對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師尤其是
線路板設(shè)計(jì)人員來說，產(chǎn)品的可制造性(制程性)是一個(gè)必須要考慮的因素，如果線路板設(shè)計(jì)不符合可制造性(制程性)要求，將大大降低產(chǎn)品的生產(chǎn)效率，嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?dǎo)致所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品根本無法制造出來。
如今的用戶要求產(chǎn)品價(jià)格更低、品質(zhì)更高同時(shí)交貨期更短，有一種工具可同時(shí)滿足這三個(gè)目標(biāo)，這就是可制造性設(shè)計(jì)，也稱為DFM。和在其它行業(yè)中一樣，DFM在印刷電路板裝配PCBA中也是同樣適用并且非常重要的。
圖1：具有較高引腳數(shù)的元件應(yīng)使用橢圓形焊盤以防止波峰焊時(shí)出現(xiàn)錫橋。
什么是DFM？在《加工與制造工程師手冊(cè)》(Tool and Manufacturing Engineers Handbook)一書中作者William H. Cubberly和Raman Bakerjian對(duì)此作了如下解釋：“DFM主要研究產(chǎn)品本身的物理設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)各部份之間的相互關(guān)系，并把它用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中以便將整個(gè)制造系統(tǒng)融合在一起進(jìn)行總體最佳化。DFM可以降低產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，使之能更順利地投入生產(chǎn)。”
眾所周知，設(shè)計(jì)階段決定了一個(gè)產(chǎn)品80％的制造成本，同樣，許多品質(zhì)特性也是在設(shè)計(jì)時(shí)就固定下來，因此在設(shè)計(jì)過程中考慮制造因素是很重要的，而且這些都應(yīng)該讓設(shè)計(jì)人員知道。若想提高效率，各公司應(yīng)有自己的一套DFM，并對(duì)其進(jìn)行分類和維護(hù)，DFM文件應(yīng)該是隨環(huán)境條件變化而改變的動(dòng)態(tài)性文件，它由一個(gè)核心委員會(huì)進(jìn)行管理，委員會(huì)成員至少要包括設(shè)計(jì)、制造、市場(chǎng)和財(cái)務(wù)等部門的人員。
通孔插裝技術(shù)如今仍然在使用，DFM在提高通孔插裝制造的效率和可靠性方面可以起到很大作用，DFM方法能有助于通孔插裝制造商降低缺陷并保持競(jìng)爭(zhēng)力。本文介紹一些和通孔插裝有關(guān)的DFM方法，這些原則從本質(zhì)上來講具有普遍性，但不一定在任何情況下都適用，不過對(duì)于與通孔插裝技術(shù)打交道的PCB設(shè)計(jì)人員和工程師來說還是有一定的幫助。
讀者也可以用這些原則作為DFM文件的框架，然后在其中加入自己具體的設(shè)備配置及冗余量要求。這些原則可以幫助工程師以一種更專業(yè)的態(tài)度做決定，使他們盡快成熟。
下面列出的各條原則根據(jù)制程進(jìn)行編號(hào)和分類以便于查詢。
排版與布局
在設(shè)計(jì)階段排版得當(dāng)可避免很多制造過程中的麻煩。
1.用大的板子可以節(jié)約材料，但由于翹曲和重量原因它在生產(chǎn)中輸運(yùn)會(huì)比較困難，它需要用特殊的夾具進(jìn)行固定，因此應(yīng)盡量避免使用大于23×30cm的板面。最好是將所有板子的尺寸控制在兩三種之內(nèi)，這樣有助于在產(chǎn)品更換時(shí)縮短調(diào)整導(dǎo)軌、重新擺放條形碼閱讀器位置等所引致的停機(jī)時(shí)間，而且板面尺寸種類少還可以減少波峰焊溫度曲線的數(shù)量。
2.在一個(gè)板子?包含不同種拼板是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方法，但只有那些最終做到一個(gè)產(chǎn)品?并具有相同生產(chǎn)制程要求的板才能這樣設(shè)計(jì)。
圖2：元件的排列若不是0度或90度將造成機(jī)器插裝困難。
3.在板子的周圍應(yīng)提供一些邊框，尤其在板邊緣有元件時(shí)，大多數(shù)自動(dòng)裝配設(shè)備要求板邊至少要預(yù)留6mm的區(qū)域。
4.盡量在板子的頂面(元件面)進(jìn)行布線，線路板底面(焊接面)容易受到損壞。不要在靠近板子邊緣的地方布線，因?yàn)樯a(chǎn)過程中都是通過板邊進(jìn)行抓持，邊上的線路會(huì)被波峰焊設(shè)備的卡爪或邊框傳送器損壞。
