电子产品可制造性设计规范

电子产品可制造性设计规范内容摘要：

(静和动态 )、供料器种类、数目和性能、以及各元件对速度效率的影响等。 对于各设备的性能和技术限制，我们也应该有足够的了解和记录。 比如厂内所采用的回流炉子是属于什么加热原理的，如果是热风原理，那它对排风变化的影响或灵敏度又如何；如果是红外线对元件的外形和颜色有什么影响；炉子的轨 道是否会因为吸热而对板的两边造成冷区效应，程度又如何等等这类的性能问题，都应该给予详细的考察和记录在设计规范内。 除了设备的能力，整体的工艺能力也必须是规划的内容。 厂内应该有最少一份的工艺规范，内容详细的类出厂内工艺的能力和极限。 比如在锡膏工艺上能采用什么工艺 (丝印、点锡 )、达到什么程度 ( 间距、 开孔、Aspect Ratio 1:、双面印刷能力等等 )。 注意一切重要的条件 (如锡膏种类、基板厚度和表面处理要求 )也都必须清楚的列出。 订立设备和工艺规范的方法，可以配合供应商资料 、生产线的实际经验 (但必须是科学性的 )和厂内设立的试验结果，使经过难验证的数据经验被纳入设计数据库使用。 一切验证和分析、决策的过程都应该有份记录档案，方便日后改进工作。 要正确和有效的进行以上工作，您厂内必须具备良好的设备工程学和SMT 工艺知识。 在这些能力未足够建立起来之前，推行的工作有可能是白费和误导的。 工厂管理应该注意这一点而不可冲动行事。 以免招到投入后没有效果的失败。 基板和元件的选择 选择适当的材料是设计工作内的注意部分。 材料的选择必须考虑到他的寿命和 可制造性。 许多设计人员只注重在元件的电气性能、供应和成本的做法是不全面的。 在电子工业中，大部分所用的材料都对温度有一定的反应和敏感性。 而在电子板的组装过程中又必须经过一定程度，而有时又不只一次的高温处理。 所选用的元件和基板等是否会变质呢。 元件原有的寿命是否会缩短了呢。 这些也都是需要加以考虑的。 在产品的服务期内，产品本身也会经历一些热变化，如环境的温度变化，产品本身电源的接通和切断产生的热功率等等。 这些热起的体形变化对 SMD 焊点起着不利的影响，是 SMT 产品中的一个主要寿命问题根源。 所以在设计时对这方面的考虑也 是重要的工作。 基板的选择和考虑 基板的作用，除了提供组装所需的架构外，也提供电源和电信号所需的引线和散热的功能。 所以对于一个好的基板，我们要求它有以下的功能： 1. 足够的机械强度 (附扭曲、振动和撞击等 )。 2. 能够承受组装工艺中的热处理和冲击。 3. 足够的平整度以适合自动化的组装工艺。 4. 能承受多次的返修 (焊接 )工作。 5. 适合 PCB 的制造工艺。 6. 良好的电气性能 (如阻抗、介质常数等 )。 在基板材料的选择工作上，设计部门可以将所有产品性能参数(如耐湿性、布线密度、信号频率或速度等 )和材料性能参数 (如表面电阻、热导、温度膨胀系数等 )的关系列下。 做为设计选择时的考虑用。 目前较常用的基板材料有 XXXPC、 FR FR FR FR G和 G11数种。 XXXPC是低成本的酚醛树脂，其它的为环氧树脂。 FR2的特性和 XXXPC接近，但付阻燃性。 FR3 是在 FR2 的基础上提高了其机械性能。 G10 较 FR3 的各方面特性都较强，尤其是防潮、机械性能和电介质方面。 G11 和 G10接近，不过有 较好的温度稳定性。 FR4 最为常用，性能也接近于 G10，可以说是在 G10 的基础上加了阻燃性。 FR5 则是在 G11 的基础上加了阻燃性。 目前在成本和性能质量方面的考虑上， FR4 可说是最适合一般电子产品的批量生产应用。 对于有大和微间距的元件，而由采用双面回流工艺的用户，可以选择 FR5以求较可控的工艺和质量。 为了解决基板和元件之间温度膨胀系数匹配的问题，目前有采用一种金属层夹板技术的。 在基板的内层夹有是铜和另一种 (常用的为殷钢，也有的用 42 号合金或钼 )，这中间层可用做电源和接地板。 通过这种技术，基板的机械性能、热导性能和温度稳定性都可以得到改善。 最有用的是，通过对铜和殷钢金属比例的控制，基板的温度膨胀系数可以得到控制，使其和采用的元件有较好的匹配，而增加了产品的寿命。 在整个 SMT 技术应用中，基板技术可以算是较落后的。 从目前的用户要求和基板发展商方面了解到，今后基板技术的发展，应该是朝以下的方向前进。 1. 注更细的引线和间距工艺 (层加技术已开始成熟 )。 2. 更大和更厚 (用于更多层基板 )。 3. 减少温度膨胀系数 (新的材料或夹板技术 )。 4. 更好的 热传导性能 (目前也有在研究通过辐射散热的 )。 5. 更好的尺寸和温度稳定性。 6. 可控基板阻抗。 7. 氧化保护工艺的改革 (锡膏成份有可能改变 )。 这些展望意味着基板技术有可能在将来有个大的改革。 设计师应对这方面的动向保持留意。 做好需求改变的准备。 在基板技术的可制造性考虑上，绿油 (防焊层 )的应用是其中的一个重点。 一般 SMT 用户很少去了解基板制造商对渌油的选择和应用。 也缺乏这方面折知识。 