陶瓷或金属细球体,使焊点在回流后被托高起来。较高的焊点有更强的吸收应力的才能。

  很多时间,单靠正确的材料选择和设计还是不足以完全解决散热的问题。因此额外的设计就必须被用上。在散热处理中,通过辐射的技巧以往不被采用(这方面有新发展,稍后提到)。原因是辐射散热需要有较大的温差才有效,也就是说热源要相当的热而一般不被接受(散热就是使元件处于低热);同时散热的途径不易被控制(辐射是往各方向进行的),会造成对周边元件的加热现象。对流散热常被使用,其中有自然对流和强制对两种技巧。自然对流较经济简单,但有绝对的限制。如热源不应超过每单位立方米1万两千瓦特、空气和热源的温差应超过30度以上等等条件。强制对流,即采用风扇吹风或排风的做法,是个相当常用和有效的技巧。能够用在整机或单一元件(如电脑中的处理器IC)上。一般它的散热效率可达自然对流的4至8倍。缺点是成本、重量、耗能等都高。传导散热技术,在作品不断微型化下逐渐被重视和采用。一般配合基板材料的选用和设计(如金属内夹板),使热能通过基板的传导扩散到基板外去。一般传到板边缘的金屑支架或机壳上。散热才能能够达到每单位立方米25万瓦特(自然对流的20倍)。另外还有很少被使用和液体散热技术,散热才能可达自然对流的80倍。因为作品的基板必须被浸在冷却液体中,液体材料的选择要很小心。以确保不会影响作品的电气性能和起化学调整。这方面系统的设计也较困难,成本很高,所以只用在特大功率如特大型的电脑上。采用黏性较大的冷却液体还能同时起着避震的作用。液态散热也有自然对流和强制对流两种做法。

  目前工业界中有工厂在开发一套新的散热技术,是采用辐射原理的。利用于类似无线电天线的发射原理,把热能当做是一种波来发射离热源。据已表的研究报告,通过在元件底部基板上铜分布和图形,元件基板内层的结构设计,其辐射散热的效果能够达到采用一般散热器的两倍多。目前这项研究仍进行中,是要找出铜分布图形和散热才能的确实关系。

  以下是部分有用的散热考虑:

  1.在空气流动的方向上,对热较敏感的元件应分布在‘上游’的位置。

  2.发热较高的元件分散开来,使单位面积的热量较小。

  3.将热源尽量靠近冷却面(如传导散热的板边等等)

  在使用强制空气对流的情况下:

  4.较高的元件应分布在热源的下游地方。

  5.下游的高元件应和热源有绝对的距离。

  6.高长形的元件应和空气流动方向平行。

  SMT可制造性设计应用研讨会讲义(下)

  6.0焊盘设计

  焊盘的尺寸,对SMT作品的可制造性和寿命有着很大的影响。所以它是SMT应用中一个必须做得好的工作。影响焊盘尺寸的因素众多,必须全面的配合才能做得好。要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。所以SMT用户应当开发适合自己的一套尺寸规范。而且必须有良好的档案记录,详细记载各重要的设计考虑和条件,以方便将来优化和更改。因为目前在部分因素和条件上还不能找出具体的有效的综合数学公式,用户还必须配合计算和试验来优化本身的规范,而不能单靠采用他人的规范或计算得出的结果。

  6.1良好焊盘和影响它的因素

  一个良好的焊盘设计,应当提供在工艺上简单组装、便于检查和考试、以及组装后的焊点很长的使用寿命等条件。设计考虑上的焊盘定义,包括焊盘本身的尺寸、绿油或阻焊层框框的尺寸、元件占地范围、元件下的布线和(在波峰焊工艺中)点胶用的虚设焊盘或布线的所有定义。

