可靠性教材2电子产品的可靠性工艺设计

可靠性教材2：电子产品的可靠性工艺设计目录•电子产品的工艺设计概述•电子产品的工艺过程•PCB布局、布线设计•影响SMT焊接质量的主要问题点•电子工艺技术平台建立第一章电子产品工艺设计概述1.1可制造性设计（DFM）概念·可靠性高的产品设计·可靠性高的元器件与零配件·优良的工艺设计与工艺技术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，并把制造系统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。FDM设计的重要性05101520253035OK的DFMNG的DFM装配费用测试费用维修费用优良的DFM缺陷性DFM•设计缺陷流到后工序，其解决费用会成百倍的增加，再好的工艺流程和设备也弥补不了设计缺陷，众所周知，设计阶段决定了一个产品80%的制造成本，同样，许多质量特性也是在设计时就固定下来，因此在设计过程中考虑制造因素是很重要的。•DFM主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中，以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化，使之更规范，以便降低成本，缩短生产时间，提高产品可制造性和工作效率。它的核心是在不影响产品功能的前提下，从产品的初步规划到产品的投入生产的整个设计过程进行参与，使之标准化、简单化，让设计利于生产及使用。减少整个产品的制造成本（特别是元器件和加工工艺方面）。减化工艺流程，选择高通过率的工艺，标准元器件，选择减少模具及工具的复杂性及其成本。DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。品质与可制造性来自设计良好的品质管理理念、全面的品质管理知识、有效的品质管理系统和制度优良的成品品质良好的原理结构设计—与工艺能力良好的配合优良的元器件品质优良的工艺管制—重复性、稳定性电子产品质量与可靠性工程来自于•通过优良的物料选型与高质量与可靠性的物料采购来保证构成产品的物料的基本质量与可靠性产品一旦选用了某物料，其质量、成本、可采购性基本上都已确定，后期物料选型影响重大。确定物料的规格，识别不同厂家的物料优劣，认证物料厂家，监控物料厂家的质量波动•通过正确合理的设计方法保证物料应用可靠性与产品综合性能可靠性合理优良的产品原理、结构、各种性能指标设计及可制造性设计可靠性设计指标：①用有效的散热方法使稳升降到最低。②尽可能少使用高敏感性元件。③使用可靠度高或有质量保证的元件。④指定采用屏蔽性好或内嵌的测试方法。⑤用最少的元件设计出最简单的电路。⑥在元件级采用余技术。•优良合理的工艺设计，批量性，重复性，稳定性，可操作性设计电子产品发展趋势•功能—越来越小元件与尺寸越来越小！•价格—越来越低组装密度越来越高！•外形—越来越小制造对设计的依赖越来越强！技术整合的必要性产品的品质问题是多方面因素复合作用的结果立碑的成因：·韩盘设计-----焊盘长和宽·SMD尺寸-----SMD尺寸·散热面积-----PCB散热不均匀·锡膏的使用-----锡膏印刷不良·锡膏的品质-----锡膏的品质·可焊性-----焊接面氧化·贴片精度-----贴片偏位·回流焊的温度设置-----回流曲线所谓技术整合，即综合运用相关知识，通过选择、提炼产品设计与制造技术，进而将这些设计与技术整合成为合理的产品制造方案与有效的制造流程的系统化过程与方法。技术整合是过程、是方法。技术整合使技术创新，走向大规模制造。