可制造性設計理念在電子產品裝聯技術中的應用

李響

【摘 要】本文講述了可制造性設計在電子產品裝聯技術中的應用，從概念上總體的介紹了什么是可制造性設計理念，應用可制造性設計理念時應考慮的基本問題，可制造性設計可解決的主要問題及其重要性。

【關鍵詞】可制造性設計；電子裝聯；可靠性

0 概述

20世紀70年代初，在歐美機械行業為簡化產品結構和減少加工成本，逐步提出了一種最優化設計理念，直至1994年SMTA（表面安裝技術聯盟）首次提出DFX概念，并很快被汽車、國防、航空、計算機、通訊、消費類電子、醫療設備等領域的制造企業采用。

所謂DFX是Design for X的縮寫，其中，X可以代表產品生命周期中的某一環節，如加工、裝配、測試、使用、維修、回收、報廢等，也可以代表產品競爭力或決定產品競爭力的因素，如質量、成本、時間等。目前DFX在國際上已經得到非常廣泛的應用，不同領域對DFX包含范圍的定義也不盡相同，一般來講DFX主要包括：

●DFP：Design for Procurement（可采購性設計）

●DFM：Design for Manufacture（可制造性設計）

●DFT：Design for Test（可測試性設計）

●DFD：Design for Diagnosibility（可診斷性設計）

●DFA：Design for Assembly（可組裝性設計）

●DFE：Design for Environment（環保性設計）

●DFF：Design for Fabrication of the PCB（PCB的可加工性設計）

●DFS：Design for Serviceability（可服務性設計）

●DFR：Design for Reliability（可靠性設計）

●DFC：Design for Cost（成本性設計）

DFX設計方法是世界先進的新產品開發技術，這項技術在歐美大型企業中應用非常廣泛。在產品開發過程中和進行系統設計時不但要考慮產品的功能和性能要求，而且要考慮與產品整個生命周期相關的工程因素，只有具備良好的工程特性的產品才是既滿足客戶需求又具備良好的質量、可靠性與性價比的產品，這樣的產品才能在市場得到認可。

可制造性設計（以下簡稱：DFM）是從產品設計時起，就考慮到產品的制造過程，使設計和制造之間緊密聯系，相互影響，從而實現從設計到制造一次成功的目的。DFM主要研究產品本身的物理設計與制造系統各部分之間的相互關系，并將其應用于產品設計中，以便將整個制造系統融合在一起進行總體優化。DFM作為DFX中的一個方面，其在電子產品裝聯技術中的應用是本文后面重點介紹的主題。

2 DFM在電子裝聯中的應用

2.1 PCB可制造性設計應考慮的基本問題

在滿足產品功能和性能可實現的前提下，PCB的可制造性設計應至少考慮如下基本問題：

●自動化生產所需的工藝傳送邊、定位孔、光學定位符號。

●與生產效率有關的拼板。

●與焊接合格率有關的元件封裝選型、基板材質選擇、組裝方式、元件布局、焊盤設計、阻焊層設計。

●與檢查、維修、測試有關的元器件間距、測試焊盤設計。

●與PCB制造有關的導通孔和元件孔徑設計、焊盤環寬設計、隔離環寬設計、線寬和線距設計。

●與裝配、調試、接線有關的絲印或腐蝕字符。

●與焊接、螺裝、鉚接工藝有關的孔徑、安裝空間。

2.2 工藝流程的選則

PCB的設計應首先結合元器件選型，確定表面貼裝元器件（以下簡稱：SMD）與通孔插裝元器件（以下簡稱：THD）在PCB正、反兩面上的布局。不同的PCB組裝形式對應不同的工藝流程。工藝流程越簡單，自動化程度越高，則PCB裝聯的效率越高，可制造性越好，同時PCB裝聯過程導致的產品質量問題也越少。常見的PCB組裝形式如下表所示。