  决定焊盘尺寸的,有五方面的主要因素。他们是元件的外形和尺寸、基板种类和质量、组装设备才能、所采用的工艺种类和才能、以及要求的品质水平或标准。在考虑焊盘的设计时必须配合以上五个因素整体考虑。计算尺寸公差时,如果采用最差情况技巧(即将各公差加起来做总公差考虑的技巧),虽然是保险的做法,但对微型化不利而有难照顾到目前统一不足的巨大公差范围。所以工业界中较常用的是统计学中接受的有效值或均方根技巧。这做法在各方面达到较好的平衡。

  6.2设计前的准备工作

  焊盘设计必须配合多方面的资料,所以在进行焊盘设计有以下的准备工作先得做好。

  1.收集元件封装和热特性的资料。注意国际是对元件封装虽然有规范,但东西方规范在某些方面的相差还是挺大的。有时要以统一的焊盘尺寸来处理这巨大的规范范围,同时又要配合厂内的各种条件而做到最优化是不可能的。用户必须在元件范围上做出选择或把设计规范分成等级。

  2.整理基板的规范。对于基板的质量(如尺寸和温度稳定性)、材料、油印的工艺才能和相对的供应商都必须有一个清楚详细记录。

  3.制定厂内的工艺和设备才能规范。例如基板处理的尺寸范围、贴片精度、丝印精度、回流原理和点胶工艺采用的是什么注射泵等等。这方面的量化理解对焊盘的设计也有很重要的帮助。

  4.对各制造工艺的问题和知识有足够的理解。这协助对设计焊盘时的考虑和取舍,有些时间设计无法面面俱顾,这方面的知识和才能能够使设计人员做出较好的决策。

  5.制定厂内或对某一作品上的品质标准。只要在理解到具体的作品品质标准后,焊盘设计才能够有意义的推算出来。品质标准是指如焊点的大小、需要怎么样的外形等等。

  6.3波峰焊工艺中的部分考虑

  波峰焊接工艺中,较常见的工艺问题有‘阴影效应’(缺焊)、‘桥接’(短路)和元件脱落。‘阴影效应’是因为元件封装的不润湿性和溶锡的强大表面张力造成的,为了避免这种问题的产生,焊盘的长度必须有足够的伸延出元件体外,越高的元件封装伸延也应越长。而元件和元件之间的距离也不能太靠近,应保留有足够的孔隙让熔锡渗透。注声这些尺寸都和厂内的设备和调制才能有绝对的关系,所以设计时必须理解到厂内这方面的特性。

  ‘桥接’问题常发生在IC引脚上和距离太近的元件。解决的技巧是给予足够的元件间距,对于IC引脚(一般在离开锡炉的最后引脚上)能够在焊盘设计上加入‘吸锡’或‘盗锡’虚焊盘。此焊盘的尺寸和位置看IC的引脚间距和类型而定。对于较细间距的翼形引脚应采用较长的吸锡焊盘。此外,对于四边都有引脚的QFP应采用45度角置放,以减少桥接的机会。对于J形引脚和间距较宽的PLCC则无此需要。

  元件脱落的问题,一般是因为黏胶工艺做得不好造成的。最常见的是因为胶点的高度不够引起而很多时间是因为工艺(泵技术)和材料(黏胶、元件)的选择不当,以及因基板上焊盘高度将元件托起而引起的。设计时除了要具体和严格的规定元件的封装尺寸、工艺规范中规定技术和材料外,在基板的设计上可采用所谓的‘垫盘’(胶点处的一种虚焊盘)来协助增加胶点的高度。这‘垫盘’也能够采用信号布线来代替。

  6.4焊点质量的考虑

  决定焊盘的尺寸大小,起初要从焊点的质量来考虑。什么样的焊点(大小、外形)才算是优良的焊点呢?在点厂内的品质部应当配合设计和工艺部有一认同。科学性的确认是通过对不同焊点大小和外形进行寿命考试而得来的。这类考试费用高、技术难、所需时间也长,因此不是每一家工厂都能负担的。不过工业界中有许多经验是能够被咱们参考和借用的。例如说矩形元件的焊点,咱们要求底部端点最少有一半的面积必须和焊盘焊接(家电和消费作品),端点两侧要有0.3mm以上或元件高度的三份一的润湿面等的最低要求。

