SMT可制造性設計應用研討會講義(上)

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2、而是必須對以上所提到的三方面負責，并做出項獻。 為什么現(xiàn)今的管理對設計師在這方面的表現(xiàn)特別重視呢？主要是因為設計是整個產(chǎn)品壽命的第一站。在效益學的觀點上來說，問題越是能夠越早解決，其成本效益也就越高，問題對公司造成的損失也就越低，在電子生產(chǎn)管理上，曾有學者做出這樣的預測，即在每一個主要工序上，其后工序的解決成本費用為前一道工序的10倍以上，例如設計問題如果在試制時才給予更正，其所需費用將會較在設計時解決高出超過10倍，而如果這設計問題沒法在試制時解決，當它流到再下一個主要工序的批量生產(chǎn)時，其解決費用就可能高達100倍以上。此外，對于設計造成的問題，即使您廠內(nèi)擁有最好的設備和工藝知識，也未必能夠

3、很完善的解決。所以基于以上的原因，把設計工作做好是門很重要的管理。所謂把設計做好，這里指的是包括產(chǎn)品功能、性能、可制造性和質(zhì)量各方面。 SMT是門復雜的科技。因此目前的設計師也面對許多方面的壓力。身為一個STM產(chǎn)品設計師，他必須對很多方面如元件和組裝壽命等等數(shù)十種科目具備一定的知識。許多這方面的問題都是以往插件技術中不必加以考慮和照顧的，但如今卻成了必備的知識。所以當今的設計師，他們應該具備的知識面，已不能像以往處理電子產(chǎn)品設計時的范圍一樣。而本講座中談到的DFM技術，也正是當今SMT設計師必備的知識之一。 目前在工業(yè)界里，幾乎沒有人不談品質(zhì)管理的。先進管理觀念強調(diào)，品質(zhì)不是制造出來，而應該是

4、設計出來的。這觀念有其重要的地方，是使用戶從以往較被動的關注點(生產(chǎn)線上)移到較主動的關注點(設計上)。但說法不夠完善。嚴格和具體來說，品質(zhì)既不是生產(chǎn)來的，也不是單靠設計來的，而應該是配合來的。好的品質(zhì)是通過良好的設計(配合工藝和生產(chǎn)能力的設計)，優(yōu)良的工藝調(diào)制，和生產(chǎn)線上的工藝管制而獲得的。而這三者又是需有良好的品質(zhì)管理理念、知識、系統(tǒng)和制度來確保的。 要確保產(chǎn)品高而穩(wěn)定的品質(zhì)、高生產(chǎn)效率和低生產(chǎn)成本、以及準確的交貨時間，我們的生產(chǎn)線必須要有一套所謂的堅固工藝(Robust Process)。而堅固工藝是必須通過設計、工藝能力、和設備性能之間的完好配合才能實現(xiàn)的。所謂堅固工藝，是指其對外界各

5、種影它表現(xiàn)的因素的靈敏度很低。也就是說，對這些因素的大變化，其整體效果還是穩(wěn)定不變或只限于合格范圍內(nèi)的變動。 在我們計劃引進一條生產(chǎn)線時，我們必須確保此生產(chǎn)線能處理我們所要制造的產(chǎn)品范圍。但當我們有了生產(chǎn)線后，我們則應該盡力使我們的產(chǎn)品設計，能適用于此生產(chǎn)線上制造。這便是可制造性設計的基本理念。 堅固的工藝是相對的，所以一套設計規(guī)范也是有其針對性的。它在某一生產(chǎn)環(huán)境下(設備、管理、材料、工藝能力、品質(zhì)標準)也許是堅固的，但在另一個環(huán)境下卻可能變得不堅固。因此，設計的好與不好，也是有它的特定性。用戶必須了解和牢記這一點。 產(chǎn)品壽命，是另一設計上應該注重的地方。由于產(chǎn)品在服務期內(nèi)會受到各種不同的環(huán)

