DFM審查技術(shù)在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用

毛飄 雷欣 郭孟飛 袁昕

【摘 要】隨著當(dāng)今社會對航空類電子產(chǎn)品的需求不斷增長，PCB設(shè)計也呈現(xiàn)出高密度、高復(fù)雜度的發(fā)展趨勢，與此同時，航空類電子產(chǎn)品生產(chǎn)工藝勢必面臨更大的挑戰(zhàn)。在生產(chǎn)前端通過DFM審查可以及時排查設(shè)計中的工藝不符合項并進行更改，可以大大縮短生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品交付率，保證產(chǎn)品質(zhì)量。文章主要論述了DFM審查在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用，根據(jù)實際案例分析DFM審查對提高產(chǎn)品質(zhì)量所起到的作用。

【關(guān)鍵詞】DFM;電子裝聯(lián);PCB;質(zhì)量控制

【中圖分類號】TP311.1 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2021）04-0079-03

1 概述

設(shè)計和制造是產(chǎn)品生命周期中最重要的兩個環(huán)節(jié)，隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，PCB設(shè)計已經(jīng)開始大量選用高集成器件，同時PCB元件密度也逐步增加，傳統(tǒng)上設(shè)計和工藝是兩個獨立的環(huán)節(jié)，前期只關(guān)注設(shè)計速度及產(chǎn)品功能的實現(xiàn)，隨著產(chǎn)品復(fù)雜程度逐漸增加，設(shè)計的可制造性問題也變得更加復(fù)雜。由于前期設(shè)計環(huán)節(jié)未考慮制造要求，因此在后期電裝過程中會出現(xiàn)無MARK點、器件干涉、器件與焊盤不匹配、裝配困難、BGA維修空間不足等問題，追求設(shè)計速度反而導(dǎo)致產(chǎn)品的交付日期延長、成本增加、產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題及返修工作量增加等一系列問題，無法滿足航空類產(chǎn)品高可靠性和高穩(wěn)定性的要求。

2 DFM技術(shù)簡介

面向制造的設(shè)計（Design for Manufacturability，DFM），即在產(chǎn)品設(shè)計時就考慮制造的可能性、高效性和經(jīng)濟性，它為設(shè)計與工藝建立了溝通渠道，在設(shè)計與工藝的協(xié)同的情況下，可以更早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的可制造性問題，能夠顯著地降低成本，縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高產(chǎn)品競爭力。1949年，Henry Ford發(fā)現(xiàn)在設(shè)計時未考慮可制造性和可裝配性，導(dǎo)致產(chǎn)品制造成本很高。應(yīng)用DFM技術(shù)后，大大降低了產(chǎn)品的成本，縮短了設(shè)計制造同期。20世紀(jì)90年代形成“DFM技術(shù)”的概念，DFM技術(shù)主要經(jīng)歷了經(jīng)驗方法、定量評估方法、基于特征的DFM方法、人工智能DFM方法4個階段 [1]。

3 DFM軟件在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用

隨著電子行業(yè)的高速發(fā)展，PCB產(chǎn)品的生命周期越來越短，隨之而來的一些公司研發(fā)出了專門應(yīng)用于DFM審查的軟件。DFM審查軟件的出現(xiàn)提高了設(shè)計與工藝的溝通效率，同時使DFM審查的結(jié)果更加具象化，通過DFM軟件生成審查報告，更能全面清晰地對PCB設(shè)計進行分析及考量。本文的案例分析均使用望友公司研發(fā)的DFM審查軟件，該軟件包含PCB設(shè)計、CAD與Gerber數(shù)據(jù)輸入、BOM數(shù)據(jù)解析輸入管理、元器件3D實體模型庫管理、實用設(shè)計與制造工藝數(shù)字化規(guī)則靈活管理、PCB裸板設(shè)計缺陷分析、組裝制造與工藝數(shù)字仿真分析、測試裝配虛擬分析、評分、仿真結(jié)果輸出等系統(tǒng)模塊;通過運用3D數(shù)字建模技術(shù)，打造百萬容量的三維器件模型數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合1 500多條行業(yè)和國際國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，設(shè)計人員在制造前進行3D仿真分析評審，提前發(fā)現(xiàn)元器件組裝及焊接過程可能帶來的設(shè)計缺陷及工藝隱患問題，以便及早平衡產(chǎn)品功能與制造要求，形成最優(yōu)化的基板設(shè)計及最佳制造工藝路線籌劃。

DFM分析軟件主要包含裸板分析、裝配分析，本文僅對裝配分析的應(yīng)用進行闡述。DFM審查的前期準(zhǔn)備主要包含元件庫的建立、DFM審查規(guī)則的建立、BOM清單的獲取及ODB++文件的獲取。

