基于DFM的PCB协同设计

孙亚芬，安 平

(西安北方光电科技防务有限公司，陕西 西安 710043)

基于DFM的PCB协同设计

孙亚芬，安 平

(西安北方光电科技防务有限公司，陕西 西安 710043)

通过对传统PCB设计缺陷的研究，提出了基于DFM的PCB协同设计思路，明确了各阶段的职责，使协同理念贯穿于整个生产活动中，从而最大限度地降低了早期设计环节中的各类设计缺陷，并以表面组装工艺中导通孔与焊盘间距实例进行了分析、验证。该设计方法具有良好的前瞻性及有效性，在提高产品设计质量、取得良好效果的同时，为后期的可制造性与可生产性提供了强有力保障，也为所有类似设计提供了高质量借鉴经验，具有很高的推广应用价值。

PCB设计；DFM；协同设计；表面组装工艺

由于早期的手工焊接对印制电路板(Printed Circuit Board，PCB)的设计要求不高，因此在传统的PCB设计中，只要保证电路板上的电气连通性能，遵循导线的各项设计原则(如倒角规则、电源线地线设计原则和屏蔽原则等)，就可以满足手工组装和焊接的要求。

随着电子元器件封装技术、电子产品组装高密度、高可靠性、微型化、低成本及生产自动化需求的迅速发展，表面组装技术/工艺(Surface Mount Technology，SMT)因其具有组装密度高、可靠性高、焊点缺陷率低、易于实现自动化和生产效率高等优点，已逐渐成为一种流行的电子组装技术和工艺。由于SMT的应用主要是通过各类SMT的设备来实现，传统的PCB设计思路已不能满足表面组装高可靠性的要求，一种新型的PCB设计思路——可制造性设计(Design for Manufacturing，DFM)[1]应运而生。

1 DFM和协同介绍

1.1 DFM定义及特点

DFM是将产品的工程要求与全球制造能力相匹配，以实现成本最低，产量最高，并加快产品面市时间的设计实践和流程。它是保证PCB设计质量最有效的方法。DFM在产品开发设计时，就要考虑其可制造性、生产工艺性和可测试性，使设计、制造和生产工艺之间紧密联系，从而实现从设计、制造到生产工艺一次成功。

DFM具有开发周期短、成本低和产品质量高等优点，在整个设计中非常重要。根据HP公司的DFM统计结果，产品总成本的60%取决于产品的最初设计，75%的制造成本取决于设计说明和设计规范，70%～80%的生产缺陷是由于设计原因造成的。

1.2 协同定义及特点

协同定义是指协调2个或者2个以上的不同资源或者要素，协同一致地完成某一目标的过程或能力。

协同现象存在于一切领域中，没有协同，生产就不能发展，社会就不能前进。在一个系统内，若各种子系统(要素)不能很好地协同，系统必然发挥不了整体性功能，最终导致瓦解；反之，各子系统就会大大超越原各自功能总和，实现统一的整体性。因此，协同设计过程中，各主体间的协同要素不是简单地叠加，而是为了同一目标各要素进行有机融合，从而实现各协作主体间各自能力的优势整合和互补，加速技术实现和推广应用。

2 传统PCB设计

2.1 传统PCB设计流程

传统PCB设计流程如图1所示。

图1 传统的PCB设计流程

首次设计时如果强调设计速度，只注重产品功能的实现，不能全面地考虑制造及生产工艺要求，其结果往往是手工装配时不存在任何问题，一旦成批量上线生产时，就会将设计中欠考虑的工艺问题暴露出来，成为制约产线直通率指标的重要影响因素；同时，因各类设计缺陷造成的一次或多次手工返工，将明显影响产品的生产周期、质量及可靠性。

2.2 传统PCB设计在SMT生产中的危害

在SMT生产中，组装质量与PCB设计有直接的、十分重要的关系。PCB设计是保证表面组装质量的首要条件之一，不良设计在SMT生产中的危害非常大，会给企业的生产活动带来不同程度的损失。主要危害如下：1)造成大量焊接缺陷，增加修板和返修工作量，浪费工时，延误工期；2)增加工艺流程，浪费材料和能源；3)返修可能会损坏元器件或印制板，甚至影响产品的可靠性；4)可制造性差，增加工艺难度，影响设备利用率，降低生产效率。

上述危害产生的原因是由于电子产品设计人员对SMT生产设备、制造工艺不熟悉，实践经验不足，导致设计的产品可生产性差、工艺性差，影响产品的可靠性与生产效率；因此，无论设计人员、工艺人员还是制造人员，都必须对SMT印制电路板可制造性设计的重要性有足够的认识和重视，在产品设计阶段就应考虑其制造性和生产工艺性[2]。

3 协同设计

设计质量不仅由电路设计的先进性和原理的可行性决定，同时也由SMC/SMD的选择、PCB设计及板上布局、工艺流程的先后次序是否合理来决定[3]，即生产制造工艺就应在设计初期融于设计人员的主导思想中，并落实于具体产品的设计实践中。下述仅以某SMT组装工艺的PCB设计为例，研究分析基于DFM的PCB协同设计实施步骤。

与传统的PCB设计流程不同，引入协同理念的PCB设计，使得设计、工艺和生产各环节形成一个良好的闭环系统。其每个阶段都有自身的主责和配合下道工序的义务。基于DFM的PCB协同设计按阶段划分为研发设计、工艺协同和组装生产等3个阶段。协同设计流程图如图2所示。

图2 协同设计流程图

3.1 研发设计

设计应根据产品特性及原理，确保PCB设计满足产品的原理性电气连通要求，并遵循一定的布板、排件规则，同时结合SMT工艺人员编制的PCB上线具体要求，完善PCB设计。PCB样板由工艺人员进行工艺审查。