6、境壓力(如熱變化、機械振動等等)，產(chǎn)品的設計必須確保在這方面能經(jīng)得起使用環(huán)境中會遇上的各種壓力。另一個要照顧到的是制造方面，可制造性和壽命有什么關系？一個設計得非常難組裝的產(chǎn)品，其對服務壽命的威脅一般也較大，而制造工藝上的小變化常常也會縮短其服務壽命。比如一個熱處理做得不好的設計其制造過程中所受到的焊接熱沖擊會較大，因溫差較大使焊點的可靠性也不容易得到保證。這就影響了此產(chǎn)品的壽命。 產(chǎn)品壽命的設計考慮，始于對產(chǎn)品壽命的定義。設計人員應該定下和壽命有關的一切條件，如壽命期(多少年？)、允許的故障率、故障定義、維修保養(yǎng)政策、使用環(huán)境條件、驗證方法等等。再從使用環(huán)境條件的定義下設計產(chǎn)品的壽命測試方法

7、、選擇元件材料、選擇設計規(guī)范，并通過壽命測試來驗證設計和開發(fā)工藝等等。 影響壽命的因素很多，可分為主因素和次因素兩大類。主因素如元件引腳種類、元件的大小、元件和基本的匹配等等，這些對壽命的影響較明顯嚴重。次因素雖然單獨的影響不是很明顯嚴重，但幾種次因素的作用加起來，其整體作用也可以是相當可觀的。這方面的例子如焊點的形狀、成品的保護涂層(conformal coating)、基板的外形比等等。在影響產(chǎn)品壽命的種種因素之中，熱處理的考慮應該算是SMT應用中最重要的一部分。因為在SMT應用上，許多和壽命有關的問題都是和熱處理有關。它同時也是影響可制造性的重要因素，所以在熱問題的考慮上，用戶應該同時兼

8、顧到制造工藝上和產(chǎn)品壽命上的問題。另外一個對熱處理關注的原因，是絕大多數(shù)使用在電子產(chǎn)品上的，他們的性能都會隨溫度(即關系到熱處理)而發(fā)生變化的，輕則性能不穩(wěn)定，重則可能失效(暫時性)或甚至被損壞(永久性)。 我們了解到設計規(guī)范對我們的產(chǎn)品壽命(即質(zhì)量)、成本和交貨期都有影響，那我們該采用什么設計規(guī)范或標準呢？我們可以發(fā)現(xiàn)，公開市場上有不少類似IPC等機構推薦的設計標準。他們之間都有差別，加上各大電子廠也都有自己本身的一套規(guī)范，標準可謂五花八門。他們之中那一個較好呢？為什么大電子廠采用如IPC這類世界有聲望機構推薦呢？而我們是否可以采用呢？首先我們必須了解和認同的一點，是SMT工藝是門復雜的科技

9、學問，在SMT應用工作中，常出現(xiàn)一個問題現(xiàn)象是由無數(shù)因素聯(lián)合形成的這一現(xiàn)象。而有效的解決這些問題，有賴于我們對整體的配合能力。這是所謂的技術整合。由于因素眾多，也隨時間在改變，所以要找到兩家完全一樣的工廠的機會是很微小的。既然設計規(guī)范優(yōu)化情況下是必須配合工藝和設備能力等方面的，也就是說設計標準都有其范圍，越是要優(yōu)化適用范圍就越小。所以如果要很好的使用設計來解決問題，一套適用于本身的規(guī)范標準是必須按本身持有的條件而開發(fā)的。 產(chǎn)品開發(fā)，應該將它當成是整個技術整合的一部分，而不是單獨的產(chǎn)品開發(fā)工作。把整個技術合成一起管理，才能真正做到最優(yōu)化程度，才有可能朝向無缺陷或零缺陷方向發(fā)展。在產(chǎn)品開發(fā)的初期，

10、設計小組應該將產(chǎn)品的品質(zhì)和壽命要求定下，如果廠內(nèi)開發(fā)多種產(chǎn)品，有需要時可以按他們之間的不同分成幾個檔次。各檔次都有相應的設計規(guī)范和工藝、材料規(guī)范來配合。這些規(guī)范可以是以前開發(fā)驗證過的經(jīng)驗，也可以是為了應付新需求而開發(fā)的新規(guī)范。如果是新規(guī)范，設計方面也必須確保能夠給予配合，有需要是或是引進新設備，或是提升改進現(xiàn)有的設備。配合設計和工藝規(guī)范的設備再通過如TPM等的先進管理，來確保其穩(wěn)定性的可靠性。同時在不斷標定的設備能力工作中使設計規(guī)范穩(wěn)定的標準化。在另一方面，材料的規(guī)范化也應該推出相應的供應商選擇和管制系統(tǒng)。通過對供應商能力的要求和評估來確保對工藝和材料方面的配合。廠內(nèi)的技術水平，由于直接決定廠

