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1、SMT可制造性设计应用研讨会讲义（下）（DOC 7页）SMT可制造性设计应用研讨会讲义（下）6.0焊盘设计焊盘的尺寸，对SMT产品的可制造性和寿命有着很大的影响。所以它是SMT应用中一个必须做得好的工作。影响焊盘尺寸的因素众多，必须全面的配合才能做得好。要在众多因素条件中找到完全一样的机会很小。所以SMT用户应该开发适合自己的一套尺寸规范。而且必须有良好的档案记录，详细记载各重要的设计考虑和条件，以方便将来优化和更改。由于目前在一些因素和条件上还不能找出具体的有效的综合数学公式，用户还必须配合计算和试验来优化本身的规范，而不能单靠采用他人的规范或计算得出的结果。6.1良好焊盘和影响它的因素一个
2、良好的焊盘设计，应该提供在工艺上容易组装、便于检查和测试、以及组装后的焊点很长的使用寿命等条件。设计考虑上的焊盘定义，包括焊盘本身的尺寸、绿油或阻焊层框框的尺寸、元件占地范围、元件下的布线和(在波峰焊工艺中)点胶用的虚设焊盘或布线的所有定义。决定焊盘尺寸的，有五方面的主要因素。他们是元件的外形和尺寸、基板种类和质量、组装设备能力、所采用的工艺种类和能力、以及要求的品质水平或标准。在考虑焊盘的设计时必须配合以上五个因素整体考虑。计算尺寸公差时，如果采用最差情况方法(即将各公差加起来做总公差考虑的方法)，虽然是保险的做法，但对微型化不利而有难照顾到目前统一不足的巨大公差范围。所以工业界中较常用的是
3、统计学中接受的有效值或均方根方法。这做法在各方面达到较好的平衡。6.2设计前的准备工作焊盘设计必须配合多方面的资料，所以在进行焊盘设计有以下的准备工作先得做好。1.收集元件封装和热特性的资料。注意国际是对元件封装虽然有规范，但东西方规范在某些方面的相差还是挺大的。有时要以统一的焊盘尺寸来处理这巨大的规范范围，同时又要配合厂内的各种条件而做到最优化是不可能的。用户必须在元件范围上做出选择或把设计规范分成等级。2.整理基板的规范。对于基板的质量(如尺寸和温度稳定性)、材料、油印的工艺能力和相对的供应商都必须有一个清楚详细记录。3.制定厂内的工艺和设备能力规范。例如基板处理的尺寸范围、贴片精度、丝印
4、精度、回流原理和点胶工艺采用的是什么注射泵等等。这方面的量化了解对焊盘的设计也有很重要的帮助。4.对各制造工艺的问题和知识有足够的了解。这协助对设计焊盘时的考虑和取舍，有些时候设计无法面面俱顾，这方面的知识和能力可以使设计人员做出较好的决策。5.制定厂内或对某一产品上的品质标准。只有在了解到具体的产品品质标准后，焊盘设计才可以有意义的推算出来。品质标准是指如焊点的大小、需要怎么样的外形等等。6.3波峰焊工艺中的一些考虑波峰焊接工艺中，较常见的工艺问题有阴影效应(缺焊)、桥接(短路)和元件脱落。阴影效应是由于元件封装的不润湿性和溶锡的强大表面张力造成的，为了避免这种问题的产生，焊盘的长度必须有足
5、够的伸延出元件体外，越高的元件封装伸延也应越长。而元件和元件之间的距离也不能太靠近，应保留有足够的孔隙让熔锡渗透。注声这些尺寸都和厂内的设备和调制能力有一定的关系，所以设计时必须了解到厂内这方面的特性。桥接问题常发生在IC引脚上和距离太近的元件。解决的方法是给予足够的元件间距，对于IC引脚(一般在离开锡炉的最后引脚上)可以在焊盘设计上加入吸锡或盗锡虚焊盘。此焊盘的尺寸和位置看IC的引脚间距和类型而定。对于较细间距的翼形引脚应采用较长的吸锡焊盘。此外，对于四边都有引脚的QFP应采用45度角置放，以减少桥接的机会。对于J形引脚和间距较宽的PLCC则无此需要。元件脱落的问题，一般是因为黏胶工艺做得不
6、好造成的。最常见的是因为胶点的高度不够引起而很多时候是因为工艺(泵技术)和材料(黏胶、元件)的选择不当，以及因基板上焊盘高度将元件托起而引起的。设计时除了要具体和严格的规定元件的封装尺寸、工艺规范中规定技术和材料外，在基板的设计上可采用所谓的垫盘(胶点处的一种虚焊盘)来协助增加胶点的高度。这垫盘也可以采用信号布线来代替。6.4焊点质量的考虑决定焊盘的尺寸大小，首先要从焊点的质量来考虑。什么样的焊点(大小、外形)才算是优良的焊点呢？在点厂内的品质部应该配合设计和工艺部有一认同。科学性的确认是通过对不同焊点大小和外形进行寿命测试而得来的。这类测试费用高、技术难、所需时间也长，因此不是每一家工厂都能