产品设计要素•DFV—价格设计(designforValue)•DFR—可靠性设计(DesignforReliability)•DFM—可制造性设计(DesignforManufacturability)•DFA—可装配性设计(DesignforAssembly)•DFT—可测试性设计(DesignforTestability)•DFS—可维护性设计(DesignforServicability)不同的产品有不同的考虑重点优良制造性的标准产品的可制造性·高的生产效率·产品的高稳定性·生产线可接受的缺陷率产品的高可靠性·适应不同环境的变化·产品维持一定的使用周期THT与SMT工艺THT技术SMT技术·需在PCB上打孔·采用回流焊接工艺·通过波峰焊接工艺·元件直接焊接在PCB表面·不须在PCB上打孔第2章电子产品工艺过程SMT的工艺生产线锡膏印刷工艺常用SMT组装工艺中的第一个，也是最难控制的一个工艺程序常用的组装方式双面SMT+THTPCB板生产来料检验自动上板锡膏印刷高速贴片回流焊接炉后目检自动翻版锡膏印刷AOI检测高速贴片泛用贴片炉前目检回流焊接AOI检测自动或手动插件插件检测装夹具波峰焊接取夹具焊接检验手动焊接ICT测试功能测试锡膏涂布方法印刷工艺注射工艺印刷工艺是主流，点胶不适合批量生产锡膏印刷工艺锡膏刮刀钢网SMT点胶工艺点胶工艺的用途·波峰焊的SMD器件·双面回流焊的大重量点胶工艺对PCB的要求·若PCB设计时不在点胶位置设置假焊盘或走线，对standoff较大的元件，可能造成掉件SMT贴片工艺基板送入基板定位坏板维修拾取元件元件供料元件定位贴片机基本结构：贴片·基板处理系统、传送基板、基板定位·贴片头、真空拾/放元件送板·供料系统·元件对中系统SMT回流焊接工艺回流焊接技术要点：·找出最佳的温度曲线—一个好的回流曲线应该是对所要焊接的PCB板上的各种表面贴装元件都能够达到良好的焊接，且焊点不仅具有良好的外观品质而且有良好的内在品质的温度曲线。·温度曲线处于良好的受控状态回流焊接温度曲线分为：预热区、恒温区、升温区、焊接区、冷却区预热区：时间100～240S，温度145度恒温区：时间60～120S，温度175度焊接区：时间60～90S，温度235～245度最大升温斜率小于2.5度/秒最大降温斜率小于2.5度/秒波峰焊接工艺波峰焊接工艺流程：进板助焊剂预热焊接冷却/出板波峰焊接的问题：·元件需能承受瞬时热冲击（最高温超过240度）·组装密度较低，细间距易出现连锡·SMD器件易出现阴影效应·QFP、BGA等器件不适合于波峰焊接防止阴影效应的措施：合适的焊盘尺寸；比回流焊盘长合适的元件间距；大于器件高度第三章PCB布局、布线设计·基板设计基准点、定位孔、标记·元件布局元件大小、方向、间距、参数特性·通孔·可测试性·可生产性基板设计从设备对基板的处理开始考虑·自动传送带所需的留空宽度（＞5mm）·基板在设备中的定位方式·定位孔的位置、形状和尺寸目的：保证设计出的产品在自动处理过程中不会有对质量和效率不利的现象PCB板的可靠性设计铜箔厚度·0.0007英寸/0.01778mm·0.0014英寸/0.03556mm·0.0028英寸/0.07112mm铜镀铜镀主要用于成品印制板的最外层，主要目的是对印钻孔孔壁电镀，电镀的平均厚度是0.0014英寸（0.0356mm范围从0.0012～0.0014英寸（0.0304～0.0356mm）导线导线需要规定的属性是宽度和厚度，导线载流量是·宽度为0.010英寸（0.0254mm）（厚度为1.5盎司）的外部导线可承载1A·宽度为0.040英寸（厚度为0.5盎司）的内部导线可承载1A元件选择的考虑因素•1、元件的电气性能。•2、使用条件下的可靠性。•3、适合于所采用的组装工艺。•4、标准件（低成本、普遍供应）。•5、有利于高的生产效率大规模的生产。•6、考虑各标准间的差异、不同的公司、不同的型号、不同尺寸封装之间的差异。•7、尽量选用SMD元件，提高制造效率。•8、尽量选用标准件、种类尽可能的少，提高制造效率。•9、避免同时选用很大和很小的SMD器件（如6032与0402）—降低制造成本。•10、包装优选带式。•11、线绕电感等SMD器件，standoff较大时需做假焊盘。•12、元件封装需能承受相应焊接工艺的高温。•13、考虑到工艺能力不足时应谨慎使用小于0.4mm的SOP/QFP。•14、SOJ/PLCC不便于检测和返修，慎用。•15、0.5mm以下BGA国内PCB厂加工能力不足，慎用。