11、內(nèi)的工藝管制能力，也是個必須注意、檢測和調(diào)整的方面。 由于當今設計工作范圍和職責的改變，以及為了應付日趨強烈的開發(fā)時間壓力，標準化和資訊管理成了非常重要的管理工作。對設計軟件的要求，也不像以往那樣注重現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫，而是較注重軟件的更改和兼容能力。對于CAD和PDM等管理軟件和數(shù)據(jù)方面的結合也開始越來越被重視了。目前產(chǎn)品的更改頻繁，產(chǎn)品的市場壽命較短等現(xiàn)象，使得許多工廠誤入歧途，過分的注重生產(chǎn)線的靈活性或柔性，而忽略了相等重要的穩(wěn)定性。標準化的推行，可以在這兩者之間獲得一個很好的平衡。適當?shù)臉藴驶性S多成本、質(zhì)量和效益上的優(yōu)勢，但太多或不當?shù)臉藴蕦θ嵝院驮O計空間起了限制，所以用戶必須培養(yǎng)能力來維

12、持這兩者的平衡。2.0工藝和設計的關系 所謂SMT技術，指的是有關如何將基板、元件通過有效工藝材料和工藝組裝起來，并確保有良好壽命的一門科技。這其中便有許多種不同的組裝形式和相應的工藝做法。由于各種方式都有其優(yōu)缺點和不同的工藝，設計師對這方面知識的吸收也就成了一件重要的工作。比如說單面全SMT元件回流焊接技術的組裝板，便具有外形薄和組裝工藝較簡單的優(yōu)勢。但其組裝密度還不是很高，以及不能采用插件可能是其應用限制。而目前最多被采用的雙面混裝技術，具有密度較高，能混合采用SMD和插件，能發(fā)揮質(zhì)量和成本之間的平衡利益。但卻含必須處理兩道焊接程序的弱點。諸如此類的認識，設計師都應該擁有，才能在其工作上發(fā)

13、揮。所以要成為一位非常出色的設計工程師，努力學習組裝工藝方面的知識的是重要的。詳細的工藝不在本講座的范圍之內(nèi)，我們接下來談談一些常用工藝和設計方面的關系。從以下的例子中可以更好的了解到設計工作在整體SMT應用中的重要性。2.1 錫膏絲印工藝 這最常見的工藝包括4個主要工序，分別為對位、充填、整平、和釋放。要把整個工作做好，在基板上有一定的要求?；灞仨殙蚱?，焊盤間尺寸準確和穩(wěn)定(即使在經(jīng)過焊接工作的高溫處理后)，焊盤的設計應該配合絲印鋼網(wǎng)，并有良好的基準點設計來協(xié)助自動定位對中，此外基板上的標簽油印不能影響絲印部分，基板的設計必須方便絲印機的自動上下板，外形和厚度設計不能影響絲印時所需要的平整

14、度等等。這些都必須經(jīng)過設計師的考慮。 另外常見的問題是基板上的綠油(阻焊涂層)印刷不斷或太厚，銅焊盤的保護處理選擇不當(比如在微間距應用上采用垂直熱風整平VHASL處理，雙回流應用中采用不當?shù)腛SP等等)都應該在設計時給予適當?shù)目紤]和處理。 絲印鋼網(wǎng)的設計，有些工廠目前還是和焊盤設計分開考慮和進行的。這是種不當?shù)淖龇ā＿@兩者是息息相關的，其設計指標應該同時考慮和進行。常見的問題是鋼網(wǎng)的開孔被設計為比焊盤CAD數(shù)據(jù)稍為小些，同時在CAD數(shù)據(jù)上有允許焊盤在CAD數(shù)據(jù)上有個較小的公差(例如允許有+/-0.05mm值)。這使得在絲印鋼網(wǎng)上的縮小失去其實用意義。準確的做法應該是要求基板上焊盤的尺寸公差定

