PCB的可生产性设计(DFM)的步骤和技巧
硬件十万个为什么 2024-05-30

DFM的意思是面向制造的设计,Design for manufacturability,即从提高零件的可制造性入手,使得零件和各种工艺容易制造,制造成本低,效率高,并且成本比例低。

就是在设计阶段充分考虑到生产环节可能碰到的困难,而为了减少生产问题,提高生产效率,降低生产成本而进行的设计,这里包括硬件设计也包括软件设计。


一、DFM分析阶段

不同阶段进行DFM分析,取得不同的效果。能在早期发现问题更好。最糟糕的是有些公司并不能认知到:这是一个DFM的问题。

DFM阶段越早,发现的问题就越容易解决,带来的损失也就越小。

DFM不简单指生产本身,与以下其他DFx也是相关的:


二、PCB设计的DFM工艺要求

1、尺寸范围

外形尺寸不得超过设备加工能力

目前常用尺寸范围是“宽(200 mm~250 mm)×长(250 mm~350 mm)” 对长边尺寸小于125mm、或短边小于100mm的PCB,或异形周边凹凸不规则需设计成拼板。


2、外形

板子的外形为矩形,如果不需要拼板,要求板子4 个角为圆角;如果需要拼板,要求拼板后的板子4 个角为圆角,圆角的最小尺寸半径为r=1mm,推荐为r=2.0mm。

为保证传送过程的稳定,设计时应考虑采用工艺拼板的方式将不规则形状的PCB转换为矩形形状,特别是角部缺口最好要补齐。

对纯 SMT 板,允许有缺口,但缺口尺寸须小于所在边长度的1/3,确保PCB 在链条上传送平稳。

对于内圆角,推荐最小半径为0.8mm,如果需要,半径可以小至0.4mm。

对于金手指的设计要求见图所示,除了插入边按要求设计倒角外,插板两侧边

也应该设计(1~1.5)×45° 的倒角或R1~R1.5 的圆角。

3、传送边

从减少焊接时PCB的变形,对不作拼版的PCB,一般将其长边方向作为传送方向;对于拼版也应将长边方向作为传送方向。对于短边与长边之比大于80%的PCB,可以用短边传送。

由于终端单板一般采用拼板设计,一般都采用工艺边作为传输边,工艺边的宽度最窄处一般不能小于4.5mm。


4、MARK 点

光学定位基准符号(又称MARK 点)

Mark点也叫基准点,为装配工艺中的所有步骤提供共同的可测量点,保证了装配使用的每个设备能精确地定位电路图案。因此, Mark点对SMT生产至关重要。

Mark点是电路板设计中PCB应用于自动贴片机上的位置识别点。mark点的选用直接影响到自动贴片机的贴片效率。

一般Mark点的选用与自动贴片机的机型有关。


MARK点形状:Mark点的优选形状为直径为1mm(±0.2mm)的实心圆,材料为裸铜(可以由清澈的防氧化涂层保护)、镀锡或镀镍,需注意平整度,边缘光滑、齐整,颜色与周围的背景色有明显区别。为了保证印刷设备和贴片设备的识别效果,MARK点空旷区应无其它走线、丝印、焊盘或Wait-Cut等。


要求Mark点标记为实心圆;
一个完整的MARK点包括:标记点(或特征点)和空旷区域。

1Mark点位于电路板或组合板上的对角线相对位置尽可能分开,最好分布在最长对角线位置;
2)为保证贴装精度的要求, SMT设备要求:在SMT生产的所有产品每PCB板内必须至少有一对符合设计要求的可供SMT机器识别的MARK点,可考虑有单板MARK(单板和拼板时,板内MARK位置如下图所示)。拼板MARK或组合MARK只起辅助定位的作用。




3)拼板时,每一单板的MARK点相对位置必须一样。不能因为任何原因
而挪动拼板中任一单板上
MARK点的位置,而导致各单板MARK点位置不对
称,特殊拼板方式:

