SMT可制造性設計應用研討會講義（下）

1、smt可制造性設計應用研討會講義（下）6.0焊盤設計焊盤的尺寸，對smt產(chǎn)品的可制造性和壽命有著很大的影響。所以它是smt應用中一個必須做得好的工作。影響焊盤尺寸的因素眾多，必須全面的配合才能做得好。要在眾多因素條件中找到完全一樣的機會很小。所以smt用戶應該開發(fā)適合自己的一套尺寸規(guī)范。而且必須有良好的檔案記錄，詳細記載各重要的設計考慮和條件，以方便將來優(yōu)化和更改。由于目前在一些因素和條件上還不能找出具體的有效的綜合數(shù)學公式，用戶還必須配合計算和試驗來優(yōu)化本身的規(guī)范，而不能單靠采用他人的規(guī)范或計算得出的結果。6.1良好焊盤和影響它的因素一個良好的焊盤設計，應該提供在工藝上容易組裝、便于檢查和測

2、試、以及組裝后的焊點很長的使用壽命等條件。設計考慮上的焊盤定義，包括焊盤本身的尺寸、綠油或阻焊層框框的尺寸、元件占地范圍、元件下的布線和(在波峰焊工藝中)點膠用的虛設焊盤或布線的所有定義。決定焊盤尺寸的，有五方面的主要因素。他們是元件的外形和尺寸、基板種類和質量、組裝設備能力、所采用的工藝種類和能力、以及要求的品質水平或標準。在考慮焊盤的設計時必須配合以上五個因素整體考慮。計算尺寸公差時，如果采用最差情況方法(即將各公差加起來做總公差考慮的方法)，雖然是保險的做法，但對微型化不利而有難照顧到目前統(tǒng)一不足的巨大公差范圍。所以工業(yè)界中較常用的是統(tǒng)計學中接受的有效值或均方根方法。這做法在各方面達到較

3、好的平衡。6.2設計前的準備工作焊盤設計必須配合多方面的資料，所以在進行焊盤設計有以下的準備工作先得做好。1.收集元件封裝和熱特性的資料。注意國際是對元件封裝雖然有規(guī)范，但東西方規(guī)范在某些方面的相差還是挺大的。有時要以統(tǒng)一的焊盤尺寸來處理這巨大的規(guī)范范圍，同時又要配合廠內的各種條件而做到最優(yōu)化是不可能的。用戶必須在元件范圍上做出選擇或把設計規(guī)范分成等級。2.整理基板的規(guī)范。對于基板的質量(如尺寸和溫度穩(wěn)定性)、材料、油印的工藝能力和相對的供應商都必須有一個清楚詳細記錄。3.制定廠內的工藝和設備能力規(guī)范。例如基板處理的尺寸范圍、貼片精度、絲印精度、回流原理和點膠工藝采用的是什么注射泵等等。這方面

4、的量化了解對焊盤的設計也有很重要的幫助。4.對各制造工藝的問題和知識有足夠的了解。這協(xié)助對設計焊盤時的考慮和取舍，有些時候設計無法面面俱顧，這方面的知識和能力可以使設計人員做出較好的決策。5.制定廠內或對某一產(chǎn)品上的品質標準。只有在了解到具體的產(chǎn)品品質標準后，焊盤設計才可以有意義的推算出來。品質標準是指如焊點的大小、需要怎么樣的外形等等。6.3波峰焊工藝中的一些考慮波峰焊接工藝中，較常見的工藝問題有陰影效應(缺焊)、橋接(短路)和元件脫落。陰影效應是由于元件封裝的不潤濕性和溶錫的強大表面張力造成的，為了避免這種問題的產(chǎn)生，焊盤的長度必須有足夠的伸延出元件體外，越高的元件封裝伸延也應越長。而元件

5、和元件之間的距離也不能太靠近，應保留有足夠的孔隙讓熔錫滲透。注聲這些尺寸都和廠內的設備和調制能力有一定的關系，所以設計時必須了解到廠內這方面的特性。橋接問題常發(fā)生在ic引腳上和距離太近的元件。解決的方法是給予足夠的元件間距，對于ic引腳(一般在離開錫爐的最后引腳上)可以在焊盤設計上加入吸錫或盜錫虛焊盤。此焊盤的尺寸和位置看ic的引腳間距和類型而定。對于較細間距的翼形引腳應采用較長的吸錫焊盤。此外，對于四邊都有引腳的qfp應采用45度角置放，以減少橋接的機會。對于j形引腳和間距較寬的plcc則無此需要。元件脫落的問題，一般是因為黏膠工藝做得不好造成的。最常見的是因為膠點的高度不夠引起而很多時候是

