结合DFM及焊点形态理论对SMT虚拟组装系统的研究

胡元君（广东省电子信息高级技工学校 广东 广州 510000）

1 引言

SMT（Surface Mount Technology），即表面组装技术作为先进的电子组装技术在电子加工领域的应用日益广泛，尤其在电子产品、军事装备的制造过程中发挥着不可替代的作用。发展至今，SMT已经朝着微型化、轻薄化、高精度、高密度方向发展。这些发展方向对SMT的制造过程控制和质量标准提出新的要求和挑战，比如其焊点要求更小，其焊接质量要求更加牢固可靠等等，这对SMT的产品生产组装提出了新的研究课题。

DFM（Design for Manufacturing），即面向制造性的设计是一种具有前瞻性的设计方法，它要求在产品设计的同时能够兼顾生产制造的可行性，将工艺参数、制造过程与产品设计相关联，通过在设计和研发阶段综合考虑设计与整个制造系统各个单元的匹配程度来实现生产过程的优化，从而提升效率，降低成本。在SMT产品要求不断提高的同时，DFM设计理念能够通过设计方案的同步优化和工艺参数实时调整减少开发和制造过程中的风险，从而优化产品质量。在设计前期，通过可行性分析和风险评估将开发过程中的问题预测到，并优化设计，改进方案和相应工艺参数。而且，在整个制造过程中，DFM技术可以实现设计方案的持续更新和优化，这样就可以减少制造过程中的浪费，提升制造的可靠性和效率。

基于焊点形态理论，利用焊点的形态特征与其焊接质量之间的匹配关系，进一步通过计算机的虚拟组装技术加以辅助，可以达到通过模拟仿真来预先评价设计方案和工艺参数合理性的目的[1]。本研究基于焊点虚拟成型技术和三维模拟仿真软件，结合DFM设计理念，实现对SMT的虚拟组装过程进行调控和优化。采用计算机CAD仿真软件，结合焊点形态理论中对焊点形态与质量缺陷的关系研究基础上，通过面向制造的设计理念，对SMT的PCB电路模块组装生产过程进行模拟仿真，着重探讨了工艺参数仿真、焊点形态预测、可靠性分析三个方面的关键技术的实现过程及其对焊接质量的影响。

2 结合DFM和焊点形态理论的SMT虚拟组装系统设计思路

图1 结合DFM和焊点形态理论的SMT虚拟组装系统设计流程图

SMT虚拟组装系统设计思路如图1所示，利用CAD仿真软件模拟整个焊接组装过程。从已有研究结果可知，整个焊接组装系统的质量与焊点的形态和焊点的焊接质量有密切关系，事实上单个焊点的焊接质量直接决定了焊接组装的质量好坏。而单个焊点的焊接质量可以通过对焊点形态的分析和评估来预测[2]。基于焊点形态理论和焊点虚拟成型方法，在输入必要的设计参数由计算机进行仿真后，计算机仿真出来的焊点形态与在实际制造过程中的实际焊接形态进行对比，这种对比方法可以快速发现超出容许误差范围的故障焊点，进一步通过对故障焊点的形态、类型和原因进行分析，形成优化建议并反馈在设计端，对设计方案进行修正后重新按照图中的步骤进行模拟仿真。

具体来说，首先基于设计要求进行必要的设计数据（如焊脚和基板的尺寸、材料强度相关数据等）的输入，并从元器件库中选择合适尺寸和要求的元器件之后，在系统中定义模拟加工组装的工艺参数，之后通过计算机建模进行仿真，仿真结果作为焊点成型CAD的输入信息，以此进行焊点形态的预测。将焊点预测形态输入可靠性CAD评估模块后，系统会对焊点形态所对应的参数进行一系列可靠性分析和评价，例如应力应变性能以及疲劳寿命等，评价结果经过专家评估后，从设计输入、器件选择与布局、工艺参数修正三方面上进行优化和改进，并重复进行仿真和预测评估，直到仿真结果符合期望，整个组装过程达到合理。

3 结合DFM和焊点形态理论的SMT虚拟组装系统的实现

本次实验所用SMT虚拟组装系统的实现主要依赖于SMT工艺参数仿真、焊点形态预测、可靠性分析三个关键步骤。这三个关键步骤直接决定SMT产品虚拟组装过程是否科学，结果是否可靠，评估反馈是否合理。

3.1 SMT工艺参数仿真

通过计算机辅助设计软件，将设计信息和器件信息进行组合匹配后，可以确定设计方案和相应的工艺参数，进而对PCB电路模块的焊接组装过程进行模拟。基于SMT产品设计的工艺参数，即图1的工艺参数步骤，利用焊点成型理论，结合焊点虚拟成型软件，可以建立焊点形成模型，通过此模型计算机可以演示出此次虚拟组装的焊点形态。

