PCB的可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)（DFM）

作者：時(shí)間：2024-05-28 來(lái)源：硬件十萬(wàn)個(gè)為什么

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關(guān)于什么是DFx——

本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/202405/459297.htm

DFX，“X”為什么包括這么多鬼！

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成熟工程師與初級(jí)工程師的差異：DFx的素養(yǎng)

通過(guò)DFX設(shè)計(jì)提高電子產(chǎn)品的質(zhì)量與可靠性

·DFM：Design for Manufacture 可生產(chǎn)性設(shè)計(jì)

DFM的意思是面向制造的設(shè)計(jì)，Design for manufacturability，即從提高零件的可制造性入手，使得零件和各種工藝容易制造，制造成本低，效率高，并且成本比例低。

就是在設(shè)計(jì)階段充分考慮到生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能碰到的困難，而為了減少生產(chǎn)問(wèn)題，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本而進(jìn)行的設(shè)計(jì)，這里包括硬件設(shè)計(jì)也包括軟件設(shè)計(jì)。

一、DFM分析階段

不同階段進(jìn)行DFM分析，取得不同的效果。能在早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題更好。最糟糕的是有些公司并不能認(rèn)知到：這是一個(gè)DFM的問(wèn)題。

DFM階段越早，發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題就越容易解決，帶來(lái)的損失也就越小。

DFM不簡(jiǎn)單指生產(chǎn)本身，與以下其他DFx也是相關(guān)的：

二、PCB設(shè)計(jì)的DFM工藝要求

1、尺寸范圍

外形尺寸不得超過(guò)設(shè)備加工能力

目前常用尺寸范圍是“寬（200 mm～250 mm）×長(zhǎng)（250 mm～350 mm）” 對(duì)長(zhǎng)邊尺寸小于125mm、或短邊小于100mm的PCB，或異形周邊凹凸不規(guī)則需設(shè)計(jì)成拼板。

2、外形

板子的外形為矩形，如果不需要拼板，要求板子4 個(gè)角為圓角；如果需要拼板，要求拼板后的板子4 個(gè)角為圓角,圓角的最小尺寸半徑為r=1mm，推薦為r=2.0mm。

為保證傳送過(guò)程的穩(wěn)定，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮采用工藝拼板的方式將不規(guī)則形狀的PCB轉(zhuǎn)換為矩形形狀，特別是角部缺口最好要補(bǔ)齊。

對(duì)純 SMT 板，允許有缺口，但缺口尺寸須小于所在邊長(zhǎng)度的1/3，確保PCB 在鏈條上傳送平穩(wěn)。

對(duì)于內(nèi)圓角，推薦最小半徑為0.8mm，如果需要，半徑可以小至0.4mm。

對(duì)于金手指的設(shè)計(jì)要求見圖所示，除了插入邊按要求設(shè)計(jì)倒角外，插板兩側(cè)邊

也應(yīng)該設(shè)計(jì)（1～1.5）×45° 的倒角或R1～R1.5 的圓角。

3、傳送邊

從減少焊接時(shí)PCB的變形，對(duì)不作拼版的PCB，一般將其長(zhǎng)邊方向作為傳送方向；對(duì)于拼版也應(yīng)將長(zhǎng)邊方向作為傳送方向。對(duì)于短邊與長(zhǎng)邊之比大于80％的PCB，可以用短邊傳送。

由于終端單板一般采用拼板設(shè)計(jì)，一般都采用工藝邊作為傳輸邊，工藝邊的寬度最窄處一般不能小于4.5mm。

4、MARK 點(diǎn)

光學(xué)定位基準(zhǔn)符號(hào)（又稱MARK 點(diǎn)）

Mark點(diǎn)也叫基準(zhǔn)點(diǎn)，為裝配工藝中的所有步驟提供共同的可測(cè)量點(diǎn)，保證了裝配使用的每個(gè)設(shè)備能精確地定位電路圖案。因此， Mark點(diǎn)對(duì)SMT生產(chǎn)至關(guān)重要。

Mark點(diǎn)是電路板設(shè)計(jì)中PCB應(yīng)用于自動(dòng)貼片機(jī)上的位置識(shí)別點(diǎn)。mark點(diǎn)的選用直接影響到自動(dòng)貼片機(jī)的貼片效率。