6、因為工藝(泵技術)和材料(黏膠、元件)的選擇不當，以及因基板上焊盤高度將元件托起而引起的。設計時除了要具體和嚴格的規(guī)定元件的封裝尺寸、工藝規(guī)范中規(guī)定技術和材料外，在基板的設計上可采用所謂的墊盤(膠點處的一種虛焊盤)來協(xié)助增加膠點的高度。這墊盤也可以采用信號布線來代替。6.4焊點質量的考慮決定焊盤的尺寸大小，首先要從焊點的質量來考慮。什么樣的焊點(大小、外形)才算是優(yōu)良的焊點呢？在點廠內的品質部應該配合設計和工藝部有一認同?？茖W性的確認是通過對不同焊點大小和外形進行壽命測試而得來的。這類測試費用高、技術難、所需時間也長，因此不是每一家工廠都能負擔的。不過工業(yè)界中有許多經(jīng)驗是可以被我們參考和借用的

7、。比如說矩形元件的焊點，我們要求底部端點最少有一半的面積必須和焊盤焊接(家電和消費產(chǎn)品)，端點兩側要有0.3mm以上或元件高度的三份一的潤濕面等的最低要求。對于設計工作，重要的是我們應該了解到焊點組成各部分的功能和作用。比如了解到矩形元件兩端延伸方向處是影響焊點的機械力，是提供工藝效果有用的檢查點。而它在組裝工藝上是影響立碑和陰影效應的重要部分和關系后，我們在設計時就能很好的給予尺寸方面取舍的決定。有例如我們了解到矩形元件各端點兩側只提供未必需要的額外機械強度，而它又是決定回流時浮動效應(引起立碑的成因之一)時，我們可以在小元件上放棄這兩鍘的焊盤面積來換取較高的工藝直通率。6.5焊盤尺寸的推算

8、焊盤尺寸的初步推算，應該考慮元件尺寸的范圍和公差，焊點大小的需要，基板的精度和穩(wěn)定性和廠內的工藝能力(如定位和貼片精度等)。推算的公式內應該包含這些因素的考慮。讓我們來看以下的例子。在焊盤尺寸x的考慮上，為了確保端點底部有足夠的焊接面，我們采用了元件范圍中最長的l值，加上品質標準中所需的端點焊點(0.3mm或元件端點高度的1/3)，再加上貼片精度的誤差(注：有些認為回流時元件會自動對中而不考慮，這種做法不當。因為不是在任何情況下都會自動對中，而且即使能自動對中，在對中前會產(chǎn)生中貼偏而不利工藝的其他問題)。此外因基板尺寸誤差在制造時是以只允許大而不可小的指標來控制的(見以上2.1一章)，所以基板

9、的誤差可以不加在公式內。因此，x的推算總結如下：x最小值=l最大值+2x優(yōu)良焊點所需的延伸+2x貼片精度x最大值=l最大值+1.5x元件端點高度-2x貼片精度注：焊盤延伸長度超過元件高度的1.5倍時容易引起浮動立碑問題。對于d的考慮，為確保有足夠的端點底部焊接面，采用了元件s的最低值，減去品質標準中所需焊點大小。成為：d最大值=s最小值-2x優(yōu)良焊點的延伸由于在質量觀點上元件底下內部焊點不是很重要，此處的貼片精度和焊點保留區(qū)可以同時考慮(包括在一起)。用戶也可以采用：d最大值=s最小值-2x貼片精度一般以上的抉擇是看那一個公差較大而定。d最小值的考慮點是焊球問題，但可以提供絲印鋼網(wǎng)的設計來補償

10、。一般在設計d尺寸時用以上的公式而不找其最小值(沒額外的好處)。y值的考慮和x值類似。但無需考慮最大值，因為延伸以下的焊盤沒有什么意義。y最小值=w最大值+2x優(yōu)良焊點所需的延伸+2x貼片精度由于從w值再向外延伸的焊盤尺寸，對元件的壽命和可制造性沒有什么更有益的作用，而縮小這方面的尺寸對元件回流時的浮動效應有制止的作用，許多設計人員因此將焊盤的y值方面不加入這方面的值，甚至還有為了更強的工藝管制而使用稍小于w值的。對于小的矩形(0603或更小)可以考慮此做法。以上是以矩形為例子，用戶該做到的是了解焊點的作用細節(jié)，了解尺寸和工藝方面可能發(fā)生的誤差，那不管是什么引腳，什么封裝的元件焊盤都能較科學的

