可制造性设计探讨

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　　前言
　　人们清楚地看到，仅靠制造工程师是不能够控制和降低印制电路组装成本的，所以，人们对可制造的设计（DFM）越来越重视。在降低成本方面，印制电路板的设计人员也起到关键作用。将设计直接转到制造工程师的日子已一去不复返了，如果确实曾经存在这种现象的话。
　　每个公司都需要有其自己独特的DFM。某些指南是有关设备和工艺方面的指南，而并不适用于所有的制造设施。有关选择元件方面的问题，DFM的主要部分也是各公司持有各自独特的方案。还有一些指南是通用指南，因此，适用于每个公司。IPC-SM-782是结合通用指南的一个很好的起点。不过，应注意的是IPC-SM-782主要是一份焊盘图形标准文献——DFM的一个子系统。
　　据SMT加工组装分承包商说，由于设计是由OEM来完成的，所以他们确实对设计没有再实施什么控制，这已是司空见惯的事了。然而，基本上是正确的，不过，不应该这样。
　　1 DFM组织结构
　　实施连续设计的传统方法，从逻辑设计人员或电路设计人员到物理设计人员（CAD布局）乃至制造和最后的测试工程进行了考察，是不适用的，因为每个工程师在评估和选择替代产品时都是独立地进行决策。这样就导致了次优化设计。更糟糕的是，制造工程师了解到的设计仅以物理的方式设计PCB。当分承包商在SMT贴片加工组装车间制造产品时这是普遍存在的现象。
　　在此，特别建议逻辑设计人员、CAD布局设计人员、制造、测试和工艺工程师以及采购和市场营销的代理人会坐在一起探讨该设计，并对替代产品进行讨论以满足热、电气、实际占用面积、成本和投放市场的时间要求的并行设计方法。这些都应在设计的初期完成，以便在由他们制定的公司内部DFM文件的范围内对各种不同的替代产品进行评估。
　　DFM团队应由不同机构的不同人员构成，如像；逻辑设计、CAD布局、制造、测试和元件工程和购置和市场营销等部门。应由具有良好技能的程序管理人员和得到团队成员全力支持的有技能人员及其经理领导这个团队。为了制定可以提高生产能力和降低成本的有意义的DFM，该团队应完全了解SMT的设计和工艺问题是至关重要的。设计人员置身于生产现场对制造工艺的开发和实施中的制造工程是有帮助的，所以应作为重点考虑。这样就可以防止设计人员将“设计越过栅栏甩给”制造。
　　如果设计团队没有制定DFM文件的话，由于缺少业主和对一些问题的误解，实施将是个问题。多次出现过DFM的违规，因为参与的各方还没有意识到其决策的意义。这就是应说明制定DFM规则原因的理由。随着时间的推移，如果原因有所变化的话，那么，设计团队可以相应地改变规则。
　　设计团队在使用SMT的任何产品的成功和财政上的可行性中起到了关键作用。在设计通孔组装中也是如此，不过，程度有所不同。通孔板的组装只有一种方法：涂料和进行焊接。然而，在SMT加工的应用中，根据组装的类型，设计人员有很多可选择的方案。例如；在SMT的应用中，在每种情况下，采用不同的制造工序，可将相同的元件贴装在板子的上面或贴装在板子的下面。显然，为了了解其决策的影响，设计团队需要完全与表面组装制造工艺类似相同。
　　这并不是轻视DFM在通孔组装中的重要性，因为DFM对于自动插装是很重要的。不过，SMT不同于通孔组装，SMT不能够选用手工组装的方法，而且采用的可测试性的规则是完全不同的，因为在SMT的应用中，我们不再将器件的末端作为测试节点。简言之，在成功的SMT中，不能够过分地强调DFM和设计团队的作用。
　　2 设计规则与指南
　　对于能够设计一种可制造的产品的设计团队来说，制定指南和规则是很重要的。但是，指南和规则之间的区别是很重要的。规则对于计划的制造设备和工艺兼容性是必不可少的。如果不按照设计规则行事的话，就不能够制造产品，或者是必须用手工方法进行制造。对于采用SMT的制造技术，必须使用手工制造方法对于完全不能够制造是等效的。另一方面，有了指南是一件很好的事，对于制造工程师来说，使得生活更轻松，但是，在产品出厂时，并不是关键的。这意味着这些规则是不能够违反的。但是，如果有正当的和充分理由的话，可以宣布指南无效。
　　根据产品和市场营销的制约，只要产品团队的成员了解每次违规的后果，并达成一致的意见，还是可以违反这种规则的。一般来说，DFM团队可以违反这些指南的，不过，除了得到团队的批准外，违规要求由公司指定的更高一级的管理人员作为其DFM的权力机构签字。
　　为了进一步完善DFM的指南和规则，使这种策略的落实到位是很重要的。此外，DFM中还应有举措，要求团队指出每次违规、试图使用的替代产品和违规给产品成本和规划带来的影响的原因。此外，不论是违反了指南，还是违反了规则决不能接着其它产品而发生。一般来说，不能将这样的策略视为墨守成规的障碍，由于其是由必须依赖它来谋生的团队成员而制定的。这意味着首先在制定DFM文件中他们竭尽了全力，此后将其作为其策略，而且他们可以遵守实施。这是制定企业内部DFM指南和规则和根据常规的做法对其刷新的另一个原因。