  对于设计工作,重要的是咱们应当理解到焊点组成各部分的功能和作用。例如理解到矩形元件两端延伸方向处是影响焊点的机械力,是提供工艺效果有用的检查点。而它在组装工艺上是影响立碑和阴影效应的重要部分和关系后,咱们在设计时就能很好的给予尺寸方面取舍的决定。有例如咱们理解到矩形元件各端点两侧只提供未必需要的额外机械强度,而它又是决定回流时‘浮动’效应(引起立碑的成因之一)时,咱们能够在小元件上放弃这两铡的焊盘面积来换取较高的工艺直通率。

  6.5焊盘尺寸的推算

  焊盘尺寸的初步推算,应当考虑元件尺寸的范围和公差,焊点大小的需要,基板的精度和稳定性和厂内的工艺才能(如定位和贴片精度等)。推算的公式内应当包含这些因素的考虑。让咱们来看以下的例子。

  在焊盘尺寸X的考虑上,为了确保端点底部有足够的焊接面,咱们采用了元件范围中最长的L值,加上品质标准中所需的端点焊点(0.3mm或元件端点高度的1/3),再加上贴片精度的误差(注:有些认为回流时元件会自动对中而不考虑,这种做法不当。因为不是在任何情况下都会自动对中,而且即便能自动对中,在对中前会产生中贴偏而不利工艺的其他问题)。此外因基板尺寸误差在制造时是以只允许大而不可小的指标来控制的(见以上2.1一章),所以基板的误差能够不加在公式内。因此,X的推算概括如下:

  X最小值=L最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度

  X最大值=L最大值+1.5X元件端点高度-2X贴片精度

  注:焊盘延伸长度超过元件高度的1.5倍时简单引起浮动立碑问题。

  对于D的考虑,为确保有足够的端点底部焊接面,采用了元件S的最低值,减去品质标准中所需焊点大小。成为:

  D最大值=S最小值-2X优良焊点的延伸

  因为在质量观点上元件底下内部焊点不是很重要,此处的贴片精度和焊点保留区能够同时考虑(包括在一起)。用户也能够采用:

  D最大值=S最小值-2X贴片精度

  一般以上的抉择是看那一个公差较大而定。D最小值的考虑点是焊球问题,但能够提供丝印钢网的设计来补偿。一般在设计D尺寸时用以上的公式而不找其最小值(没额外的好处)。

  Y值的考虑和X值类似。但无需考虑最大值,因为延伸以下的焊盘没有什么意义。

  Y最小值=W最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度

  因为从W值再向外延伸的焊盘尺寸,对元件的寿命和可制造性没有什么更有益的作用,而缩小这方面的尺寸对元件回流时的‘浮动’效应有制止的作用,许多设计人员因此将焊盘的Y值方面不加入这方面的值,甚至还有为了更强的工艺管制而使用稍小于W值的。对于小的矩形(0603或更小)能够考虑此做法。

  以上是以矩形为例子,用户该做到的是理解焊点的作用细节,理解尺寸和工艺方面可能发生的误差,那不管是什么引脚,什么封装的元件焊盘都能较科学的推算了。

  6.6绿油(阻焊层)的考虑

  对于绿油无覆盖框的尺寸考虑,主要是看基板制造商在绿油工艺上的才能(印刷定位精度和分析度)而定。只要保留足够的孔隙确保绿油不会覆盖焊盘和不会因太细而断裂便能够了。一般采用液态丝印绿油涂布技术的,约需保留0.4mm。而采用光绘绿油涂布技术的,则只需约0.15mm的间隙。最细的绿油部分,丝印技术应有0.3mm而光绘技术应有0.2mm。

  6.7占用面积

  占用面积指的是不能有其他物件的范围。这方面的考虑是要确保检查(光学或目视)和返修工具和工作所需的空间。设计人员应先理解厂内所采用的返修和检查技巧和工具后再进行制定此规范。