一般Mark點(diǎn)的選用與自動(dòng)貼片機(jī)的機(jī)型有關(guān)。

MARK點(diǎn)形狀：Mark點(diǎn)的優(yōu)選形狀為直徑為1mm(±0.2mm)的實(shí)心圓，材料為裸銅（可以由清澈的防氧化涂層保護(hù)）、鍍錫或鍍鎳，需注意平整度，邊緣光滑、齊整，顏色與周圍的背景色有明顯區(qū)別。為了保證印刷設(shè)備和貼片設(shè)備的識(shí)別效果，MARK點(diǎn)空曠區(qū)應(yīng)無(wú)其它走線、絲印、焊盤或Wait-Cut等。

要求Mark點(diǎn)標(biāo)記為實(shí)心圓；一個(gè)完整的MARK點(diǎn)包括：標(biāo)記點(diǎn)（或特征點(diǎn)）和空曠區(qū)域。

1） Mark點(diǎn)位于電路板或組合板上的對(duì)角線相對(duì)位置盡可能分開，最好分布在最長(zhǎng)對(duì)角線位置；2）為保證貼裝精度的要求， SMT設(shè)備要求：在SMT生產(chǎn)的所有產(chǎn)品每PCB板內(nèi)必須至少有一對(duì)符合設(shè)計(jì)要求的可供SMT機(jī)器識(shí)別的MARK點(diǎn)，可考慮有單板MARK(單板和拼板時(shí)，板內(nèi)MARK位置如下圖所示)。拼板MARK或組合MARK只起輔助定位的作用。

3）拼板時(shí)，每一單板的MARK點(diǎn)相對(duì)位置必須一樣。不能因?yàn)槿魏卧?br/>而挪動(dòng)拼板中任一單板上MARK點(diǎn)的位置，而導(dǎo)致各單板MARK點(diǎn)位置不對(duì)
稱，特殊拼板方式：

①陰陽(yáng)板時(shí)對(duì)角MARK位置必須相同
②鏡像板各MARK位置必須相同.R1=R2

4） PCB板上所有MARK點(diǎn)只有滿足：在同一對(duì)角線上且成對(duì)出現(xiàn)的兩個(gè)MARK，方才有效。因此MARK點(diǎn)都必須成對(duì)出現(xiàn)，才能使用。

尺寸：

1） Mark點(diǎn)標(biāo)記最小的直徑為1.0mm，最大直徑是3.0mm。 Mark點(diǎn)標(biāo)
記在同一塊印制板上尺寸變化不能超過(guò)25微米；2）特別強(qiáng)調(diào)：同一板號(hào)PCB上所有Mark點(diǎn)的大小必須一致（包括不
同廠家生產(chǎn)的同一板號(hào)的PCB）3）建議RD-layout將所有圖檔的Mark點(diǎn)標(biāo)記直徑統(tǒng)一為1.0mm；

邊緣距離：

1） Mark點(diǎn)（邊緣）距離印制板邊緣必須≥5.0mm(機(jī)器夾PCB最小間距
要求)，且必須在PCB板內(nèi)而非在板邊，并滿足最小的Mark點(diǎn)空曠度要求。強(qiáng)調(diào)：所指為MARK點(diǎn)邊緣距板邊距離≥3.0mm，而非MARK點(diǎn)中心。

空曠度要求：
在Mark點(diǎn)標(biāo)記周圍，必須有一塊沒有其它電路特征或標(biāo)記的空曠面積?？諘鐓^(qū)圓半徑 r≥2R, R為MARK點(diǎn)半徑,r達(dá)到3R時(shí)，機(jī)器識(shí)別效果更好。增加MARK點(diǎn)與環(huán)境的顏色反差。 r內(nèi)不允許有任何字符（覆銅或絲印等）

材料：Mark點(diǎn)標(biāo)記可以是裸銅、清澈的防氧化涂層保護(hù)的裸銅、鍍鎳或鍍錫、或
焊錫涂層。如果使用阻焊，不應(yīng)該覆蓋Mark點(diǎn)或其空曠區(qū)域平整度:
Mark點(diǎn)標(biāo)記的表面平整度應(yīng)該在15微米[0.0006"]之內(nèi)。對(duì)比度:
a) 當(dāng)Mark點(diǎn)標(biāo)記與印制板的基質(zhì)材料之間出現(xiàn)高對(duì)比度時(shí)可達(dá)到最佳的性能b) 對(duì)于所有Mark點(diǎn)的內(nèi)層背景必須相同