15、為如-0.0，+0.05(即只允許比CAD大而不允許小)的范圍。鋼網(wǎng)設計和制造可以由工藝或生產(chǎn)部門人員來執(zhí)行，但必須和設計部的焊盤設計一塊考慮。2.2點錫膏工藝 如果廠內(nèi)采用的錫膏涂布工藝注射是方式的，在基板上的焊盤設計又和絲印有所不同。比如焊盤的長度應該受到更短的限制，銅焊盤的防氧化處理要求更嚴格。但對綠油的要求卻不高。對于不同元件封裝也應該有個別的考慮。比如J引腳的PLCC元件，如果采用一般的做法在每一焊盤上分點兩點錫膏，則有可能在回流前錫膏和引腳的接觸不良，引起引腳發(fā)生位移的問題。如果采用點3錫點的方式，則又浪費寶貴的生產(chǎn)時間。所以焊盤的尺寸設計因給予更改，要求對元件封裝進行較嚴格的范圍

16、控制，同時將焊盤加寬和縮短以達到能采用單一錫點的工藝。 對于采用不同的泵技術，焊盤設計也有一定的不同，所以設計師嚴格對各中泵的性能和特點有足夠的了解。至少對本身廠內(nèi)所使用的技術應該有足夠的了解。2.3黏膠應用 目前較常用的有點膠和印膠工藝。點膠工藝中有各種的注射泵技術，還有適用于非常高產(chǎn)量的針印工藝。目前更發(fā)展出新一代的噴射工藝。印膠工藝方面的做法則和錫膏的絲印很相似。 各種的泵在膠點的量控制能力和點出的膠點外形上也有不同，這是設計和工藝人員應該了解和注意到的。比如在同一直徑膠點的高度上，采用針印工藝的高度就來得低些，噴射工藝最高，而鞭他的泵則處于他們之間。這些變化也就影響了設計工作。比如在元

17、件外形和尺寸不變的情況之下，為了確保膠點能對元件的底部有足夠的接觸面。采用針印工藝的膠點虛設銅盤的寬度就應該較大，以處理更大的膠點直徑。 除此之外，膠水的種類和品牌也影響點的外形。所以在技術整合的觀念下，設計規(guī)范是必須和工藝規(guī)范同時開發(fā)的。2.4 貼片工藝 貼片機是否能處理我們設計時所選的元件，把他們都準確的貼在所需的位置上，這問題直接影響了我們的生產(chǎn)。所以在設計時的元件選擇工作上，對廠內(nèi)貼片機性能的了解也是關鍵的。此外，出于貼片工序在整條生產(chǎn)線上經(jīng)常是效率的瓶頸(也就是限制整條生產(chǎn)線率的一節(jié))，在設計時我們還得同時考慮對生產(chǎn)效率的影響。 對于一個設計人員， 在貼片這一工藝上應關注的有以下幾方

18、面： 1、能處理的元件范圍和個別元件的處理能力(拾放可靠性)。 2、對各元件的對中能力(貼片精度和重復精度)，包括基板的定位能力。 3、靈活性和轉(zhuǎn)換能力(可行性、所需進間和資源)。 4、對各元件的產(chǎn)量。 5、基板的處理能力和范圍(材料種類、厚度、外形比等等)。 市面上對貼片精度的規(guī)范和指標常出現(xiàn)不正確或不完整的說法。正確的精度標法應包括分布系數(shù)SIGMA和貼片精度平均值U的資料，或是以Cp和Cpk兩者標出。設備科人員應該協(xié)助提供這方面的資料給設計部人員。通過對此的了解，設計師才能對其焊盤尺寸的考慮做出優(yōu)化。 設計人員也該進一步的了解貼片精度的誤差的來源。他們是有4個主要因素：基板質(zhì)量、設備對基

19、板的識別和定位能力、設備的機械精度、和設備對元件的識別和對中能力組成的。比如了解廠內(nèi)設備對基板的識別的定位能力后，就能相應的設計合適的基準點(大小、形狀、位置分布和反差條件等)，就能決定區(qū)域和專用基準點是否需要等來確保產(chǎn)品設計的可制造性。 對設備的靈活性方面的了解也一樣。知道了什么元件能被處理，處理的可靠性如何，在處理不同元件時是否需要某程度的設備轉(zhuǎn)換，是自動還是人工轉(zhuǎn)換，對生產(chǎn)時間的浪費影響有多重等等之后，在選擇元件封裝上也能夠做出更好考慮。而這些考慮的內(nèi)容也能夠提醒采購人員在采購時做出相應的要求。2.5 波峰焊接工藝由于混裝板和插件元件在應用上的某些優(yōu)勢，波峰焊接工藝目前仍是常見的組裝焊接