  7.0基板设计和元件布局

  基板设计能够从基板如何在自动化设备中处理进行。例如设备自动传送带所需的留空宽度、基板在每一处设备中的定位方式和需求(如边定位需要绝对的厚度和平整度等等)、定位孔的位置、形状和尺寸要求之类的,都应当给予清楚的定下。以免设计出的作品不适合处理或在处理中会有对质量和效率不利的现象。

  7.1定位孔

  基板的定位孔,如果是用做基准对位用途和不不过固定的作用的话,设计时只应当在基准孔上是正圆形的。一般设备的定位针都有两根,所以定位孔也最小有两个。除了基准孔外,另外的孔就不应当是正圆形。而应当是在基准孔同一方向上延伸式的设计。此外,为了避免错位时损坏基板,可考虑把孔在基板的对边也开出对称的设计。如果基板尺寸是正方形的,那可能得确保四便对称。注意这里所要防止的是基板因错位而被损坏,自动设备应当还要有才能判断错位而停止进行无谓的加工。

  7.2基准标点

  基准标点是供自动化设备做自动对位用的,按精度需求可采用板基准(Panelfiducial或Globalfiducial)、电路基准(Circuit或Imagefiducial)、或个别基准(Localfiducial)。在不采用拼板设计上(即每一块板是一个线路),前两者是一样的。对于尺寸较小、精度要求不高的基板,则最后的个别基板能够不被采用。值得注意的是,采用基准点对中是未必需要的。所以设计时加以给予考虑。

  基准点的形状能够是有很多种。设备供应商常说其设备能够处理各种各样的基准图形,甚至可采用焊盘图形。其实多数的设计对不同的图形都有不同才能的。为了做到最好(准确和稳定),设计人员应对厂内设备对不同图形的识别和计算才能有足够的理解。并采用对应最优化的图形做为基准点。

  为了达到最准确,基准点的位置最好是在基板的对角上。而且距离越远越好。基准点的数量也重要。最少两点。但如果要处理非线性的补偿则必需要有三点(应当确保所使用设备的补偿计算有此功能)。还可采用第四点做为后备用途的(也需确保设备能处理)。基准点对基板在设备中的机械定位基准面(如板边或定位孔)不应当有一样的距离。最好是相差超出一个设备的视觉范围FOV之外。这样能用做错位时分辨工作。

  为了确保有足够和良好的光学反差,基准点的平整度应给予关注。如果基板采用热风整平技术的,基准点应当设计的较大。OSP或镀金技术较受推荐。绿油不可覆盖基准点,以免造成反差不良。基准点周边也应当有足够的空位,以免布线或绿油等影响识别的稳定性。有一种好的做法是在基准位置的下方(基板背后或内层)设置足够大小的铜片来增加反差。

  基准点的位置,也应当被用做是整个基板坐标的零点。许多设计还是采用板的一角等做为零点。这样的做法对日后的工艺管制没有帮助。

  7.3标记

  基板的布线和元件布局经常会留有空位,这些空位能够用来印刷些有用的资料。常见的有作品型号、改进标号、基板制造商号和批号、线路标号等。如果有采用条码标记的,应当考虑到条码的大小和位置(如果是自动化的还得考虑设备限制)。

  7.4元件布局

  元件的布局能够影响以后的工作效率,如检验和返修工作等。在有才能的情况下,设计人员应当尽量做到以下的布局法:

  1.元件方位的标记(尽量做大同类封装元件方位一样)。

  2.以同功能的线路集中在一起并印下方框。

  3.同类封装元件的距离相等。

  4.所有元件编号的印刷方位一样。

  拼板的做法很多时间值得考虑。拼板有以下的好处:

  1.对元件少的板,能够通过加长贴片时间来提高贴片机的使用效率。

  2.对太小的基板提高其可处理性。

  3.改变异形(非正方或长方形)板或外形比不佳的板子外形,增加效益和可处理性。

  4.对从面回流技术的板,能够通过正方拼来提高整体生产的效率。

  设计元件的方位时,除了以上通过第6章中提到的热处理考虑外,还得注意方位对组装工艺是否有不良的影响。如在波峰焊接工艺中,许多IC的方位对工艺的成功率都有些影响。除非在焊盘设计上有才能做到非常完善的补偿,否则在元件布局时应尽量采用最佳方位来布局。

  7.5接通孔

  接通孔在作品的寿命故障上也是主要问题之一,在设计上也有些能够照顾到的地方。较常见的问题是接通孔镀层的断裂而最终导致开路现象。断裂的现象常出目前接通孔的内壁中间和孔上下面的转弯处。孔内壁中间的问题是因为基板制造时镀金属的工艺做的不好。而在转弯处是热循环造成(FR4基板的垂直温度膨胀系数较水平面的要高得多)。虽然这些的和基板的制造工艺有关,但不良的设计使基板的可制造性差而引起问题是常见的事。

  接通孔的镀金工艺是否能做得好,除了制造商的工艺才能外,和接通孔的尺寸也很有关系。例如一般的工艺,对小于0.5mm孔径和外形比(孔深对孔径)大于3的接通孔尺寸,是较难有很可靠的工艺成果的。所以为了确保较可靠的作品,设计接通孔时就必须注意到这些。镀层的厚度应当要求在25至40um之间。

  为祢补这方面的不足,有一个有效的做法是将接通孔完全充填。因为这样有可能使应力更集中而缩短寿命。

  因为接通孔具有吸锡的才能,因此接通孔的位置设计应当尽量避免太靠近焊盘和看不见的元件封装底部。

  7.6考试方面的考虑

  考试,虽然本意是用来确保作品是合格的,但应用不当却会伤害作品的寿命。所以在设计作品时不得不小心加以考虑。考试用的探针对作品不利,但很多时间咱们还得借用它。尤其是在ICT(在线考试)上使用的特多。飞针式的考试,在对作品的破坏危险性上较小,但因为目前的效率还不理想而常常还是由针床式治具时,因为探针的数目可能相当可观,而每一探针都需要绝对的力度来确保可靠的电气接触性,其总压力能够是非常大的。如果加上压力的分布不均等问题,是有可能给考试中的作品造成内在的破坏,缩短其服务寿命。为了减少这方面的破坏,应当在设计考试点时使其均匀的分布在整个基板面上,采用虚设测点,采用正反面平衡测点或足够的支撑和下压柱等等技巧。

  虽然占用在方,但应当尽量采用个别的考试点而不是采用元件焊盘或元件引脚做为考试点。在密度较大的组装板上能够考虑使用接通孔兼考试点做法以及双面考试。

  考试点的大小应看治具和探针的精度而定,采用压缩距离较短的探针有利于精度的提升。探测点能够考虑用技巧来取代一般的圆形,能够考虑用六或八边形的探测点,方便识别区别。因为探测点都不能有绿油覆盖,要注意他们对邻近焊盘的影响。

  探测点的布置最好是采用标准的栅阵排列(即坐标间距跟随绝对的标准),这样能够方便日后测点的改变和针床治具的重复使用或修改。

  8.0设计文件档案

  一个作品开发出来后,有一套随着而生的重要文件档案。这些文件包含了各种在制造、品质管理、采购、改进、和返修工作中需要的资料。如线路图、Gerber档案、物料清单、组装文件等等。在种种关系到设计工作的文件档案中,在以前较不被注重的是工艺的材料规范、合格供应商资料和物料清单中的部分资料。这些曾被忽略的文件档案,在目前的先进管理上是不可不利用他们的。


  工艺和材料规范档案,应当最少包括五个重要的组成部分。分别为:


  1.元件组装资料档案;2.基板材料和工艺规范;3.工艺材料规范;4.工艺规范;5.品质规范和标准。


  以上五者都必须整合开发,并使用在设计规范的参考上。合格供应商管理档案中,也应当包括了四个重要的组成部分;

  1.和用户本身有关的所有元件封装和组装上的初步资料;

  2.经过鉴定的合格封装详细资料;

  3.供应商的才能的评估记录;

  4.合作和独立的改进计划和进展记录(包括管理和技术、质量等全面的),元件未来发展计划。

  在传统的物料清单(BOM),一般只具备的资料有元件编号、元件封装称号、元件名称简述、单一作品是所需元件的数量、和元件参数值几种。因为市面上元件的标准化还缺乏完整性。咱们常能够发现采购中出现的问题(这完全符合设计和生产的要求)。其更正成本和时间往往相当可观。为了避免以上的问题发生,在BOM资料中有两个新成员是应当被加入的。其一是元件的详细封装资料(如尺寸和温度时间限制等)和优选的供应商清单。另一是基板的详细指标规范。

  在竞争日趋激烈的情况下,目前许多工厂都较重视作品的推出时间性。要提高这方面的才能,技术整合、标准化和不断学习的做法是重要的。而这种做法的效益,在相当大的程度上有赖于信息的准确性和及时沟通。从本讲座中所学到的,咱们能够意识到在信息上的未来特性,咱们有必要考虑利用现今发达的信息资讯技术,考虑将咱们的信息高程度的电脑网络化。电脑网络化能够带给咱们许多好处,如减少重复的修改和输入工作,也因此节省时间而较能及时化,也同时减少输入量犯错的机会,有能够通过电脑软件进行有效的控制和利用电脑的许多计算和处理才能。

  柔性印制板SMT工艺探讨

  随着电子作品向短小、轻薄方向发展,对应的便要求电子元器件集成化、微小型化。传统的通孔安装技术(THT)已不能满足要求,新一代的贴装技术,即表面贴装技术(SMT)就应运而生。

  从广义角度来说,SMT是包括了表面贴装元件(SMC:SurfaceMountComponent)、表面贴装器件(SMD:SurfaceMountDevice)、表面贴装印刷电路板(SMB:SurfaceMountPrintedCircuitBoard)、一般混装印刷电路板(PCB:PrintedCircuitBoard)、点胶、涂膏、表面贴装设备、元器件取放系统、焊接及在线考试等技术内容的一整套完整工艺技术过程的统称。

  因为SMC、SMD减少引线分布特性影响,而且在PCB表面贴焊牢固,大大降低了寄生电容和引线间寄生电感。在很大程度上减少了电磁干扰和射频干扰,改善了高频特性。这类元件已广泛应用于卫星通信方面的作品中:例如,地面接收卫星信号时需使用的低噪声降频放大器(LNB)等高频作品,另外高频所用的PCB,对其特性参数:介电常数X,也有要求,例如,当电路的工作频<109HZ时,一般要求PCB基材的X<2.5.实验表明,PCB基材的X除了与基材的特性有关外,还与增强材料的含量有关。基材的增强材料含量越高,X值越大,故高频电路用PCB基材的增强料含量不能太高,这使得高频电路用PCB机械性能不够强,甚至有些高频作品还要求采的PCB非常薄,其厚度只要一般PCB厚度的1/3,这样的PCB就更加易断裂。这一特性会给该类作品的生产带来困难。下面就这方面问题,谈一谈咱们在生产实践中的部分体会及采用的上些手段以克服高频作品所用薄型PCB在进行表面贴装生产中易断裂的弱点使这类作品的大批量生产能顺利进行。

  表面贴装过程主要包括三个基本环节:涂布焊膏、贴片以及焊接,下面咱们重点前二个基本环节。

  在进行大批量生产时,咱们一般采用全自动印刷机进行印刷的(即涂布焊膏),当PCB進入印刷机被涂布焊膏之前,需先固定于印刷机内,印刷机固定PCB方式一般有二种:第一种是传送导轨并定位;第二种是传送导轨下方采用真空吸附固定并定位。