3.1 元件庫的建立

元件庫為三維模型，通過查看元器件手冊，獲取元件的外形尺寸、規(guī)格型號、封裝類型及制造商等信息，利用DFM軟件建庫工具輸入元件信息，即可生成具帶有以上信息的三維元器件模型，圖1所示為一個QFN封裝器件的三維元件模型，元件庫的建立需要盡可能的精確，主要包含器件本體的尺寸（長、寬、高），以及器件引腳的尺寸和跨距，同時在元器件建庫的時候就應(yīng)該考慮器件尺寸誤差的問題，例如軸向通孔器件，查看器件手冊會發(fā)現(xiàn)器件本體直徑可能有最大值、最小值及均值，需要使用哪一個值進行建模是需要認(rèn)真考慮的問題，同樣對于通孔器件引腳的建模也存在這樣的問題。DFM審查中根據(jù)BOM清單匹配到元件庫中對應(yīng)的元件，即可直觀地查看元器件與設(shè)計焊盤的匹配情況。元件庫的建立是一個的累積的過程，在后續(xù)DFM審查應(yīng)用中需要不斷地對元件信息進行完善與更正，保證DFM審查的效率與準(zhǔn)確性。QFN封裝器件的三維模型如圖1所示。

3.2 DFM審查規(guī)則的建立

在建立元件庫之后，需要將PCB文件中的ODB++文件導(dǎo)入DFM審查軟件，同時導(dǎo)入符合軟件BOM清單格式的BOM表格，獲取元件之后就可以將元件模擬安裝在PCB上，后續(xù)通過調(diào)用規(guī)則庫，對該PCB設(shè)計進行分析，不符合DFM審查規(guī)則的將作為問題輸出形成報告。DFM審查規(guī)則對于審查的準(zhǔn)確性及可靠性至關(guān)重要，需要根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品特點及工藝技術(shù)現(xiàn)狀，建立合適的DFM審查規(guī)則庫，表1為電子裝聯(lián)中部分DFM審查內(nèi)容。

3.3 BOM清單的獲取

在DFM審查前期需要將設(shè)計的BOM清單整理成DFM軟件認(rèn)可的形式，主要的清單內(nèi)容有元器件位號、型號、數(shù)量等，也可以通過軟件設(shè)置適用于企業(yè)的BOM清單格式。讀入BOM清單的過程中，DFM軟件可以通過對比BOM清單及PCB文件，快速獲取位號、數(shù)量不一致的元器件，主要包括有焊盤無器件、有器件無焊盤兩種類型，有焊盤無器件位號為不裝焊器件位號，有器件無焊盤主要包括設(shè)計遺漏或者該器件無須設(shè)計與引腳相對應(yīng)的焊盤（如通過導(dǎo)線連接至印制板的器件），該類型問題需和設(shè)計進行確認(rèn)，若無焊盤的器件通過導(dǎo)線與印制板進行連接，則該項問題報告可忽略，否則需要輸出問題報告。

3.4 ODB++文件的獲取

ODB++文件是由VALOR提出的一種雙向傳輸文件，文件包含所有PCB設(shè)計、制造和裝配方面的要求，是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式 [2]，它通過EDA設(shè)計工具中嵌入的ODB++數(shù)據(jù)生成器產(chǎn)生。在使用DFM軟件審查時，需先導(dǎo)入PCB相對應(yīng)的ODB++文件。

4 DFM審查工藝不符合項案例分析

DFM審查的目的是在產(chǎn)品投產(chǎn)前及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計的可制造性問題，加快產(chǎn)品生產(chǎn)周期及提高產(chǎn)品的生產(chǎn)質(zhì)量，以下為使用望友公司研發(fā)的DFM審查軟件在進行PCB的DFM審查時發(fā)現(xiàn)的部分工藝不符合項案例分析。