①阴阳板时对角MARK位置必须相同
②镜像板各
MARK位置必须相同.R1=R2


4PCB板上所有MARK点只有满足:在同一对角线上且成对出现的两个
MARK,方才有效。因此MARK点都必须成对出现,才能使用。

尺寸:

1Mark点标记最小的直径为1.0mm,最大直径是3.0mmMark点标
记在同一块印制板上尺寸变化不能超过
25微米;
2)特别强调:同一板号PCB上所有Mark点的大小必须一致(包括不
同厂家生产的同一板号的
PCB
3)建议RD-layout将所有图档的Mark点标记直径统一为1.0mm


边缘距离:

1Mark点(边缘)距离印制板边缘必须≥5.0mm(机器夹PCB最小间距
要求
),且必须在PCB板内而非在板边,并满足最小的Mark点空旷度要求。强调:所指为MARK点边缘距板边距离≥3.0mm,而非MARK点中心。



空旷度要求:
Mark点标记周围,必须有一块没有其它电路特征或标记的空旷面积。空旷区圆半径 r≥2R, RMARK点半径,r达到3R时,机器识别效果更好。增加MARK点与环境的颜色反差。 r内不允许有任何字符(覆铜或丝印等)


材料:Mark点标记可以是裸铜、清澈的防氧化涂层保护的裸铜、镀镍或镀锡、或
焊锡涂层。如果使用阻焊,不应该覆盖
Mark点或其空旷区域
平整度:
Mark
点标记的表面平整度应该在15微米[0.0006"]之内。
对比度:
a)
Mark点标记与印制板的基质材料之间出现高对比度时可达到最佳的性能
b) 对于所有Mark点的内层背景必须相同