5.對(duì)于具有較高引腳數(shù)的元件如接線座或扁平電纜，應(yīng)使用橢圓形焊盤而不是圓形以防止波峰焊時(shí)出現(xiàn)錫橋(圖1)。
6.盡可能使定位孔間距及其與元件之間的距離大一些，并根據(jù)插裝設(shè)備對(duì)其尺寸進(jìn)行標(biāo)淮化和最佳化處理；不要對(duì)定位孔做電鍍，因?yàn)殡婂兛椎闹睆胶茈y控制。
7.盡量使定位孔也作為PCB在最終產(chǎn)品中的黏著孔使用，這樣可減少制作時(shí)的鉆孔工序。
8.可在板子的廢邊上安排測(cè)試電路圖樣(如IPC-B-25梳形圖案)以便進(jìn)行制程控制，在制造過程中可使用該圖樣監(jiān)測(cè)表面絕緣阻抗、清潔度及可焊性等等。
9.對(duì)于較大的板子，應(yīng)在中心留出一條通路以便過波峰焊時(shí)在中心位置對(duì)線路板進(jìn)行支撐，防止板子下垂和焊錫濺射，有助于板面焊接一致。
10.在排版設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮針床可測(cè)性問題，可以用平面焊盤(無引線)以便在線測(cè)試時(shí)與引腳的連接更好，使所有電路節(jié)點(diǎn)均可測(cè)試。
元件的定位與安放
11.按照一個(gè)柵格圖樣位置以行和列的形式安排元件，所有軸向元件應(yīng)相互平行，這樣軸向插裝機(jī)在插裝時(shí)就不需要旋轉(zhuǎn)PCB，因?yàn)椴槐匾霓D(zhuǎn)動(dòng)和行動(dòng)會(huì)大幅降低插裝機(jī)的速度。像圖2上這些45度角元件實(shí)際上無法由機(jī)器插入。
12.相似的元件在板面上應(yīng)以相同的方式排放。例如使所有徑向電容的負(fù)極朝向板件的右面，使所有雙列直插封裝(DIP)的缺口標(biāo)記面向同一方向等等，這樣可以加快插裝的速度并更易于發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤。如圖3所示，由于A板采用了這種方法，所以能很容易地找到反向電容器，而B板查找則需要用較多時(shí)間。實(shí)際上一個(gè)公司可以對(duì)其制造的所有線路板元件方向進(jìn)行標(biāo)淮化處理，某些板子的布局可能不一定允許這樣做，但這應(yīng)該是一個(gè)努力的方向。
13.將雙列直插封裝元件、連接器及其它高引腳數(shù)元件的排列方向與過波峰焊的方向垂直，這樣可以減少元件引腳之間的錫橋。
圖3：所有徑向電容的負(fù)極朝向一邊可很容易發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤(A)，反之則較為困難(B)。
14.充分利用絲印在板面上作記號(hào)，例如畫一個(gè)框用于貼條形碼，印上一個(gè)箭頭表示板子過波峰焊的方向，用虛線描出底面元件輪廓(這樣板子只需進(jìn)行一次絲印即可)等等。
15.畫出元件參考符(CRD)以及極性指示，并在元件插入后仍然可見，這在檢查和故障排除時(shí)很有幫助，并且也是一個(gè)很好的維護(hù)性工作。
16.元件離板邊緣應(yīng)至少有1.5mm(最好為3mm)的距離，這將使線路板更加易于進(jìn)行傳送和波峰焊接，且對(duì)周邊元件的損壞更小。
17.元件高出板面距離需超過2mm時(shí)(如發(fā)光二極體、大功率電阻器等)，其下面應(yīng)加墊片。如果沒有墊片，這些元件在傳送時(shí)會(huì)被“壓扁”，并且在使用中容易受到震動(dòng)和衝擊的影響。
18.避免在PCB兩面均安放元件，因?yàn)檫@會(huì)大幅增加裝配的人工和時(shí)間。如果元件必須放在底面，則應(yīng)使其物理上盡量靠近以便一次完成防焊膠帶的遮蔽與剝離作業(yè)。
19.盡量使元件均勻地分布在PCB上，以降低翹曲并有助于使其在過波峰焊時(shí)熱量分布均勻。
機(jī)器插裝
20.所有板上元件的焊盤都應(yīng)該是標(biāo)淮的，應(yīng)使用業(yè)界標(biāo)淮的間隔距離。
21.選用的元件應(yīng)適用于機(jī)器插裝，要牢記自己工廠內(nèi)的設(shè)備的條件與規(guī)格，事先考慮好元件的封裝形式以便能更好地與機(jī)器配合。對(duì)于異型元件來講，封裝可能是一個(gè)較大的問題。
22.如果可能，徑向元件盡量用其軸向型，因?yàn)檩S向元件的插裝成本比較低，如果空間非常寶貴，也可以優(yōu)先選用徑向件。
23.如果板面上僅有少量的軸向元件，則應(yīng)將它們?nèi)哭D(zhuǎn)換為徑向型，反之亦然，這樣可完全省掉一種插裝工序。
24.布置板面時(shí)應(yīng)從最小電氣間隔的角度考慮引腳折彎方向和自動(dòng)插裝機(jī)元件所到達(dá)的范圍，同時(shí)還要確保引腳折彎方向不會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)錫橋。
導(dǎo)線與連接器