4.1 無MARK點

隨著電子行業(yè)的發(fā)展，SMT器件逐漸成為PCB設(shè)計中的主要封裝器件，因此雙面回流焊接路線的PCB設(shè)計越來越多，對于這類PCB，SMT器件的焊接需要使用錫膏印刷機及貼片機，而目前市場上的錫膏印刷機及貼片機大多使用光學(xué)定位，定位點的存在可以使PCB能夠準(zhǔn)確地定位，從而保證每個貼片機能夠準(zhǔn)確地定位元器件，減少貼裝后器件偏盤的問題，PCB設(shè)計需要至少提供1對不對稱的MARK點供設(shè)備進行光學(xué)定位，同時MARK點的布置應(yīng)該考慮在PCB上機器之后不會被遮擋，例如貼片機夾持寬度為4 mm，而MARK點的布置在夾持邊之外，這個MARK點在實際貼裝中便無法用于光學(xué)定位，為無效的MARK點，沒有MARK點的PCB在電裝過程中，會增加定位工作量，降低印刷機與貼片機的工作效率，同時印刷精度與貼片精度也會受到影響。針對一些對貼裝精度要求更高的器件，例如BGA、LGA、DFP等重要器件，一般需要提供局部的MARK點。MARK的直徑范圍一般在0.1～0.3 mm，MARK點的周圍必須有無其他電路特征的空余范圍，范圍區(qū)間至少為該MARK半徑的2倍以上，這樣可以保證PCB上布置的MARK點能夠被設(shè)備識別。

4.2 BGA維修空間不足

目前，PCB設(shè)計呈高密集趨勢發(fā)展，元器件布局更加緊湊，在DFM審查中會發(fā)現(xiàn)BGA器件與外圍元器件距離不滿足生產(chǎn)要求（如圖2所示），生產(chǎn)要求BGA本體邊緣與外圍元器件至少保留2 mm的維修空間（維修空間根據(jù)企業(yè)產(chǎn)品特點及工藝現(xiàn)狀進行設(shè)置），而實際D8位號與C776位號器件外邊緣僅有1.6 mm，這種情況會給后續(xù)的返修工作增加難度及增加工作量，維修的時候需要使用小鋼網(wǎng)印刷錫膏，若維修空間過小，會導(dǎo)致小鋼網(wǎng)無法放置，此時就需要先去除BGA周邊的器件，等BGA維修好之后再對周邊器件進行補焊。如果兩個BGA之間空間不足，BGA返修過程的加熱、降溫等操作會對周邊BGA焊點造成不同程度的影響，有可能在維修的過程中周邊的BGA形成缺陷焊點，導(dǎo)致重復(fù)交替的BGA進行返修。

4.3 SOP器件引腳后端到焊盤距離不足

對于SOP封裝器件，IPC-7351標(biāo)準(zhǔn)中要求SOP器件的引腳后端到焊盤的距離應(yīng)該保持在0.25～0.45 mm [3]，而圖3中N6位號器件引腳后端到焊盤的距離為0 mm，導(dǎo)致在焊接時焊料沒有爬錫空間，不能滿足扁平鷗翼形引線根部最小填充的要求 [4]，形成缺陷焊點。

4.4 SMD器件引腳與焊盤跨距不一致

如圖4所示，SMD器件引腳內(nèi)跨距為1 mm，而焊盤設(shè)計內(nèi)跨距為1.5 mm，PCB設(shè)計的焊盤間距過大，元器件可焊端與焊盤不能完全匹配，焊接過程中會產(chǎn)生立碑、移位、虛焊等缺陷，降低產(chǎn)品一次性焊接合格率，增加回流焊后的維修工作。

5 結(jié)語

本文主要論述了DFM審查在電子裝聯(lián)中的應(yīng)用，以及根據(jù)實際案例分析DFM審查對于提高產(chǎn)品質(zhì)量的作用。目前，隨著航空類電子產(chǎn)品需求量的增加，研發(fā)設(shè)計到生產(chǎn)交付的流程也逐步加快，產(chǎn)品周期變短，若前期只關(guān)注研發(fā)設(shè)計速度，而未對設(shè)計的可制造性進行把關(guān)，勢必大量的設(shè)計問題會在產(chǎn)品初樣生產(chǎn)過程中暴露，此時再對設(shè)計資料進行修改會延長產(chǎn)品交付周期、增加生產(chǎn)成本，因此在產(chǎn)品投產(chǎn)之前進行DFM審查是很有必要的。DFM審查建立了設(shè)計與工藝的溝通渠道，在產(chǎn)品投產(chǎn)之前發(fā)現(xiàn)設(shè)計的可制造性問題，能夠縮短設(shè)計更改流程，同時提高電子產(chǎn)品的交付率及產(chǎn)品質(zhì)量。

參 考 文 獻

[1]宋玉銀，蔡復(fù)之.DFM技術(shù)綜述[J].智能制造，1996（3）：6-8.

[2]陳正浩.電子裝聯(lián)可制造性設(shè)計[J].電子工藝技術(shù)，2006，

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[3]IPC-7351，Generic Requirements forSurface Mount Design and Land Pattern Standard[S].

[4]IPC-610，電子組件可接受性[S].

[5]江平.DFM軟件的應(yīng)用性研究[J].電子工藝技術(shù)，2008，

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[6]李曉麟.印制板電路組件裝焊工藝與技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.