5、定位孔

每一塊 PCB 應(yīng)在其角部位置設(shè)計(jì)至少兩個(gè)定位孔

拼板定位孔應(yīng)有四個(gè)，分布四角，定位孔標(biāo)準(zhǔn)孔徑為2.00±0.08mm。定位孔中心距離相近的板邊為5mm

定位孔旁邊的器件或焊盤距離定位孔邊的最小距離應(yīng)至少為 1.5mm

6、孔金屬化問(wèn)題

定位孔、非接地安裝孔，一般均應(yīng)設(shè)計(jì)成非金屬化孔

三、減少工序、減少裝配時(shí)間

四、直通率

1、定義：一次性達(dá)到出貨標(biāo)準(zhǔn)的比率。

直通率（First Pass Yield, FPY）是衡量生產(chǎn)線出產(chǎn)品質(zhì)水準(zhǔn)的一項(xiàng)指標(biāo)，用以描述生產(chǎn)質(zhì)量、工作質(zhì)量或測(cè)試質(zhì)量的某種狀況。具體含義是指，在生產(chǎn)線投入100套材料中，制程第一次就通過(guò)了所有測(cè)試的良品數(shù)量。因此，經(jīng)過(guò)生產(chǎn)線的返工(Rework)或修復(fù)才通過(guò)測(cè)試的產(chǎn)品，將不被列入直通率的計(jì)算中。

PCB、SMT、裝配、生產(chǎn)調(diào)測(cè)、生產(chǎn)試驗(yàn)，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，都累加在直通率下降的砝碼上。

FPY= p1 x p2 xp3... 其中 p1,p2,p3等為產(chǎn)線上每個(gè)環(huán)節(jié)的良品率（上一個(gè)環(huán)節(jié)有測(cè)試動(dòng)作，并剔除次品）。

2、提高直通的方法：

2.1如果發(fā)現(xiàn)問(wèn)題出現(xiàn)在SMT環(huán)節(jié)

A、優(yōu)化鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)（優(yōu)化PasteMask）

我們?cè)谏蒅erber文件的時(shí)候。需要生成兩個(gè)MASK（SOLDERMASK、PASTEMASK）

SOLDERMASK：阻焊層，就是用它來(lái)涂敷綠油等阻焊材料，從而防止不需要焊接的地方沾染焊錫的，這一層會(huì)露出所有需要焊接的焊盤，并且開孔會(huì)比實(shí)際焊盤要大。涂綠油時(shí)，看到有東西(焊盤)的地方就不涂綠油即可，而且由于其開孔比實(shí)際焊盤要大，保證綠油不會(huì)涂到焊盤上，這一層資料需要提供給PCB廠。

soldermask和pastemask的理解

PASTEMASK：焊膏層，就是說(shuō)可以用它來(lái)制作印刷錫膏的鋼網(wǎng)，這一層只需要露出所有需要貼片焊接的焊盤，并且開孔可能會(huì)比實(shí)際焊盤小。這樣得到的鋼網(wǎng)鏤空的地方比實(shí)際焊盤要小，保證刷錫膏的時(shí)候不會(huì)把錫膏刷到需要焊錫的地方，這一層資料需要提供給SMT廠。

SMT印錫鋼網(wǎng)厚度設(shè)計(jì)原則：

鋼網(wǎng)厚度應(yīng)以滿足最細(xì)間距QFP 、BGA為前提，兼顧最小的CHIP元件。

QFP pitch≤0.5mm鋼板選擇0.13mm或0.12mm；pitch>0.5mm鋼板厚度選擇0.15mm--0.20mm；BGA 球間距>1.0mm鋼板選擇0.15mm；0.5mm≤BGA球間距≤1.0mm鋼板選擇0.13mm。（如效果不佳可選擇0.12mm）（詳見下附表）

SMT錫膏鋼網(wǎng)的一般要求原則：

1、位置及尺寸確保較高開口精度，嚴(yán)格按規(guī)定開口方式開口

2、獨(dú)立開口尺寸不能太大，寬度不能大于2mm，焊盤尺寸大于2mm的中間需架0.4mm的橋，以免影響網(wǎng)板強(qiáng)度

3、繃網(wǎng)時(shí)嚴(yán)格控制，注意開口區(qū)域必須居中。

4、以印刷面為上面，網(wǎng)孔下開口應(yīng)比上開口寬0.01mm或0.02mm，即開口成倒錐形，便于焊膏有效釋放，同時(shí)可減少網(wǎng)板清潔次數(shù)。