25.不要將導(dǎo)線或電纜線直接接到PCB上，而應(yīng)使用連接器。如果導(dǎo)線一定要直接焊到板子上，則導(dǎo)線末端要用一個(gè)導(dǎo)線對(duì)板子的端子進(jìn)行端接。從線路板連出的導(dǎo)線應(yīng)集中于板子的某個(gè)區(qū)域，這樣可以將它們套在一起避免影響其它元件。
26.使用不同顏色的導(dǎo)線以防止裝配過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，各公司可采用自己的一套顏色方案，如所有產(chǎn)品數(shù)據(jù)線的高位用藍(lán)色表示而低位用黃色表示等。
27.連接器應(yīng)有較大焊盤以提供更好的機(jī)械連接，高引腳數(shù)連接器的引線應(yīng)有倒角以便能更容易地插入。
28.避免使用雙列直插式封裝插座，它除了延長(zhǎng)組裝時(shí)間外，這種額外的機(jī)械連接還會(huì)降低長(zhǎng)期使用可靠性，只有因?yàn)榫S護(hù)的原因需要DIP現(xiàn)場(chǎng)更換時(shí)才使用插座。如今DIP的品質(zhì)已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，無需經(jīng)常更換。
29.應(yīng)在板面上刻出辨別方向的標(biāo)記，防止黏著連接器時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。連接器焊點(diǎn)處是機(jī)械應(yīng)力較為集中的地方，因此建議使用一些夾持工具，例如鍵和卡扣。
整機(jī)系統(tǒng)
30.應(yīng)在設(shè)計(jì)印刷電路板前選好零配件，這樣可以實(shí)現(xiàn)最佳布局并且有助于實(shí)施本文中所闡述的DFM原則。
31.避免用一些需要機(jī)器壓力的零元件，如導(dǎo)線別針、鉚釘?shù)龋损ぶ俣嚷酝猓@些元件還可能損壞線路板，而且它們的維護(hù)性也很低。
32.采用下面的方法，盡量減少板上使用元件的種類：
?用排電阻代替單個(gè)電阻。
?用一個(gè)六針連接器取代兩個(gè)三針連接器。
?如果兩個(gè)元件的值很相似，但公差不同，則兩個(gè)位置均使用公差較低的那一個(gè)。
?使用相同的螺釘固定板上各種散熱器。
33.最好設(shè)計(jì)成可在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行配置的通用板。例如裝一個(gè)開關(guān)將國內(nèi)使用的板改為出口型號(hào)，或使用跳線將一種型號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪恍吞?hào)。
常規(guī)要求
34.當(dāng)對(duì)線路板做敷形涂層時(shí)，不需要涂層的部份應(yīng)在工程設(shè)計(jì)時(shí)在圖上標(biāo)注出來，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮涂層對(duì)線間電容的影響。
35.對(duì)于通孔來說，為了保証焊接效果最佳，引腳與孔徑的縫隙應(yīng)在0.25mm到0.70mm之間。較大的孔徑對(duì)機(jī)器插裝有利，而想要得到好的毛細(xì)效果則要求有較小的孔徑，因此需要在這兩者之間取得一個(gè)平衡。
36.應(yīng)選用根據(jù)工業(yè)標(biāo)淮進(jìn)行過預(yù)處理的元件。元件淮備是生產(chǎn)過程中效率最低的部份之一，除了增添額外的工序(相應(yīng)帶來了靜電損壞風(fēng)險(xiǎn)并使交貨期延長(zhǎng))，它還增加了出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
37.應(yīng)對(duì)購買的大多數(shù)手工插裝元件定出規(guī)格，使線路板焊接面上的引線伸出長(zhǎng)度不超過1.5mm，這樣可減少元件淮備和引腳修整的工作量，而且板子也能更好地通過波峰焊設(shè)備。
38.避免使用卡扣黏著較小的座架和散熱器，因?yàn)檫@樣速度很慢且需要工具，應(yīng)盡量使用套管、塑料快接鉚釘、雙面熱帶或者利用焊點(diǎn)進(jìn)行機(jī)械連接。
本文結(jié)論
對(duì)于用通孔插裝技術(shù)進(jìn)行線路板組裝的制造商來說，DFM是一個(gè)極為有用的工具，它可節(jié)約大量費(fèi)用并減少很多麻煩。使用DFM方法能減少工程更改以及將來在設(shè)計(jì)上作出讓步，這些好處都是非常直接的。希望本文介紹的這些原則能幫助通孔線路板設(shè)計(jì)工程師和上層管理人員對(duì)制造的狀況有個(gè)更清楚的了解，并促進(jìn)相互之間有更好的交流。
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