7、负担的。不过工业界中有许多经验是可以被我们参考和借用的。比如说矩形元件的焊点，我们要求底部端点最少有一半的面积必须和焊盘焊接(家电和消费产品)，端点两侧要有0.3mm以上或元件高度的三份一的润湿面等的最低要求。对于设计工作，重要的是我们应该了解到焊点组成各部分的功能和作用。比如了解到矩形元件两端延伸方向处是影响焊点的机械力，是提供工艺效果有用的检查点。而它在组装工艺上是影响立碑和阴影效应的重要部分和关系后，我们在设计时就能很好的给予尺寸方面取舍的决定。有例如我们了解到矩形元件各端点两侧只提供未必需要的额外机械强度，而它又是决定回流时浮动效应(引起立碑的成因之一)时，我们可以在小元件上放弃这两铡
8、的焊盘面积来换取较高的工艺直通率。6.5焊盘尺寸的推算焊盘尺寸的初步推算，应该考虑元件尺寸的范围和公差，焊点大小的需要，基板的精度和稳定性和厂内的工艺能力(如定位和贴片精度等)。推算的公式内应该包含这些因素的考虑。让我们来看以下的例子。在焊盘尺寸X的考虑上，为了确保端点底部有足够的焊接面，我们采用了元件范围中最长的L值，加上品质标准中所需的端点焊点(0.3mm或元件端点高度的1/3)，再加上贴片精度的误差(注：有些认为回流时元件会自动对中而不考虑，这种做法不当。因为不是在任何情况下都会自动对中，而且即使能自动对中，在对中前会产生中贴偏而不利工艺的其他问题)。此外因基板尺寸误差在制造时是以只允许
9、大而不可小的指标来控制的(见以上2.1一章)，所以基板的误差可以不加在公式内。因此，X的推算总结如下：X最小值=L最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度X最大值=L最大值+1.5X元件端点高度-2X贴片精度注：焊盘延伸长度超过元件高度的1.5倍时容易引起浮动立碑问题。对于D的考虑，为确保有足够的端点底部焊接面，采用了元件S的最低值，减去品质标准中所需焊点大小。成为：D最大值=S最小值-2X优良焊点的延伸由于在质量观点上元件底下内部焊点不是很重要，此处的贴片精度和焊点保留区可以同时考虑(包括在一起)。用户也可以采用：D最大值=S最小值-2X贴片精度一般以上的抉择是看那一个公差较大而定。D最
10、小值的考虑点是焊球问题，但可以提供丝印钢网的设计来补偿。一般在设计D尺寸时用以上的公式而不找其最小值(没额外的好处)。Y值的考虑和X值类似。但无需考虑最大值，因为延伸以下的焊盘没有什么意义。Y最小值=W最大值+2X优良焊点所需的延伸+2X贴片精度由于从W值再向外延伸的焊盘尺寸，对元件的寿命和可制造性没有什么更有益的作用，而缩小这方面的尺寸对元件回流时的浮动效应有制止的作用，许多设计人员因此将焊盘的Y值方面不加入这方面的值，甚至还有为了更强的工艺管制而使用稍小于W值的。对于小的矩形(0603或更小)可以考虑此做法。以上是以矩形为例子，用户该做到的是了解焊点的作用细节，了解尺寸和工艺方面可能发生的
11、误差，那不管是什么引脚，什么封装的元件焊盘都能较科学的推算了。6.6绿油(阻焊层)的考虑对于绿油无覆盖框的尺寸考虑，主要是看基板制造商在绿油工艺上的能力(印刷定位精度和分析度)而定。只要保留足够的孔隙确保绿油不会覆盖焊盘和不会因太细而断裂便可以了。一般采用液态丝印绿油涂布技术的，约需保留0.4mm。而采用光绘绿油涂布技术的，则只需约0.15mm的间隙。最细的绿油部分，丝印技术应有0.3mm而光绘技术应有0.2mm。6.7占用面积占用面积指的是不能有其他物件的范围。这方面的考虑是要确保检查(光学或目视)和返修工具和工作所需的空间。设计人员应先了解厂内所采用的返修和检查方法和工具后再进行制定此规范