  对于较薄且易断的PCB而言,若在第一种固定PCB方式的印刷机中被涂布焊膏,咱们会看到PCB放入印刷机的传送导轨上進入到适当位置后,两传送导轨会相向夹紧PCB,这会引起PCB板中间部分轻轻凸起。一方面这个夹持力易使PCB断裂;另一方面,因为PCB中部凸起,使PCB整个需涂布面不平。这样会影响到焊膏的涂布质量。若放在第二种固定PCB方式的印刷机中被涂布焊膏,就可避免上述情况,因为这种固定PCB方式时,传送导轨是不相向运动,所以不会对PCB两边施加一相向的力,PCB中部也就不会凸起,这种印刷机是靠传送导轨下方的真空吸附装置将PCB吸附于传送导轨上,PCB不会因受到夹紧的外力而折断。另外,咱们会看到PCB中间底部是悬空的。为了保证薄型的PCB在涂布时,板面平整不弯曲,咱们在实际操作时会在真空吸附装置上增加一自制平台以支撑PCB。该平台的面积可与PCB相匹配,这样就避免了因PCB板面不平而影响涂布的质量的问题。

  为了保证成品率及作品质量,采用上述第二种具有真空吸附固定功能的印刷进行生产。

  涂布焊膏之后,就進入到贴片环节。同样PCB進入贴片机进行贴片之前,起初需固定于贴片机内。贴片机夹持固定PCB的方式一般也有两种,第一种为贴片平台上传送导轨相向运动夹紧PCB。从而固定PCB并定位;第二种为传送导轨上装有压紧条,当PCB在传送导轨上前进到对应的位置时,导轨上的压紧条则自动压下,将PCB两边压在导轨上固定并定位。无论采用上述哪一种PCB固定方式,PCB中间底部均无支撑物,形成悬空,若对较薄且易断裂的PCB在进行贴片时,随着贴片平台的运动及贴片关的动作,不能完全保证PCB板面不弯曲。这会影响到贴片位置的准确性,另外第一种PCB方式对较薄且易断的PCB来说,它使PCB板两边受到一相向的夹紧力,易造成PCB中部凸起,若该PCB为拼板时,甚至会导致其拼接处断裂。为此,咱们在实际操作中会采用将PCB固定在定制的托盘中,然后将托盘送入传送导轨上,進入贴片机进行贴片,这样PCB就不会直接受到导轨给予的外力而导致断裂,而且托盘起到了对PCB的支撑作用,在贴片时,避免了因PCB无支撑物击变形影响贴片位置的准确性的问题。采用这种技巧,咱们要求托盘之间的一致性要好(包括外形、边框、尺寸及涉及PCB定位的尺寸)。托盘的一致性好坏,直接影响到贴片位置的准确性。

  当然上述技巧并不是十全十美的,它同样也存在着某些缺陷。因为采用该技巧在托盘制作上要求比較高,除了一致性要求要高外,还有一个问题需解决,即PCB的固定问题。所以在托盘制作时还要注意固定PCB的方式,既要保证PCB在托盘中不能晃动,又要使PCB便于取放,这增加了托盘的制作难度及费用、鉴于这点,咱们提出了另一种解决技巧,这种技巧就是将托盘制成简单的框架,而PCB在托盘中的固定,采用真空吸附的技巧,这使托盘制作简便了,一致性也较简单保证且PCB的取放也很简单,但是该技巧需要对现有的贴片机进行稍稍改制。因目前贴片机不带真空吸附固定PCB的功能,所以需另外增加一小型真空吸附装置,而且该装置的真空泵开启的动作需与传送导轨夹持固定PCB的动作同步。

  综上所述,薄型易断PCB的SMT工艺探讨,不过咱们对使用该类PCB的作品生产工作中的点滴体会,仅供同行们特别是在生产该类PCB的作品的同行们参考。

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