...装线路板的一些可制造性设计考虑
李响
【摘 要】本文讲述了可制造性设计在电子产品装联技术中的应用，从概念上总体的介绍了什么是可制造性设计理念，应用可制造性设计理念时应考虑的基本问题，可制造性设计可解决的主要问题及其重要性。
【关键词】可制造性设计；电子装联；可靠性
0 概述
20世纪70年代初，在欧美机械行业为简化产品结构和减少加工成本，逐步提出了一种最优化设计理念，直至1994年SMTA（表面安装技术联盟）首次提出DFX概念，并很快被汽车、国防、航空、计算机、通讯、消费类电子、医疗设备等领域的制造企业采用。
所谓DFX是Design for X的缩写，其中，X可以代表产品生命周期中的某一环节，如加工、装配、测试、使用、维修、回收、报废等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。目前DFX在国际上已经得到非常广泛的应用，不同领域对DFX包含范围的定义也不尽相同，一般来讲DFX主要包括：
●DFP：Design for Procurement（可采购性设计）
●DFM：Design for Manufacture（可制造性设计）
●DFT：Design for Test（可测试性设计）
●DFD：Design for Diagnosibility（可诊断性设计）
●DFA：Design for Assembly（可组装性设计）
●DFE：Design for Environment（环保性设计）
●DFF：Design for Fabrication of the PCB（PCB的可加工性设计）
●DFS：Design for Serviceability（可服务性设计）
●DFR：Design for Reliability（可靠性设计）
●DFC：Design for Cost（成本性设计）
DFX设计方法是世界先进的新产品开发技术，这项技术在欧美大型企业中应用非常广泛。在产品开发过程中和进行系统设计时不但要考虑产品的功能和性能要求，而且要考虑与产品整个生命周期相关的工程因素，只有具备良好的工程特性的产品才是既满足客户需求又具备良好的质量、可靠性与性价比的产品，这样的产品才能在市场得到认可。
可制造性设计（以下简称：DFM）是从产品设计时起，就考虑到产品的制造过程，使设计和制造之间紧密联系，相互影响，从而实现从设计到制造一次成功的目的。DFM主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并将其应用于产品设计中，以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。DFM作为DFX中的一个方面，其在电子产品装联技术中的应用是本文后面重点介绍的主题。
2 DFM在电子装联中的应用
2.1 PCB可制造性设计应考虑的基本问题
在满足产品功能和性能可实现的前提下，PCB的可制造性设计应至少考虑如下基本问题：
●自动化生产所需的工艺传送边、定位孔、光学定位符号。
●与生产效率有关的拼板。
●与焊接合格率有关的元件封装选型、基板材质选择、组装方式、元件布局、焊盘设计、阻焊层设计。
●与检查、维修、测试有关的元器件间距、测试焊盘设计。
●与PCB制造有关的导通孔和元件孔径设计、焊盘环宽设计、隔离环宽设计、线宽和线距设计。
●与装配、调试、接线有关的丝印或腐蚀字符。
●与焊接、螺装、铆接工艺有关的孔径、安装空间。
2.2 工艺流程的选则
PCB的设计应首先结合元器件选型，确定表面贴装元器件（以下简称：SMD）与通孔插装元器件（以下简称：THD）在PCB正、反两面上的布局。不同的PCB组装形式对应不同的工艺流程。工艺流程越简单，自动化程度越高，则PCB装联的效率越高，可制造性越好，同时PCB装联过程导致的产品质量问题也越少。常见的PCB组装形式如下表所示。
2.3 组装过程工艺参数对PCB设计的影响
PCB设计时应考虑其组装过程中涉及的工艺参数，在满足功能、性能可实现的基础上，其加工工艺参数应符合产品制造企业设备的制造能力。不同的制造企业，不同的制造工序，其加工设备不同，对PCB组装工艺参数的需求也不尽相同。
例如，PCB上SMD放置方向和位置的选择，应考虑到贴片机的贴装效率，也要考虑到PCB在设备中的传送方向；SMT设备轨道的最大和最小宽度在一定程度上决定了PCB外形尺寸的选择，若尺寸过小，可考虑通过拼板或增加工艺边的方式使PCB的外形尺寸符合要求；为提高设备对SMD放置坐标识别的准确性，应在PCB表面合适位置放置适当数量、适当尺寸的光学识别点；为提高PCB测试的效率和全面性，应考虑在电气节点设计测试点，以便通过在线测试设备对PCB进行电气测试，等等。
2.4 通过PCB设计提高焊接的可靠性
电子装联中最重要，也是最难管控的一点就是焊接的可靠性。焊接是一个特殊的工序，其结果不能由后续的监视或测量加以验证，只能在产品交付使用后其质量问题才会显现，因此在PCB设计过程中，应着重考虑如何通过设计来提高焊接的可靠性。
例如，进行PCB焊盘设计时，为保证熔融焊锡表面张力平衡，SMD两端焊盘应对称；元件焊端或引脚与焊盘搭接后的剩余尺寸应能够保证焊点能够形成弯月面；为增加细间距引脚封装元器件的焊接合格率，可采用工艺导流盘设计；为提高与大面积铜箔连接的焊盘的焊接合格率，可采用“花式”焊盘设计，等等。正确的PCB焊盘设计，在贴片加工时如果有少量的歪斜，可以在再流焊时由于熔融焊锡表面张力的作用而得到纠正。而如果PCB焊盘设计不正确，即使贴装位置十分准确，再流焊后容易会出现元件位置偏移、吊桥等焊接缺陷。
此外，在元件封装选型、基板材质选择、组装方式、元件布局、阻焊层设计等方面，都有着不同的设计要求来保障焊接的合格率和可靠性。
PCB的可制造性设计，要求设计师能够全面了解到制造过程中的各个环节，并进行综合考虑，以选择最优设计方案。对于集团型企业，所属各制造工厂不同制造能力的平衡和选择，也应在综合考虑范围之内。这对于设计工程师的综合能力有着非常高的要求，甚至可以说，PCB的可制造性设计是应该由一个不同专业人员组成的团队来进行，而不应仅仅是一个设计工程师来完成的工作。
3 可制造性设计应用的必要性
客戶对产品的要求一般离不开三方面：品质高、成本（或价格）低、供货周期短。要确保产品高而稳定的品质、低生产成本、高生产效率和准确的交货时间，我们的生产线必须要有一套所谓的坚固工艺，即产品对各种影响它表现的外界因素的灵敏度很低。也就是说，这些外界因素不论如何变化，产品的整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内的变动。而坚固工艺是必须通过设计、工艺能力、和设备性能之间较好的配合才能实现的。
当前新一代的产品设计工程师，其职责已不仅是将产品的功能和性能设计出来，而是应当在客户所需求的品质高、价格低、供货周期短这三方面具备一定影响，甚至对上述三方面负责并具备控制能力的。而DFM的理念就具有提高产品品质、降低生产成本、缩短开发和生产周期等优点，也是产品取得成功的必要途径。
在企业计划引进一条新的生产线时，设计师必须确保这条新的生产线能够处理企业所要制造的产品范围；而当设计师为既有的生产线设计新的产品时，则应当尽力使产品设计能够尽可能完美的适用于此生产线上进行制造，这便是可制造性设计的基本理念。
[责任编辑：朱丽娜]