11、推算了。6.6綠油(阻焊層)的考慮對于綠油無覆蓋框的尺寸考慮，主要是看基板制造商在綠油工藝上的能力(印刷定位精度和分析度)而定。只要保留足夠的孔隙確保綠油不會覆蓋焊盤和不會因太細而斷裂便可以了。一般采用液態(tài)絲印綠油涂布技術的，約需保留0.4mm。而采用光繪綠油涂布技術的，則只需約0.15mm的間隙。最細的綠油部分，絲印技術應有0.3mm而光繪技術應有0.2mm。6.7占用面積占用面積指的是不能有其他物件的范圍。這方面的考慮是要確保檢查(光學或目視)和返修工具和工作所需的空間。設計人員應先了解廠內所采用的返修和檢查方法和工具后再進行制定此規(guī)范。7.0基板設計和元件布局基板設計可以從基板如何在自動

12、化設備中處理開始。比如設備自動傳送帶所需的留空寬度、基板在每一處設備中的定位方式和需求(如邊定位需要一定的厚度和平整度等等)、定位孔的位置、形狀和尺寸要求之類的，都應該給予清楚的定下。以免設計出的產(chǎn)品不適合處理或在處理中會有對質量和效率不利的現(xiàn)象。7.1定位孔基板的定位孔，如果是用做基準對位用途和不只是固定的作用的話，設計時只應該在基準孔上是正圓形的。一般設備的定位針都有兩根，所以定位孔也最小有兩個。除了基準孔外，另外的孔就不應該是正圓形。而應該是在基準孔同一方向上延伸式的設計。此外，為了避免錯位時損壞基板，可考慮把孔在基板的對邊也開出對稱的設計。如果基板尺寸是正方形的，那也許得確保四便對稱。

13、注意這里所要防止的是基板因錯位而被損壞，自動設備應該還要有能力辨別錯位而停止進行無謂的加工。7.2基準標點基準標點是供自動化設備做自動對位用的，按精度需求可采用板基準(panelfiducial或globalfiducial)、電路基準(circuit或imagefiducial)、或個別基準(localfiducial)。在不采用拼板設計上(即每一塊板是一個線路)，前兩者是相同的。對于尺寸較小、精度要求不高的基板，則最后的個別基板可以不被采用。值得注意的是，采用基準點對中是未必需要的。所以設計時加以給予考慮?；鶞庶c的形狀可以是有很多種。設備供應商常說其設備可以處理各種各樣的基準圖形，甚至可采

14、用焊盤圖形。其實多數(shù)的設計對不同的圖形都有不同能力的。為了做到最好(準確和穩(wěn)定)，設計人員應對廠內設備對不同圖形的識別和計算能力有足夠的了解。并采用相應最優(yōu)化的圖形做為基準點。為了達到最準確，基準點的位置最好是在基板的對角上。并且距離越遠越好?；鶞庶c的數(shù)量也重要。最少兩點。但如果要處理非線性的補償則必須要有三點(應該確保所使用設備的補償計算有此功能)。還可采用第四點做為后備用途的(也需確保設備能處理)?；鶞庶c對基板在設備中的機械定位基準面(如板邊或定位孔)不應該有相同的距離。最好是相差超出一個設備的視覺范圍fov之外。這樣能用做錯位時分辨工作。為了確保有足夠和良好的光學反差，基準點的平整度應給

15、予關注。如果基板采用熱風整平技術的，基準點應該設計的較大。osp或鍍金技術較受推薦。綠油不可覆蓋基準點，以免造成反差不良。基準點周邊也應該有足夠的空位，以免布線或綠油等影響識別的穩(wěn)定性。有一種好的做法是在基準位置的下方(基板背后或內層)設置足夠大小的銅片來增加反差?；鶞庶c的位置，也應該被用做是整個基板坐標的零點。許多設計還是采用板的一角等做為零點。這樣的做法對日后的工藝管制沒有幫助。7.3標記基板的布線和元件布局經(jīng)常會留有空位，這些空位可以用來印刷些有用的資料。常見的有產(chǎn)品型號、改進標號、基板制造商號和批號、線路標號等。如果有采用條碼標記的，應該考慮到條碼的大小和位置(如果是自動化的還得考慮設