3.2 工艺协同

对设计人员提供的PCB设计样板，工艺人员综合考虑SMT工艺组装，SMT生产线设备特点，以及PCB板的可生产性，对其进行工艺审查，以确定是否满足上线生产需求。工艺协同主要内容如下：1)确定PCB的尺寸和结构形状；2)满足印制板的组装形式及工艺流程设计；3)贴装元器件SMC/SMD焊盘设计；4)布线设计；5)焊盘与印制导线连接的设置；6)导通孔设置原则，明确要求导通孔不能直接设置在焊盘上、焊盘延长部分或焊盘角上；7)根据SMT生产设备和工艺特点进行元器件整体布局及排列方向设计，根据不同的工艺需求进行不同的工艺布局设计。

3.3 组装生产

PCB设计应满足SMT设备的要求。按照生产环节中各自职责的不同，设计人员主要负责PCB板内的电气连通性；工艺人员在确定PCB板内内容正确的前提下，再根据生产线设备需求，进行PCB外形和尺寸等设计，以满足生产工艺需求。

3.3.1 PCB外形设计

外形设计应根据PCB的组装特性决定，应按标准外形尽量简单、规矩。印刷设备和贴片设备传输方式、印刷范围和贴装范围决定了PCB外形和尺寸，采用导轨传输方式的PCB外形应为直线，如为异形时，需设计工艺边以满足传输要求。另外，直线型工艺边应进行倒角处理，以防止上板过程中锐角损坏传输带。

3.3.2 PCB尺寸设计

PCB尺寸由贴装范围决定。当PCB尺寸小于最小贴装尺寸时，应采用拼板方式。拼板原则是各小板应方向一致。

4 实例验证

根据上述PCB设计流程，以某产品电子部件PCB设计为例进行说明。

4.1 最初设计

电子部件编号为R54的焊盘最初设计位置如图3所示。该设计虽然保证了电子部件的电气连通性能，手工焊接时也会因人工掌握焊料多少而忽略此类设计，但该电子部件的生产工艺改变时(即表面贴装元件由手工焊接工艺更改为机器自动焊接工艺)，此类设计缺陷就暴露出来了，具体现象为电子部件经再流焊接后，元件的焊端出现缺锡并歪斜。机器焊接后的实物效果如图4所示。

图3 R54的焊盘最初设计位置 图4 机器焊接后效果

4.2 原因分析

电子部件经SMT生产设备生产后，在AOI检测环节提示元件R54的一端焊端存在少锡、偏移等缺陷。经分析，少锡的根本原因是在再流焊过程中，由于元件焊盘和导通孔紧邻，当焊盘上焊料熔化时，熔融的焊料会有一部分润湿导通孔，同时对元件产生一种拉偏的力，最终导致元件焊盘上的锡量过少且元件焊端出现歪斜现象。同时，查看由原PCB设计图转化的PCB制板图(见图5)，从制板图中可以很明显地验证焊盘和导通孔直接相连这一点。

图5 PCB制板图

4.3 解决措施

根据实际生产效果，并结合GJB 3243—1998《电子元器件表面安装要求》中5.2.5导通孔与焊盘的连接要求(见图6)[4]：“导通孔与焊盘之间应采用长度不小于0.635 mm的细导线连接；应避免在距表面安装焊盘0.635 mm以内设置导通孔和盲孔”，同时引入协同设计理念，再按照SMT生产特点进行工艺协同改进后，将导通孔与元件焊端的间距增至0.75 mm，满足国军标的要求；同时采用阻焊膜对该段导线进行覆盖，彻底解决了因间距过小而导致的少锡缺陷存在。改进后的PCB设计如图7所示。

图6 导通孔与焊盘连接要求

图7 工艺协同改进后的PCB设计

5 结语

本文提出了基于DFM的PCB协同设计理念，并明确了协同设计流程及各阶段的责任。以某电子部件表面贴装工艺(再流焊工艺)为例，说明了协同设计的重要性，既证明了该方法具有良好的可行性，也验证了基于DFM的PCB协同设计可以切实消除传统PCB设计过程中存在的设计缺陷，使PCB在后期的可制造性与可生产性方面具有时间短、可靠性高等优点，从而为产品的整体可靠性提供设计和技术保障。该设计方法具有良好的应用推广及借鉴价值。

[1] 顾霭云.表面组装技术(SMT)基础与通用工艺[M]. 北京：电子工业出版社，2014.

[2] 何丽梅.SMT—表面组装技术[M]. 北京：机械工业出版社，2008.

[3] 杜中一. SMT表面组装技术[M]. 北京：电子工业出版社，2012.

[4] GJB 3243—1998，电子元器件表面安装要求[S].

责任编辑 郑练

The Method of PCB Collaborative Design based on DFM

SUN Yafen, AN Ping

(North Electro-optic Co., Ltd., Xi’an 710043, China)

The research of the traditional PCB design defect, and the thought of the PCB collaborative design based on DFM is proposed. Make sure that the responsibility of each phase can minimize all kinds of design defect early through the concept penetrating the production activities. Meanwhile, the validity of the method is proved prospective and effectiveness with an example of the distance between via holes and pads. The method has stronger application value and advantage over traditional methods in the aspect of manufacturability, producibility, and high-quality reference experience for all similar design.

PCB design, DFM, collaborative design, SMT

TB

B

孙亚芬(1971-)，女，高级工程师，主要从事导引头制导技术及表面组装技术等方面的研究。

2016-08-16