5、定位孔

每一块 PCB 应在其角部位置设计至少两个定位孔

拼板定位孔应有四个,分布四角,定位孔标准孔径为2.00±0.08mm。定位孔中心距离相近的板边为5mm

定位孔旁边的器件或焊盘距离定位孔边的最小距离应至少为 1.5mm


6、孔金属化问题

定位孔、非接地安装孔,一般均应设计成非金属化孔


三、减少工序、减少装配时间


四、直通率

1、定义:一次性达到出货标准的比率。直通率(First Pass Yield, FPY)是衡量生产线出产品质水准的一项指标,用以描述生产质量、工作质量或测试质量的某种状况。具体含义是指,在生产线投入100套材料中,制程第一次就通过了所有测试的良品数量。因此,经过生产线的返工(Rework)或修复才通过测试的产品,将不被列入直通率的计算中。PCB、SMT、装配、生产调测、生产试验,任何一个环节出了问题,都累加在直通率下降的砝码上。FPY= p1 x p2 xp3... 其中 p1,p2,p3等为产线上每个环节的良品率(上一个环节有测试动作,并剔除次品)。
2、提高直通的方法:2.1如果发现问题出现在SMT环节
A、优化钢网设计(优化PasteMask)我们在生成Gerber文件的时候。需要生成两个MASK(SOLDERMASK、PASTEMASK)SOLDERMASK:阻焊层,就是用它来涂敷绿油等阻焊材料,从而防止不需要焊接的地方沾染焊锡的,这一层会露出所有需要焊接的焊盘,并且开孔会比实际焊盘要大。涂绿油时,看到有东西(焊盘)的地方就不涂绿油即可,而且由于其开孔比实际焊盘要大,保证绿油不会涂到焊盘上,这一层资料需要提供给PCB厂。PASTEMASK:焊膏层,就是说可以用它来制作印刷锡膏的钢网,这一层只需要露出所有需要贴片焊接的焊盘,并且开孔可能会比实际焊盘小。这样得到的钢网镂空的地方比实际焊盘要小,保证刷锡膏的时候不会把锡膏刷到需要焊锡的地方,这一层资料需要提供给SMT厂。SMT印锡钢网厚度设计原则:钢网厚度应以满足最细间距QFP 、BGA为前提,兼顾最小的CHIP元件。QFP pitch≤0.5mm钢板选择0.13mm或0.12mm;pitch>0.5mm钢板厚度选择0.15mm--0.20mm;BGA 球间距>1.0mm钢板选择0.15mm;0.5mm≤BGA球间距≤1.0mm钢板选择0.13mm。(如效果不佳可选择0.12mm)(详见下附表)
SMT锡膏钢网的一般要求原则:1、位置及尺寸确保较高开口精度,严格按规定开口方式开口2、独立开口尺寸不能太大,宽度不能大于2mm,焊盘尺寸大于2mm的中间需架0.4mm的桥,以免影响网板强度3、绷网时严格控制,注意开口区域必须居中。4、以印刷面为上面,网孔下开口应比上开口宽0.01mm或0.02mm,即开口成倒锥形,便于焊膏有效释放,同时可减少网板清洁次数。
5、网孔孔壁光滑。尤其是对于间距小于0.5mm的QFP和CSP,制作过程中要求供应商作电抛光处理。6、通常情况下,SMT元件其网板开口尺寸和形状与焊盘一致,按1:1方式开口。
SMT锡膏钢网的特殊开口设计原则:
0805建议如下开口。两焊盘各内切1.0MM,再做内凹圆B=2/5Y;A=0.25MM或者A=2/5*L防锡珠。1206及以上Chip: 两焊盘各外移0.1MM后,再做内凹圆B=2/5Y;a=2/5*L防锡珠处理。带有BGA的电路板球间距在1.0mm以上钢网开孔比例1:1,球间距小于0.5mm以下的钢网开孔比例1 : 0.95 。对于所有带有0.5mm pitch的QFP和SOP,宽度方向开孔比例1:0.8长度方向开孔比例1:1.1,带有0.4mm pitch QFP宽度方向按照1:0.8开孔,长度方向按照1:1.1开孔,且外侧倒圆脚。倒角半径r=0.12mm 。
0.65mmpitch 的SOP元件开孔宽度缩小10% 。
一般产品的PLCC32和PLCC44开孔时宽度方向按1:1开孔,长度方向按1:1.1开孔。一般的SOT封装的器件,大焊盘端开孔比例1:1.1,小焊盘端宽度方向1:1,长度方向1:1.1SOT89元件封装:由于焊盘和元件都比较大,且焊盘间距较小,容易产生锡珠等焊接质量问题,故采用下列方式开口,如下图,引脚长度方向外扩0.5mm开口。
SMT红胶钢网的开口设计原则(使用的少,问题也比较少,此处只做简略介绍)


B、对于钢网使用的注意点:增加对钢网清洗次数,并使用无尘纸沾酒精擦拭钢网实施前:原来每印刷30PCB清洗一次钢网,清洗时只用干布条擦拭,导致钢网孔堵住或钢网底部粘有锡膏,印刷后PCB板焊盘容易漏印或连点;实施效果:PCB板引脚间距在0.8mm以下的,印刷5片清洗一次;引脚间距较大的印刷10片清洗一次,并使用无尘纸沾酒精溶剂擦拭,保证钢网清洗干净,印刷效果良好。
C、调整锡膏印刷机原来PCB板定位不均匀,钢网下压后,钢网与PCB板之间形成空隙,印刷后容易造成连点;现在在PCB板中间增加定位,钢网与PCB板,印刷效果良好。


D、调整锡膏锡焊直接使用,没有回温,会凝结空气中的水蒸气,在回流焊里炸锡,导致焊盘焊锡少,上班前,提前2小时将当天要用的锡膏回温,回温时间达到2-4小时。实施锡膏回温之后的改进。
E、回流焊炉温调整向供应商索取锡膏温度曲线资料,根据预热时间、升温斜率要求,重新调整回流炉温。实施效果:采用实物板作为测试板,可以达到接近于生产时的实际焊接温度,每个对应测试点与实际焊接温度相差±0.5℃,达到工艺要求:误差<±2℃;再通过调整回流炉温,使炉温曲线符合锡膏要求。特别是进入无铅化焊接时,尤其需要修正焊接温度。否则严重影响直通率。