5、網(wǎng)孔孔壁光滑。尤其是對(duì)于間距小于0.5mm的QFP和CSP，制作過(guò)程中要求供應(yīng)商作電拋光處理。

6、通常情況下，SMT元件其網(wǎng)板開口尺寸和形狀與焊盤一致，按1：1方式開口。

SMT錫膏鋼網(wǎng)的特殊開口設(shè)計(jì)原則：

0805建議如下開口。兩焊盤各內(nèi)切1.0MM,再做內(nèi)凹圓B=2/5Y；A=0.25MM或者A=2/5*L防錫珠。

1206及以上Chip: 兩焊盤各外移0.1MM后，再做內(nèi)凹圓B=2/5Y；a=2/5*L防錫珠處理。

帶有BGA的電路板球間距在1.0mm以上鋼網(wǎng)開孔比例1:1，球間距小于0.5mm以下的鋼網(wǎng)開孔比例1 : 0.95 。

對(duì)于所有帶有0.5mm pitch的QFP和SOP，寬度方向開孔比例1:0.8

長(zhǎng)度方向開孔比例1:1.1，帶有0.4mm pitch QFP寬度方向按照1:0.8開孔，長(zhǎng)度方向按照1:1.1開孔，且外側(cè)倒圓腳。倒角半徑r=0.12mm 。

0.65mmpitch 的SOP元件開孔寬度縮小10% 。

一般產(chǎn)品的PLCC32和PLCC44開孔時(shí)寬度方向按1:1開孔，長(zhǎng)度方向按1:1.1開孔。

一般的SOT封裝的器件，大焊盤端開孔比例1:1.1，小焊盤端寬度方向1:1，長(zhǎng)度方向1:1.1

SOT89元件封裝：由于焊盤和元件都比較大，且焊盤間距較小，容易產(chǎn)生錫珠等焊接質(zhì)量問(wèn)題，故采用下列方式開口，如下圖，引腳長(zhǎng)度方向外擴(kuò)0.5mm開口。

SMT紅膠鋼網(wǎng)的開口設(shè)計(jì)原則（使用的少，問(wèn)題也比較少，此處只做簡(jiǎn)略介紹）

B、對(duì)于鋼網(wǎng)使用的注意點(diǎn)：

增加對(duì)鋼網(wǎng)清洗次數(shù)，并使用無(wú)塵紙沾酒精擦拭鋼網(wǎng)

實(shí)施前：原來(lái)每印刷30PCB清洗一次鋼網(wǎng)，清洗時(shí)只用干布條擦拭，導(dǎo)致鋼網(wǎng)孔堵住或鋼網(wǎng)底部粘有錫膏，印刷后PCB板焊盤容易漏印或連點(diǎn)；

實(shí)施效果：PCB板引腳間距在0.8mm以下的，印刷5片清洗一次；引腳間距較大的印刷10片清洗一次，并使用無(wú)塵紙沾酒精溶劑擦拭，保證鋼網(wǎng)清洗干凈，印刷效果良好。

C、調(diào)整錫膏印刷機(jī)

原來(lái)PCB板定位不均勻，鋼網(wǎng)下壓后，鋼網(wǎng)與PCB板之間形成空隙，印刷后容易造成連點(diǎn)；現(xiàn)在在PCB板中間增加定位，鋼網(wǎng)與PCB板，印刷效果良好。

D、調(diào)整錫膏

錫焊直接使用，沒有回溫，會(huì)凝結(jié)空氣中的水蒸氣，在回流焊里炸錫，導(dǎo)致焊盤焊錫少，上班前，提前2小時(shí)將當(dāng)天要用的錫膏回溫，回溫時(shí)間達(dá)到2-4小時(shí)。

實(shí)施錫膏回溫之后的改進(jìn)。

E、回流焊爐溫調(diào)整

向供應(yīng)商索取錫膏溫度曲線資料，根據(jù)預(yù)熱時(shí)間、升溫斜率要求，重新調(diào)整回流爐溫。

實(shí)施效果：采用實(shí)物板作為測(cè)試板，可以達(dá)到接近于生產(chǎn)時(shí)的實(shí)際焊接溫度，每個(gè)對(duì)應(yīng)測(cè)試點(diǎn)與實(shí)際焊接溫度相差±0.5℃，達(dá)到工藝要求:誤差＜±2℃；再通過(guò)調(diào)整回流爐溫，使?fàn)t溫曲線符合錫膏要求。