16、備限制)。7.4元件布局元件的布局可以影響以后的工作效率，如檢驗和返修工作等。在有能力的情況下，設計人員應該盡量做到以下的布局法：1.元件方位的標記(盡量做大同類封裝元件方位一樣)。2.以同功能的線路集中在一起并印下方框。3.同類封裝元件的距離相等。4.所有元件編號的印刷方位相同。拼板的做法很多時候值得考慮。拼板有以下的好處：1.對元件少的板，可以通過加長貼片時間來提高貼片機的使用效率。2.對太小的基板提高其可處理性。3.改變異形(非正方或長方形)板或外形比不佳的板子外形，增加效益和可處理性。4.對從面回流技術的板，可以通過正方拼來提高整體生產(chǎn)的效率。設計元件的方位時，除了以上通過第6章中提到

17、的熱處理考慮外，還得注意方位對組裝工藝是否有不良的影響。如在波峰焊接工藝中，許多ic的方位對工藝的成功率都有些影響。除非在焊盤設計上有能力做到十分完善的補償，否則在元件布局時應盡量采用最佳方位來布局。7.5接通孔接通孔在產(chǎn)品的壽命故障上也是主要問題之一，在設計上也有些可以照顧到的地方。較常見的問題是接通孔鍍層的斷裂而最終導致開路現(xiàn)象。斷裂的現(xiàn)象常出現(xiàn)在接通孔的內壁中間和孔上下面的轉彎處?？變缺谥虚g的問題是由于基板制造時鍍金屬的工藝做的不好。而在轉彎處是熱循環(huán)造成(fr4基板的垂直溫度膨脹系數(shù)較水平面的要高得多)。雖然這些的和基板的制造工藝有關，但不良的設計使基板的可制造性差而引起問題是常見的事

18、。接通孔的鍍金工藝是否能做得好，除了制造商的工藝能力外，和接通孔的尺寸也很有關系。比如一般的工藝，對小于0.5mm孔徑和外形比(孔深對孔徑)大于3的接通孔尺寸，是較難有很可靠的工藝成果的。所以為了確保較可靠的產(chǎn)品，設計接通孔時就必須注意到這些。鍍層的厚度應該要求在25至40um之間。為禰補這方面的不足，有一個有效的做法是將接通孔完全充填。因為這樣有可能使應力更集中而縮短壽命。因為接通孔具有吸錫的能力，因此接通孔的位置設計應該盡量避免太靠近焊盤和看不見的元件封裝底部。7.6測試方面的考慮測試，雖然本意是用來確保產(chǎn)品是合格的，但應用不當卻會傷害產(chǎn)品的壽命。所以在設計產(chǎn)品時不得不小心加以考慮。測試用

19、的探針對產(chǎn)品不利，但很多時候我們還得借用它。尤其是在ict(在線測試)上使用的特多。飛針式的測試，在對產(chǎn)品的破壞危險性上較小，但因為目前的速度還不理想而常常還是由針床式治具時，因為探針的數(shù)目可能相當可觀，而每一探針都需要一定的力度來確保可靠的電氣接觸性，其總壓力可以是十分大的。如果加上壓力的分布不均等問題，是有可能給測試中的產(chǎn)品造成內在的破壞，縮短其服務壽命。為了減少這方面的破壞，應該在設計測試點時使其均勻的分布在整個基板面上，采用虛設測點，采用正反面平衡測點或足夠的支撐和下壓柱等等技巧。雖然占用在方，但應該盡量采用個別的測試點而不是采用元件焊盤或元件引腳做為測試點。在密度較大的組裝板上可以考

20、慮使用接通孔兼測試點做法以及雙面測試。測試點的大小應看治具和探針的精度而定，采用壓縮距離較短的探針有利于精度的提升。探測點可以考慮用方法來取代一般的圓形，可以考慮用六或八邊形的探測點，方便辨認區(qū)別。由于探測點都不能有綠油覆蓋，要注意他們對鄰近焊盤的影響。探測點的布置最好是采用標準的柵陣排列(即坐標間距跟隨一定的標準)，這樣可以方便日后測點的改變和針床治具的重復使用或修改。8.0設計文件檔案一個產(chǎn)品開發(fā)出來后，有一套隨著而生的重要文件檔案。這些文件包含了各種在制造、品質管理、采購、改進、和返修工作中需要的資料。如線路圖、gerber檔案、物料清單、組裝文件等等。在種種關系到設計工作的文件檔案中，在以前較不被注重的是工藝的材料規(guī)范、合格供應商資料和物料清單中的一些資料。這些曾被忽略的文件檔案，在目前的先進管理上是不可不利用他們的。工藝和材料規(guī)范檔案，應該最少