•16、优先选择0.4mm以上的SOP/QFP或者0.8mm以上的BGAPCB-layout的规范•元件布局需要考虑的因数：元件的物理特性元件的空间分配直接影响产品的质量与可靠性元件的电气特性元件的装配需求生产工艺的需求直接影响产品的生产效率测试需求维修需求PCB-layout的规范·封装：1.使用统一的标准库。2.新封装需按规格书新建，审核后入库。3.有问题的封装，考虑贴片厂建议，修改审核后更新封装库。·元件摆放：1.优先在同一面放贴片插件。其次双面贴，单面插件。严禁双面贴片，双面插件。2.插件之间保持一定的间距方便手工操作。3.晶振与贴片元件间距1mm以上。4.贴片件离板边至少2mm的间距，防止撞件。5.共模电感等易坏元件与周边元件间距3mm以上，方便烙铁维修6.背面焊盘面积加大20%。背面元件之间间距1mm以上。背面贴片与插件脚间距5mm.7.尽量做到同类封装元件方位一样.8.相同功能的线路集中在一起并丝引方框。9.所有元件编号的丝引方向相同PCB-layout的规范·元件摆放方向：1.IC类等元件摆放方向应与波峰焊接时板传送方向一致2.焊接PCB板时产生的曲翘，对不同布局方向的元件会产生不同的应力·丝印：1.IC有明显1PIN标识，保证元件焊上后不被覆盖。2.插座的管脚间距≤2.0mm，加白油隔开。3.加32.5*8.5mm流水号丝印框。·其他1.小板须拼板。2.BGA及四面有管脚的IC在对角加光学定位点。PCB-layout的规范•元件布局—拼板1.提高生产制造效率2.提高设备对小基板的处理能力3.提高设备对异型板的处理能力•通孔通孔通孔失效是影响产品寿命的主要因素之一，常见的有通孔镀层拐角处断裂和基板制造时孔镀工艺控制不良，造成孔壁与内层断裂良好的设计可解决大部分通孔失效•通孔贯穿过孔最常用孔径大于10mil埋孔/盲孔会大量采用国内PCB厂较成熟的工艺：H/D＜8Diameter＞0.25mmPCB-layout的规范片式元件的焊盘设计1.焊盘长度为B=b1+T+b2;式中b1的取值范围为0.05～0.3mm，b2的取值范围为0.25～1.3mm2.焊盘间距G应适当小于元件两端焊头之间的距离，焊盘外侧距离D=L+2b2.其中L是元件的长度，b1是内侧焊点，b2是外侧焊点。注意：对于0603的片式元件为了防止焊接过程产生“立碑”等焊接缺陷，使用矩形焊盘（又称为H形焊盘），在SMT中柱状无源元器件的焊盘图形设计与焊接工艺密切相关，当采用贴片—波峰焊时，其焊盘图形可参照片状元件的焊盘设计原则来设计；当采用再流焊时，为了防止柱状元器件的滚动，焊盘上必须开一个缺口，以利于元器件的定位。计算公式：焊盘间距A=L最大-2T最大-0.254焊盘长度B=d最大+T最小+0.254焊盘宽度C=d最大-0.254焊盘长度轴中心孔长D=B-（2B+A-L最大）/2焊盘长度轴中心孔宽E=0.2mm其中L是元件长度，d是元件直径，T是元件两端电极的长度。PCB-layout的规范·小外形封装晶体管（SOT）焊盘的设计的：焊盘间的中心距与器件引线间的中心距相等；焊盘的图形与器件引线的焊接面相似，但在长度方向上应扩展0.3mm，在宽度方向上应减少0.2mm；若是用于波峰焊，则长度方向及宽度方向均应扩展0.3mm·PLCC和LCCC焊盘的设计通常PLCC引脚在焊接后也有两个焊接点，外侧焊点（主焊点）与内侧焊点（次焊点），PLCC器件的引脚间距通常为1.27mm(50mil),故焊盘的宽度为0.63mm(25mil),长度为2.03mm(80mil),PLCC引脚在焊盘上的位置有引脚居中型，这种设计的焊盘的宽度为0.63mm(25mil),长度为2.03mm(80mil),只要计算出器件引脚落地中央尺寸就可以方便地设计出焊盘内外侧的尺寸。引脚不居中型，PLCC引脚与焊盘的相切点在焊盘的内1/3处，焊盘的宽度仍为0.63mm(25mil)PCB-layout的规范·QFP焊盘的设计QFP焊盘长度和引脚长度的最佳比为L2：L1=（2.5～3）：1，或者L2=F+L1+A（F为