所使用渌油的化学特性，必须能符合基板的组装工艺 (返修、点胶固化、 油印等 )，也必须能融合或接受组装工艺上所采用的一切化学材料，如助焊剂和清洁剂等。 这方面的资料应向基板供应商要求。 注意有些化学反应的资料未必有。 但至少用户可以知道那方面是可能存在问题的。 在需要时可以要求基板或绿油供应商协助试验分析。 基板业中常用的绿油工艺有四种，分别为液态丝印工艺、液态光绘工艺、干膜工艺和干湿混合工艺。 液态丝印工艺成本最低，但质量 (精度和分析度 )较差，用于面积较小和密度较低的产品基板。 干膜工艺精度和分析度很好，但成本高和涂布后的厚度较高，不利于某些工艺。 干湿混合工艺的强点是对接通孔的充填能力强，但固化工艺必须做得完整，否则在 SMT 组装中会有泄气的不良问题。 液态光绘工艺的发展潜能很高，他有很好的精度和分析度，成本低于干膜工艺，而且能控制较薄的厚度，对锡膏丝印工艺有利。 不足的是此工艺对接通孔的充填能力较弱。 在 SMT 组装工艺上常见的绿油相关问题不少，如绿油太厚造成锡膏丝印工艺的难控，绿油在基板制造时固化不良而泄气 (形成焊点气孔 )或裂开(腐蚀开始和应力集中 )，材料吸湿而造成绿油层在回流时的脱离，基板绿油工艺不良而造成绿油和焊盘界面的断裂，以及某些干膜材料容易引起焊球问题等等都是较常见的。 元件的选择和考虑 对元件的选择，一般必须做到的考虑点最少有以下几方面 1. 电气性能。 2. 占地效率 (三维 )。 3. 成本和供应。 4. 元件可靠性和使用环境条件。 5. 和设计规范的吻合。 6. 适合厂内的工艺和设备规范。 7. 可组装性、可测试性 (包括目视检查 )。 (如元件完整详细外形尺寸、引脚材料、工艺温度限制等 )。 在可制造性考虑上，元件的选择始于对封装的了解。 元件的封装种类繁多，也各有各的长处。 做为设计人员，对这些封装技术应该有一定的认识。 才有能力在可选择的范围内做出最优化 (即适合高质量高效率的生产 )最适当的选择。 要很好的做出选择，设计人员应该要有最基础知识的认识。 比如去了解元件封装的目的。 如果了解封装的目的之一是提供散热，那在设计上自然而然的考虑到不同封装的散热性能。 了解到散热和 IC 的引脚材料有关后，便自然而然 地考虑到是否需要采用铜而放弃 42号合金的引脚之类的问题。 对于元件封装和组装工艺相关的问题，已不在只是工艺或生产工程师的事了。 设计人员也应该有所了解。 比如在 ‘ 爆米花效应 ’(Pop effect,因元件吸湿而在回流过程中爆裂的现象 )的考虑上，在可选的情况下会优选 PLCC44 而不用 QFP44。 又如对 SOIC 的底部浮起高度的考虑，市面上有不太统一的规范，设计人员应该了解到不同高度指标对厂内现有的工艺和设备将会造成什么问题。 如当产品设计较大，厂内工艺采用精洗工艺时，元件选择上就应该规定较高 standoff 的元件。 另一个例子，如果厂内采用的贴片机注意的。 元件的选择考虑也应包括元件的包装。 不同的包装有不同的生产效率和成本。 应按厂内设备和管理的情况加以考虑选择。 热处理设计 热处理在 SMT 的应用上是很重要的学问。 原因之一是 SMT 技术在组装密度上不断增加，而在元件体形上不断缩小，造成单位体积内的热量不断提高。 另一原因是 SMT 的元件和组装结构，对因尺寸变化引起的应力的消除或分散能力不佳，造成对热变化引起的问题特别严重。 常见的故障是经过一定时间的热循环后 (环境温度和内部电功率温 度 )，焊点发生断裂的现象。 在设计是考虑热处理问题有两方面，一是半导体本身界面的温度，另一是焊点界面的温度。 在分析热性能的时候，有两大注意方面。 一是温度的变化幅度和速率，另一是处在高低温度下的时间。 前者关系到和温差有关的故障，如热应力断裂等。 后者关系到和时间长短有关的故障，如蠕变之类。 所以他们的影响是不同的，故障分析时都应个别测试和考虑。 因为受热而为害产品的其中一种方式是热冲击。 产品在其寿命期间，尤其是在组装过程受到的热冲击 (来自焊接和老化 )，如果处理不当，将会大大的影响其 质量和寿命。 这种热冲击，由于来得较快，即使材料在温度系数上完全配合也会因温差而造成问题。 除了制造上的热冲击，产品在服务期间也会经历程度不一的热冲击，比如汽车电子在冷天气下启动而升温等等。 所以一件产品在其寿命期间，将会面对制造、使用环境 (包括库存和运输 )和本身的电功率耗损三方面的热磨损。 为确保寿命而努力的热处理工作，对于半导体或元件供应商、设计和组装工厂、元件产品的用户各方面都有本身的责任。 元件商的责任在于确保良好的封装设计、使用优良的封装材料和工艺、并提供完整有用的设计数据给他的用户 (即 产品设计和组装工厂 )。 产品设计和组装工厂的责任则在于设计时的热处理考虑，正确和足够散热的采用，以及正确的组装工艺应用和管制。 至于产品用户，则应根据供应商建议的使用方法、环境和保养来使用这产品。 要确保产品有较长的寿命，有效的散热处理和热平衡设计就成了重要的工作。 散热的方式，一般还是通过热传播的三个基本原理，即热的传导、对流和辐射来达到的。 在散热考虑上有几个难处。 从避免有噪音 (机械和电气噪音 )和成本的。