20、工藝之一。波峰焊接工藝的問題，如橋接、陰影效應等已是眾所周知的經(jīng)驗。許多問題在設計上能夠給予一定程度的協(xié)助，如為了減低SOIC引腳間橋接的吸錫盤或盜錫盤設計等。設計人員應該對他們有足夠的了解和應用。應該注意的一點，是這些問題的程度，在波峰焊接工藝中是和設備原理和調(diào)制有很大的關系的。設計工作必須嚴密的配合設備料的工藝調(diào)制規(guī)范進行。比如說為了解決矩形件和陰影效應而增加的焊盤長度，到底應增加多少是和廠內(nèi)的設備和工藝調(diào)制能力息息相關的。忽略對廠內(nèi)工藝和設備能力的了解而盲目搞設備規(guī)范是不正確的做法。另一個經(jīng)常受到關注的波峰焊接問題，是元件的受熱問題。對于雙面有元件的產(chǎn)品來說，一面的元件有可能在經(jīng)過波峰焊

21、時完全浸在高溫的熔錫中，那熱沖擊可以高達每秒200多度。元件的封裝是否經(jīng)得起這樣的熱處理，在其壽命和性能方面會產(chǎn)生什么影響，是設計人員應該給予考慮的。為了處理只有少數(shù)插件的產(chǎn)品，或為了保護一些對熱較敏感的元件不受熔錫的熱沖擊，目前有些局部波峰焊接的工藝和設備。廠內(nèi)如果有采用這類設備，板上元件的編排會可能受到設備動作的一些限制。比如必須留下某些空位等等。2.6 回流焊接工藝回流焊接工藝是目前最流行和常用的批量生產(chǎn)焊接技術。回流焊接工藝的關鍵在于找出 最適當?shù)姆€(wěn)定時間關系(即所謂的溫度曲線設置)。并使它不斷的重復。溫度曲線必須配合所采用的工藝材料(錫膏)，注意的參數(shù)有升溫速度、溫度的高低、在各溫度

22、下的時間、和降溫速度。市場上出現(xiàn)了多種不同加熱原理回流爐子，其實如何加溫還是次要，最重要的是必須能夠隨意控制溫度的變化和保持穩(wěn)定。市場上采用的加溫法，仍然不外3個基本的熱傳播方式。即傳導、對流和輻射。各種爐子的原理也可以這方法來分類。在采用傳導方式的有熱板、熱絲和液態(tài)熱(很少用)三種主要技術。采用對流的有強制熱風、惰性熱氣、和氣相回流(已基本不用)技術三種。而采用輻射技術的，有紅外線、激光和白光三大源流。 熱板回流技術仍用在陶瓷基本工藝上，它只能用在單板上，而必須靠基板的良好熱導性能才能發(fā)揮效益，限制了他在大部分電子組裝業(yè)上的用途。熱絲技術在英文中常稱hot-bar焊接技術，是因為他常用在以金

23、屬或陶瓷片為加熱媒介的設備上而得名。它適用于長、平和柔軟引腳的元件上(如柔性板和TAB工藝上)。通過控制溫度、壓力和時間來控制焊接效果。需要不同的焊頭來處理不同的元件。是屬于較慢的工藝。工藝控制可能不易。此技術可應用在反修工作上。 熱風或熱氣技術有兩種，一上適合批量生產(chǎn)的自動化回流爐子，另一是供局部焊接用的吹管技術(常用在返修技術上)。通過空氣或惰性氣體的對流作用來傳熱。在局部焊接技術上必須使用不同的吹管來處理不同元件是它的一個弱點。在使用空氣為媒介時是個經(jīng)濟的方案，但工藝速度較慢。 白光和紅外線在小批量生產(chǎn)的應用上，都是通過光學聚集的原理將光內(nèi)的熱能集中起來，對焊點做局部加熱的。其好處是沒有