焊点虚拟成形软件的输入内容为各种与焊接过程和焊接质量相关的工艺参数，其中包括焊盘几何尺寸数据、钎料量、钎料物理化学特性、表面组装元器件种类及尺寸、表面组装器件引脚类型等与焊点形态相关的各种工艺参数，这些工艺参数有的是系统默认的，有的需要根据具体的设计和开发要求进行针对性的设置。基于工艺参数的仿真结果，进一步在计算机内进行焊点形态模拟、焊点应力应变解析和疲劳寿命的计算[3]。运行结果是以上所提到的与焊点形态相关的参数和基于以上工艺参数形成的焊点三维形态数据。同时，在仿真软件运行过程中，通过对参数的调整和修正可以看到焊点的三维形态数据也跟着相应变化，这就体现出面向制造设计的原理。

3.2 焊点形态预测

使用预测焊接成型过程的计算机软件Surface Evolver并结合焊点成型理论，可以实现焊点形态建模、求解甚至模拟焊点成型的演变过程。从之前研究我们知道，焊点成型理论一般着眼于某一个孤立的焊点，预测单个焊点成型过程和其形状参数的变化。而本文研究的虚拟组装技术进一步延伸了焊点虚拟成型技术。通过对整个焊接过程进行仿真，综合焊点成型技术、CAD建模方法、计算机3维仿真设计等多种手段，将焊点形态形成过程通过计算机进行动态演示，同时将焊点形态的过程参数通过DFM技术进行同步的修正优化，进一步构建了焊点成型参数动态设计的软件系统。利用该系统，以力求提升SMT产品焊点质量为目标，通过面向焊接组装制造过程中工艺参数优化与调控，进而对SMT产品焊点质量进行评价和改善。

焊点的形态通过形态参数来进行描述和分析，不同焊点质量的好坏具体体现在焊点的形态参数的数值差异中，因此焊点形态参数的提取对焊点质量检验和分析至关重要。从焊点图像中获取焊点形态参数的过程实际上是计算机软件对焊接点进行全方位测量的过程，一般通过焊点俯视图、侧视图等对焊点进行测试和计算。

在虚拟组装过程中的焊点形态预测相比实际生产中的自动光学检测、超声波检测、激光检测等检测方法有很多优点，诸如可以做到预先分析，避免实际生产中产生不必要的损失和浪费，而且其基于可靠的计算机仿真数据而来，仿真结果具有较高的科学性和可参考性。除此之外，焊点形态的预测还可以有效分析出焊点形态与焊接缺陷中的逻辑关系，用理论指导实践，在产品还未真正生产之前就可以预测到质量状态，能够提高SMT产品组装线的生产水平。

3.3 可靠性分析

本研究中的虚拟组装技术可以通过对焊点的形态预测进而进行组装质量分析，判断焊接过程是否存在诸如虚焊、桥接等焊接缺陷。若存在以上缺陷，可以通过反馈机制进行DFM设计修正设计方案和工艺参数。利用焊点形态预测模型，对焊点形态进行计算、分析、评价，并与实际观测的焊点形态进行对比确认，可以及早发现设计中存在的问题，不断优化设计方案和工艺参数，从而找到最优方案。在这个过程中，可靠性评价将直接决定优化方案的合理性。

采用3维图形任意面剖分技术并结合CAD软件对焊点可靠性做分析。先利用光学检测系统和图像处理系统在线测试已形成焊点的形态，录入数据库形成分析评价系统[4]。然后由此次模拟当中计算机所获取的焊点虚拟形态参数与分析评价系统中已有的焊点物理形态和相关参数进行对比，识别出不满足容许形态范围的故障点，并且对故障点不同形态对应的故障原因和类型进行匹配，预测可能出现的质量问题，然后通过实时反馈机制对设计方案和工艺参数进行优化改正。

4 结语

本研究基于DFM设计思想，利用计算机仿真技术与焊点形态理论，通过对SMT焊接组装过程的仿真建模，形成了可以对设计方案和工艺参数迭代更新和调控的SMT虚拟组装系统。该系统通过工艺参数仿真、焊点形态预测、焊点可靠性分析等关键步骤，同步迭代优化设计方案和工艺参数，最终可以获得焊点形态较好，焊接质量较高的设计方案和工艺参数输出。此研究通过仿真模拟手段预先演示，可以提高生产效率，降低在SMT实际生产中的缺陷，节约成本，提高效率。

[1]周德俭，潘开林，覃匡宇，黄春跃.基于焊点形态理论的SMT焊点虚拟成形技术及其应用[J].桂林电子工业学院学报，2000，20(4)：78-82.

[2]潘开林，周德俭，吴兆华，黄春跃.基于DFM的SMT虚拟组装系统的研究[J].计算机集成制造系统，2003，9(5)：395-398.

[3]黄春跃.基于焊点虚拟成形技术的SMT焊点质量检测和智能鉴别技术研究.西安电子科技大学博士论文，2007，3(46)：56-57.

[4]周德俭，潘开林，刘常康.SMT焊点形态成形和焊点可靠性CAD[J].半导体学报，2000，21(2)：204-206.