F、调整贴装位置
G、AOI炉前AOI
炉前小料的偏移,缺件,侧立,立碑等缺陷发生的频率很高,占的比率较大。利用炉前IOA及时发现进行调整。炉后IOA



2.2还有一些结构、装配等方面的直通率问题:例如需要制作一些工装,否则容易在安装过程中导致产品损坏;一些结构放置随意,面板刮花等等问题,其实都是导致直通率下降的原因。具体的改善错误,我们自己的产品优化如下:
A、统计问题,并抓住主要矛盾上图为我们硬十的某一款无人机产品的发货直通率统计。在134架次无人机统计中,发现结构模具问题比较多,无人机桨叶的问题是TOP1问题,电池安装问题是TOP2问题。这两个问题的问题种类只占总问题类型的20%,但是问题的数量却占据总问题数量的80%以上。这就是典型的二八原则。我们通过解决TOP问题,例如无人机桨叶供货的问题,就将直通率的80%不足,达到了接近90%。B、根据用户的使用场景优化测试列表
这个方法能够更准确反应直通率结果。虽然有可能降低了直通率,但是供货质量得到了有效保证。并且在过程中可以发现产品生产和设计的缺陷。有针对性的进行改进和优化。
C、优化生产过程,形成问题表单并跟踪。
将工厂发现的问题进行统计,整理,跟踪,闭环。不断的优化生产的工艺规程,并形成文档,组织工厂工人培训。D、优化来料对物料提供的来源,数量,品质,存储,进行全流程统计跟踪,形成表格并归档。当来料影响直通率了之后,可以有效进行问题回溯。


三、DFM案例

案例一、金手指沾锡

某产品金手指周围器件布局过近,导致贴片后出现金手指沾锡问题。

修改PCB设计,调整焊盘与金手指的距离。

解决办法:

改板调整焊盘与金手指间距。

改版前,存量PCB炉前金手指贴高温胶纸,炉后加强检验,返修器件时严格保护金手指,并在显微镜下检验返修后的单板。


案例二、焊盘开孔导致PAD上有绿油

器件散热要求高,散热焊盘上打大孔,厂家塞孔能力差,导致PAD上有绿油,器件引脚开焊。


临时措施:取消塞孔方式,修改钢网设计,炉后重点检验该器件焊接情况及锡珠情况。


案例三、MARK点不良、偏差

MARK点大小和形状不良: PCB板上所有MARK点标记直径小于1.00MM,且形状不规则,SMT机器难以识别,MARK点的完整组成不完整:MARK点没有空旷区域,只有标记点,造成SMT机器无法识别。
MARK点位置偏差:

1) PCB板内无MARK点,板边MARK位置不对称,造成SMT无法作业。

2)板内无MARK,拼板尺寸有误差,贴装后元件坐标整体偏移,造成SMT作业困难。

案例四、焊盘间距太近导致焊锡桥接

案例五、焊盘结构尺寸不正确(以Chip元件为例)

a、 当焊盘间距G过大或过小时,再流焊时由于元件焊接端不能与焊盘搭接交叠,会产生吊桥、移位。

b、 当焊盘尺寸大小不对称,或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时,由于表面张力不对称,也会产生立碑、移位。



案例六 BGA问题

A.焊盘尺寸不规范,过大或过小。

B.没有设计阻焊或阻焊不规范焊盘与导线的连接不规范表层线宽超过PAD直径

C.焊盘盲孔太大不在焊盘中心阻焊不规范偏移表层走线过宽

D.通孔设计在焊盘上,通孔没有做埋孔处理,造成BGA焊接时产生气泡


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