　　然而，制定可制造性的设计规则和指南是远远不足的。必须对每个人在DFM的知识方面进行全面的培训。而最重要的是要支持DFM贯彻落实，就像其它重点企业采取的策略和规程那样，必须具有协作精神的团队文化。
　　3 表面组装元件的焊盘图形
　　表面组装的焊盘图形，通常指的是印脚和焊盘，规定待焊接到印制电路板的元件的位置。焊盘图形的设计是至关重要的，因为其不仅决定了焊点强度及可靠性，而且还影响到焊接缺陷的面积、可清洗性、可测试性和返工/返修。换言之，表面安装组件的可制造性取决于焊盘图形的设计。不过，表面安装组件的可制造性并不仅仅是由焊盘设计所决定的。材料、工艺、元件和板子的可靠性都起着极其重要的作用。
　　不良元件的容差和没有实现标准化的表面组装封装使得焊盘图形设计的标准成为一个问题。该行业推出的许多类型的封装和特定类型封装的变化也是不小的。更重要的是，元件容差有着明显的差别，导致焊盘图形设计的实际问题，而且还增加了SMT用户的制造问题。
　　考虑到在“标准的”1206电阻和电容中发现的元件容差问题。这些问题与标准决无关系：最重要的尺寸-端子宽度的容差在最小10mil-最大30mil范围内（标称尺寸为20mil）变化。采用这一数量级的容差变化，确实将焊盘图形设计卷到了竞争的风头浪尖上。
　　就元件标准化和容差而论，像互连和封装电子电路学会、电子工业协会、表面组装协会这样的技术学会正竭尽全力来改善当前的状态。
　　通过表面组装协会的努力，现在，在EIA和IPC之间展开了大力协作，以确保元件外形（由EIA制定）和其焊盘图形（由IPC制定）之间的兼容性。例如；IPC-SM-782标准就是该行业努力以促进表面组装技术的标准化一个很好的例子，IPC-SM-782标准还讨论了不同类型封装的焊盘图形设计的基本概念，包括用作为焊盘图形基础的方案。由于这种方案是确实可行的或当现有的元件尺寸有所变化，该方案可用于开发更新型元件的焊盘图形。
　　许多人还将IPC-SM-782标准作为DFM文件使用。其有助于说明与DFM相关的问题；应切记的是这是一份有关焊盘图形的文件，而不是DFM文件。焊盘图形是DFM的子系统，其还涉及到元件、裸板、焊料掩膜、贴装、焊接、返修和测试这样的问题。每个公司都应有公司内部的专用的DFM文件，以便利用其各自独特的工艺、元件、焊料掩膜、板和组件要求的优势。
　　如果焊盘图形设计已通用于现行的制造工艺中的话，那么，你就会受益匪浅。例如；有一些公司在焊接元件底部时要焊接两次（使用再流和波峰这两种焊接工艺）。在这种工艺中，有印刷焊膏、涂覆胶粘剂、贴装元件和随后的再流工艺。所有这些器件不是采用再流焊，就是采用波峰焊工艺，不过，有时不是这样的。因此，采用两步焊接的公司采用一个步骤焊接应该是足够了。很有可能产生问题的原因是由于不良的元件或板子的可焊性。应通过要求供应商提供可焊的元件来纠正这些问题，而不是采取增加不必要的步骤的方法，这样会使产品成本上升。
　　4 波峰焊和再流焊的不同焊盘图形
　　焊接方法中的工艺曲线和热曲线的差别，每种焊接方法的焊盘图形设计应是不同的吗？从优化焊盘图形设计的观点来看，不同的焊接工艺采用不同的焊盘图形是个优点。不过，从系统的观点来看，不同的焊接工艺采用不同的焊盘图形会带来一些问题。例如；某些CAD系统限制了可支持的焊盘图形尺寸的总数。
　　即使CAD的能力不是个问题，但是，对于设计人员必须对CAD库中的相同元件坚持采用不同焊接工艺而采用不同的焊盘图形的做法感到极为难。因为没有一种工艺能够完全满足要求，在很多情况下，如果企业在不同的应用中使用不同的焊接工艺的话，这种方法可能是极受限制的。
　　再流焊和波峰焊采用不同的焊盘图形的主要原因是防止在焊接过程中元件有可能移位或坚起。在波峰焊接过程中，由于元件上涂有胶粘剂，所以，元件移位不是个问题。因此，为再流焊接而优化的焊盘图形设计在波峰焊接中也是起作用的。显然，元件的焊盘图形设计对于波峰焊和再流焊这两种工艺的显而易见的效果是满意的。应切记普通焊盘图形的这个问题只适用于分立器件，如像；电阻、电容、小外形晶体管（SOT）和有时使用的小外形集成电路（SOIC）。有源器件，如像；有引线塑料芯片载体（PLCC）和细间距封装是不使用波峰焊接工艺的，所以，对于这类元器件就不存在这样的问题。
　　对于不同的或相同的焊盘图形设计是否使用不同的焊接工艺，在将这些焊盘图形应用于产品之前，必须对焊盘图形的可靠性和可制造性进行确认。
　　5 结论与建议
　　可制造的设计的好处是可以获得良好的质量、缩短生产周期、降低劳动成本和材料成本及减少重复设计的次数。每个公司都需要有其由一组设计人员独特设计的DFM。设计人员在使用SMT的任意产品的成功和财政上的可行性起到了关键作用。就设计人员能够设计出可制造的产品而言，为DFM的修订制定指南和规则以及控制步骤是很重要的。为了使DFM指南和规则更加完善，应使这样的一些举措到位是很重要的。

乾坤珠

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熊仔360

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