24、機械接觸(不像熱絲技術)，局部焊接不會對元件封裝造成過熱的威脅，可以自動化編程。缺點是焊接以點進行，速度較慢，雖不會對元件封裝有過熱的威脅，但失控時對焊點有過熱的可能，而白光對人的眼睛不利。其加熱速度快使他在對熱容量大和封裝對熱較敏感的元件應用上有優(yōu)勢。 激光技術和以上的白光和紅外線原理類似，只是媒介同。這是種較新的技術，還未普遍被接受，主要原因可能是價格方面(十分昂貴)。激光的能量能夠被很準確的進行控制，重復性很高，焊點可以很細(對微間距技術沒困難)，由于局部性很高而能保證很好的焊點質(zhì)量(沒有內(nèi)部潛在應力)。此技術或許有很好的發(fā)展?jié)撃埽壳罢f法不一。 電感焊接技術，是一種通過電感效應的渦流

25、加熱原理來進行焊接的工藝。具有沒有機械接觸、加熱快和熱容量高的優(yōu)點。缺點是技術不易掌握，焊點周邊不能有某些金屬部件，高頻信號對某些電子元件不利和加熱頭的位置敏感度高等等。目前的應用還不普遍。 火炬焊接技術，適用于焊點熱容量特高的應用上。如在基板上有大的插座或金屬屏蔽板等等的場合。也屬于非接觸式和局部焊接的工藝。缺點是工藝經(jīng)驗缺乏，對焊點的可靠性數(shù)據(jù)了解和考察不夠(不過在某些應用上不是太重要)。 紅外線用在批量生產(chǎn)焊接技術上已有很長的時間，它是熱風回流技術成熟前的主要工藝。目前還有些產(chǎn)家還在推薦遠紅外線技術的爐子。此技術的優(yōu)點是加熱效率較高，重復率很好，熱容量也好，對一些回流工藝問題如吸錫(wi

26、cking)和立碑等較能應付。缺點是產(chǎn)品板上的溫度較大，對一些元件的外形和封裝材料變化較大，而且有超溫的可能。另一更常見的批量焊接技術是熱風回流技術，他基本是解決了紅外線技術存在的問題，但設備困難，好的設備價格高于紅外線技術，(差的設計性能不如紅外線技術)，而且應用上對知識的要求也較高，設備保養(yǎng)要求也高，設備選擇不易，必須要有一套測試方法。 回流曲線設置的關鍵，在于將產(chǎn)品板上最熱和最冷點找出，通過對爐溫的調(diào)制使這兩點的范圍設置在錫膏性能的要求范圍內(nèi)，工作便可說是完成了。板上熱點和冷點的熱學特，影響的因素很多，在設計產(chǎn)品時便應該考慮到和照顧到這些，使設計出來的產(chǎn)品上，熱點和冷點的溫差盡量做到最小

27、為此。這不但使生產(chǎn)容易控制，對設備的性能(和價格相關)和保養(yǎng)的要求也較低，而且對產(chǎn)品焊點的質(zhì)量也較容易保證，是個設計時很重要的考慮點和做法。 3.0了解您的制造能力 了解廠內(nèi)實際的制造能力，是推動DFM管理的重要部分。工作包括對廠內(nèi)設備的能力進行量化考察、規(guī)劃和制定規(guī)范指標。這做法的主要原因有四：一是因為每個設計規(guī)范都有它特定的適用性或針對性，它只有在特定的條件下才能最優(yōu)化的發(fā)揮其功能。第二個原因是大多數(shù)的生產(chǎn)線都是不同的，即使設備的硬件配置一樣，管理、工藝知識、品質(zhì)標準等等軟科學會使其不同。所以在另一個工廠適用的設計規(guī)范，未必也適用于您的工廠。只有完全和準確的了解您廠內(nèi)的能力情況后您才可能制定出一套優(yōu)化的設計規(guī)范或標準。第三個原因是許多有用和重要的資料，除非您親身去考察、測試和記錄，您不可能在市場上得到現(xiàn)成的，即使是設備供應商也提供不了。第四原因，是在優(yōu)化設計上，根本沒有所謂的通用標準可被使用。 在您的生產(chǎn)環(huán)境里，有什么是需要您的關注和量化了解的呢？您可以從四個方面著手。即生產(chǎn)線的功能(能做些什么？)生產(chǎn)線的柔性或靈活