特別是進(jìn)入無(wú)鉛化焊接時(shí)，尤其需要修正焊接溫度。否則嚴(yán)重影響直通率。

F、調(diào)整貼裝位置

G、AOI

爐前AOI

爐前小料的偏移，缺件，側(cè)立，立碑等缺陷發(fā)生的頻率很高，占的比率較大。利用爐前IOA及時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行調(diào)整。

爐后IOA

2.2還有一些結(jié)構(gòu)、裝配等方面的直通率問(wèn)題：

例如需要制作一些工裝，否則容易在安裝過(guò)程中導(dǎo)致產(chǎn)品損壞；一些結(jié)構(gòu)放置隨意，面板刮花等等問(wèn)題，其實(shí)都是導(dǎo)致直通率下降的原因。

具體的改善錯(cuò)誤，我們自己的產(chǎn)品優(yōu)化如下：

A、統(tǒng)計(jì)問(wèn)題，并抓住主要矛盾

上圖為我們硬十的某一款無(wú)人機(jī)產(chǎn)品的發(fā)貨直通率統(tǒng)計(jì)。在134架次無(wú)人機(jī)統(tǒng)計(jì)中，發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)模具問(wèn)題比較多，無(wú)人機(jī)槳葉的問(wèn)題是TOP1問(wèn)題，電池安裝問(wèn)題是TOP2問(wèn)題。這兩個(gè)問(wèn)題的問(wèn)題種類只占總問(wèn)題類型的20%，但是問(wèn)題的數(shù)量卻占據(jù)總問(wèn)題數(shù)量的80%以上。這就是典型的二八原則。我們通過(guò)解決TOP問(wèn)題，例如無(wú)人機(jī)槳葉供貨的問(wèn)題，就將直通率的80%不足，達(dá)到了接近90%。

B、根據(jù)用戶的使用場(chǎng)景優(yōu)化測(cè)試列表

這個(gè)方法能夠更準(zhǔn)確反應(yīng)直通率結(jié)果。雖然有可能降低了直通率，但是供貨質(zhì)量得到了有效保證。并且在過(guò)程中可以發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)和設(shè)計(jì)的缺陷。有針對(duì)性的進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。

C、優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程，形成問(wèn)題表單并跟蹤。

將工廠發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，整理，跟蹤，閉環(huán)。不斷的優(yōu)化生產(chǎn)的工藝規(guī)程，并形成文檔，組織工廠工人培訓(xùn)。

D、優(yōu)化來(lái)料

對(duì)物料提供的來(lái)源，數(shù)量，品質(zhì)，存儲(chǔ)，進(jìn)行全流程統(tǒng)計(jì)跟蹤，形成表格并歸檔。當(dāng)來(lái)料影響直通率了之后，可以有效進(jìn)行問(wèn)題回溯。

三、DFM案例

案例一、金手指沾錫

某產(chǎn)品金手指周圍器件布局過(guò)近，導(dǎo)致貼片后出現(xiàn)金手指沾錫問(wèn)題。

修改PCB設(shè)計(jì)，調(diào)整焊盤與金手指的距離。

解決辦法：

改板調(diào)整焊盤與金手指間距。

改版前，存量PCB爐前金手指貼高溫膠紙，爐后加強(qiáng)檢驗(yàn)，返修器件時(shí)嚴(yán)格保護(hù)金手指，并在顯微鏡下檢驗(yàn)返修后的單板。

案例二、焊盤開孔導(dǎo)致PAD上有綠油

器件散熱要求高，散熱焊盤上打大孔，廠家塞孔能力差，導(dǎo)致PAD上有綠油，器件引腳開焊。

臨時(shí)措施：取消塞孔方式，修改鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)，爐后重點(diǎn)檢驗(yàn)該器件焊接情況及錫珠情況。

案例三、MARK點(diǎn)不良、偏差

MARK點(diǎn)大小和形狀不良: PCB板上所有MARK點(diǎn)標(biāo)記直徑小于1.00MM，且形狀不規(guī)則,SMT機(jī)器難以識(shí)別，MARK點(diǎn)的完整組成不完整：MARK點(diǎn)沒有空曠區(qū)域,只有標(biāo)記點(diǎn)，造成SMT機(jī)器無(wú)法識(shí)別。
MARK點(diǎn)位置偏差：

1） PCB板內(nèi)無(wú)MARK點(diǎn)，板邊MARK位置不對(duì)稱，造成SMT無(wú)法作業(yè)。

2）板內(nèi)無(wú)MARK，拼板尺寸有誤差，貼裝后元件坐標(biāo)整體偏移，造成SMT作業(yè)困難。