12、。7.0基板设计和元件布局基板设计可以从基板如何在自动化设备中处理开始。比如设备自动传送带所需的留空宽度、基板在每一处设备中的定位方式和需求(如边定位需要一定的厚度和平整度等等)、定位孔的位置、形状和尺寸要求之类的，都应该给予清楚的定下。以免设计出的产品不适合处理或在处理中会有对质量和效率不利的现象。7.1定位孔基板的定位孔，如果是用做基准对位用途和不只是固定的作用的话，设计时只应该在基准孔上是正圆形的。一般设备的定位针都有两根，所以定位孔也最小有两个。除了基准孔外，另外的孔就不应该是正圆形。而应该是在基准孔同一方向上延伸式的设计。此外，为了避免错位时损坏基板，可考虑把孔在基板的对边也开出对称
13、的设计。如果基板尺寸是正方形的，那也许得确保四便对称。注意这里所要防止的是基板因错位而被损坏，自动设备应该还要有能力辨别错位而停止进行无谓的加工。7.2基准标点基准标点是供自动化设备做自动对位用的，按精度需求可采用板基准(Panelfiducial或Globalfiducial)、电路基准(Circuit或Imagefiducial)、或个别基准(Localfiducial)。在不采用拼板设计上(即每一块板是一个线路)，前两者是相同的。对于尺寸较小、精度要求不高的基板，则最后的个别基板可以不被采用。值得注意的是，采用基准点对中是未必需要的。所以设计时加以给予考虑。基准点的形状可以是有很多种。设
14、备供应商常说其设备可以处理各种各样的基准图形，甚至可采用焊盘图形。其实多数的设计对不同的图形都有不同能力的。为了做到最好(准确和稳定)，设计人员应对厂内设备对不同图形的识别和计算能力有足够的了解。并采用相应最优化的图形做为基准点。为了达到最准确，基准点的位置最好是在基板的对角上。并且距离越远越好。基准点的数量也重要。最少两点。但如果要处理非线性的补偿则必须要有三点(应该确保所使用设备的补偿计算有此功能)。还可采用第四点做为后备用途的(也需确保设备能处理)。基准点对基板在设备中的机械定位基准面(如板边或定位孔)不应该有相同的距离。最好是相差超出一个设备的视觉范围FOV之外。这样能用做错位时分辨工
15、作。为了确保有足够和良好的光学反差，基准点的平整度应给予关注。如果基板采用热风整平技术的，基准点应该设计的较大。OSP或镀金技术较受推荐。绿油不可覆盖基准点，以免造成反差不良。基准点周边也应该有足够的空位，以免布线或绿油等影响识别的稳定性。有一种好的做法是在基准位置的下方(基板背后或内层)设置足够大小的铜片来增加反差。基准点的位置，也应该被用做是整个基板坐标的零点。许多设计还是采用板的一角等做为零点。这样的做法对日后的工艺管制没有帮助。7.3标记基板的布线和元件布局经常会留有空位，这些空位可以用来印刷些有用的资料。常见的有产品型号、改进标号、基板制造商号和批号、线路标号等。如果有采用条码标记的
16、，应该考虑到条码的大小和位置(如果是自动化的还得考虑设备限制)。7.4元件布局元件的布局可以影响以后的工作效率，如检验和返修工作等。在有能力的情况下，设计人员应该尽量做到以下的布局法：1.元件方位的标记(尽量做大同类封装元件方位一样)。2.以同功能的线路集中在一起并印下方框。3.同类封装元件的距离相等。4.所有元件编号的印刷方位相同。拼板的做法很多时候值得考虑。拼板有以下的好处：1.对元件少的板，可以通过加长贴片时间来提高贴片机的使用效率。2.对太小的基板提高其可处理性。3.改变异形(非正方或长方形)板或外形比不佳的板子外形，增加效益和可处理性。4.对从面回流技术的板，可以通过正方拼来提高整体
17、生产的效率。设计元件的方位时，除了以上通过第6章中提到的热处理考虑外，还得注意方位对组装工艺是否有不良的影响。如在波峰焊接工艺中，许多IC的方位对工艺的成功率都有些影响。除非在焊盘设计上有能力做到十分完善的补偿，否则在元件布局时应尽量采用最佳方位来布局。7.5接通孔接通孔在产品的寿命故障上也是主要问题之一，在设计上也有些可以照顾到的地方。较常见的问题是接通孔镀层的断裂而最终导致开路现象。断裂的现象常出现在接通孔的内壁中间和孔上下面的转弯处。孔内壁中间的问题是由于基板制造时镀金属的工艺做的不好。而在转弯处是热循环造成(FR4基板的垂直温度膨胀系数较水平面的要高得多)。虽然这些的和基板的制造工艺有