2.3 組裝過程工藝參數對PCB設計的影響

PCB設計時應考慮其組裝過程中涉及的工藝參數，在滿足功能、性能可實現的基礎上，其加工工藝參數應符合產品制造企業設備的制造能力。不同的制造企業，不同的制造工序，其加工設備不同，對PCB組裝工藝參數的需求也不盡相同。

例如，PCB上SMD放置方向和位置的選擇，應考慮到貼片機的貼裝效率，也要考慮到PCB在設備中的傳送方向；SMT設備軌道的最大和最小寬度在一定程度上決定了PCB外形尺寸的選擇，若尺寸過小，可考慮通過拼板或增加工藝邊的方式使PCB的外形尺寸符合要求；為提高設備對SMD放置坐標識別的準確性，應在PCB表面合適位置放置適當數量、適當尺寸的光學識別點；為提高PCB測試的效率和全面性，應考慮在電氣節點設計測試點，以便通過在線測試設備對PCB進行電氣測試，等等。

2.4 通過PCB設計提高焊接的可靠性

電子裝聯中最重要，也是最難管控的一點就是焊接的可靠性。焊接是一個特殊的工序，其結果不能由后續的監視或測量加以驗證，只能在產品交付使用后其質量問題才會顯現，因此在PCB設計過程中，應著重考慮如何通過設計來提高焊接的可靠性。

例如，進行PCB焊盤設計時，為保證熔融焊錫表面張力平衡，SMD兩端焊盤應對稱；元件焊端或引腳與焊盤搭接后的剩余尺寸應能夠保證焊點能夠形成彎月面；為增加細間距引腳封裝元器件的焊接合格率，可采用工藝導流盤設計；為提高與大面積銅箔連接的焊盤的焊接合格率，可采用“花式”焊盤設計，等等。正確的PCB焊盤設計，在貼片加工時如果有少量的歪斜，可以在再流焊時由于熔融焊錫表面張力的作用而得到糾正。而如果PCB焊盤設計不正確，即使貼裝位置十分準確，再流焊后容易會出現元件位置偏移、吊橋等焊接缺陷。

此外，在元件封裝選型、基板材質選擇、組裝方式、元件布局、阻焊層設計等方面，都有著不同的設計要求來保障焊接的合格率和可靠性。

PCB的可制造性設計，要求設計師能夠全面了解到制造過程中的各個環節，并進行綜合考慮，以選擇最優設計方案。對于集團型企業，所屬各制造工廠不同制造能力的平衡和選擇，也應在綜合考慮范圍之內。這對于設計工程師的綜合能力有著非常高的要求，甚至可以說，PCB的可制造性設計是應該由一個不同專業人員組成的團隊來進行，而不應僅僅是一個設計工程師來完成的工作。

3 可制造性設計應用的必要性

客戶對產品的要求一般離不開三方面：品質高、成本（或價格）低、供貨周期短。要確保產品高而穩定的品質、低生產成本、高生產效率和準確的交貨時間，我們的生產線必須要有一套所謂的堅固工藝，即產品對各種影響它表現的外界因素的靈敏度很低。也就是說，這些外界因素不論如何變化，產品的整體效果還是穩定不變或只限于合格范圍內的變動。而堅固工藝是必須通過設計、工藝能力、和設備性能之間較好的配合才能實現的。

當前新一代的產品設計工程師，其職責已不僅是將產品的功能和性能設計出來，而是應當在客戶所需求的品質高、價格低、供貨周期短這三方面具備一定影響，甚至對上述三方面負責并具備控制能力的。而DFM的理念就具有提高產品品質、降低生產成本、縮短開發和生產周期等優點，也是產品取得成功的必要途徑。

在企業計劃引進一條新的生產線時，設計師必須確保這條新的生產線能夠處理企業所要制造的產品范圍；而當設計師為既有的生產線設計新的產品時，則應當盡力使產品設計能夠盡可能完美的適用于此生產線上進行制造，這便是可制造性設計的基本理念。

[責任編輯：朱麗娜]