18、关，但不良的设计使基板的可制造性差而引起问题是常见的事。接通孔的镀金工艺是否能做得好，除了制造商的工艺能力外，和接通孔的尺寸也很有关系。比如一般的工艺，对小于0.5mm孔径和外形比(孔深对孔径)大于3的接通孔尺寸，是较难有很可靠的工艺成果的。所以为了确保较可靠的产品，设计接通孔时就必须注意到这些。镀层的厚度应该要求在25至40um之间。为祢补这方面的不足，有一个有效的做法是将接通孔完全充填。因为这样有可能使应力更集中而缩短寿命。因为接通孔具有吸锡的能力，因此接通孔的位置设计应该尽量避免太靠近焊盘和看不见的元件封装底部。7.6测试方面的考虑测试，虽然本意是用来确保产品是合格的，但应用不当却会伤害
19、产品的寿命。所以在设计产品时不得不小心加以考虑。测试用的探针对产品不利，但很多时候我们还得借用它。尤其是在ICT(在线测试)上使用的特多。飞针式的测试，在对产品的破坏危险性上较小，但因为目前的速度还不理想而常常还是由针床式治具时，因为探针的数目可能相当可观，而每一探针都需要一定的力度来确保可靠的电气接触性，其总压力可以是十分大的。如果加上压力的分布不均等问题，是有可能给测试中的产品造成内在的破坏，缩短其服务寿命。为了减少这方面的破坏，应该在设计测试点时使其均匀的分布在整个基板面上，采用虚设测点，采用正反面平衡测点或足够的支撑和下压柱等等技巧。虽然占用在方，但应该尽量采用个别的测试点而不是采用元
20、件焊盘或元件引脚做为测试点。在密度较大的组装板上可以考虑使用接通孔兼测试点做法以及双面测试。测试点的大小应看治具和探针的精度而定，采用压缩距离较短的探针有利于精度的提升。探测点可以考虑用方法来取代一般的圆形，可以考虑用六或八边形的探测点，方便辨认区别。由于探测点都不能有绿油覆盖，要注意他们对邻近焊盘的影响。探测点的布置最好是采用标准的栅阵排列(即坐标间距跟随一定的标准)，这样可以方便日后测点的改变和针床治具的重复使用或修改。8.0设计文件档案一个产品开发出来后，有一套随着而生的重要文件档案。这些文件包含了各种在制造、品质管理、采购、改进、和返修工作中需要的资料。如线路图、Gerber档案、物料
21、清单、组装文件等等。在种种关系到设计工作的文件档案中，在以前较不被注重的是工艺的材料规范、合格供应商资料和物料清单中的一些资料。这些曾被忽略的文件档案，在目前的先进管理上是不可不利用他们的。工艺和材料规范档案，应该最少包括五个重要的组成部分。分别为：1.元件组装资料档案；2.基板材料和工艺规范；3.工艺材料规范；4.工艺规范；5.品质规范和标准。以上五者都必须整合开发，并使用在设计规范的参考上。合格供应商管理档案中，也应该包括了四个重要的组成部分；1.和用户本身有关的所有元件封装和组装上的初步资料；2.经过鉴定的合格封装详细资料；3.供应商的能力的评估记录；4.合作和独立的改进计划和进展记录(
22、包括管理和技术、质量等全面的)，元件未来发展计划。在传统的物料清单(BOM),一般只具备的资料有元件编号、元件封装称号、元件名称简述、单一产品是所需元件的数量、和元件参数值几种。由于市面上元件的标准化还缺乏完整性。我们常可以发现采购中出现的问题(这完全符合设计和生产的要求)。其更正成本和时间往往相当可观。为了避免以上的问题发生，在BOM资料中有两个新成员是应该被加入的。其一是元件的详细封装资料(如尺寸和温度时间限制等)和优选的供应商清单。另一是基板的详细指标规范。在竞争日趋激烈的情况下，目前许多工厂都较重视产品的推出时间性。要提高这方面的能力，技术整合、标准化和不断学习的做法是重要的。而这种做法的效益，在相当大的程度上有赖于信息的准确性和及时沟通。从本讲座中所学到的，我们可以意识到在信息上的未来特性，我们有必要考虑借助现今发达的信息资讯技术，考虑将我们的信息高程度的电脑网络化。电脑网络化可以带给我们许多好处，如减少重复的修改和输入工作，也因此节省时间而较能及时化，也同时减少输入量犯错的机会，有可以通过电脑软件进行有效的控制和利用电脑的许多计算和处理能力。