【正文】 電子產(chǎn)品可制造性設(shè)計(jì) 1 20201217 10:50 可制造性設(shè)計(jì)概念 不論是您公司從事的是什么產(chǎn)品，不論您的顧客是內(nèi)部或是外部顧客，他們對(duì)您的要求都可說(shuō)是一致的。他們的要求都離不了三方面。即優(yōu)良或至少滿意的品質(zhì)、相對(duì)較低的成本 (或價(jià)格 )、和較短而及時(shí)的交貨期。而身為一個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)人員，您對(duì)以上的三個(gè)方面是絕對(duì)有影響和控制能力的。目前新一代的設(shè)計(jì)師，他們的職責(zé)已不是單純的把產(chǎn)品的功能和性能設(shè)計(jì)出來(lái)那么簡(jiǎn)單，而是必須對(duì)以上所提到的三方面負(fù)責(zé)，并做出項(xiàng)獻(xiàn)。 為什么現(xiàn)今的管 理對(duì)設(shè)計(jì)師在這方面的表現(xiàn)特別重視呢？主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)是整個(gè)產(chǎn)品壽命的第一站。在效益學(xué)的觀點(diǎn)上來(lái)說(shuō)，問(wèn)題越是能夠越早解決，其成本效益也就越高，問(wèn)題對(duì)公司造成的損失也就越低，在電子生產(chǎn)管理上，曾有學(xué)者做出這樣的預(yù)測(cè)，即在每一個(gè)主要工序上，其后工序的解決成本費(fèi)用為前一道工序的 10倍以上，例如設(shè)計(jì)問(wèn)題如果在試制時(shí)才給予更正，其所需費(fèi)用將會(huì)較在設(shè)計(jì)時(shí)解決高出超過(guò) 10 倍，而如果這設(shè)計(jì)問(wèn)題沒(méi)法在試制時(shí)解決，當(dāng)它流到再下一個(gè)主要工序的批量生產(chǎn)時(shí)，其解決費(fèi)用就可能高達(dá) 100倍以上。此外，對(duì)于設(shè)計(jì)造成的問(wèn)題，即使您廠內(nèi)擁有最好的 設(shè)備和工藝知識(shí)，也未必能夠很完善的解決。所以基于以上的原因，把設(shè)計(jì)工作做好是門很重要的管理。所謂把設(shè)計(jì)做好，這里指的是包括產(chǎn)品功能、性能、可制造性和質(zhì)量各方面。 SMT 是門復(fù)雜的科技。因此目前的設(shè)計(jì)師也面對(duì)許多方面的壓力。身為一個(gè) STM 產(chǎn)品設(shè)計(jì)師，他必須對(duì)很多方面如元件和組裝壽命等等數(shù)十種科目具備一定的知識(shí)。許多這方面的問(wèn)題都是以往插件技術(shù)中不必加以考慮和照顧的，但如今卻成了必備的知識(shí)。所以當(dāng)今的設(shè)計(jì)師，他們應(yīng)該具備的知識(shí)面，已不能像以往處理電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)的范圍一樣。而本講座中談到的 DFM 技術(shù)，也正 是當(dāng)今SMT 設(shè)計(jì)師必備的知識(shí)之一。 目前在工業(yè)界里，幾乎沒(méi)有人不談 ‘ 品質(zhì) 39。管理的。先進(jìn)管理觀念強(qiáng)調(diào)，品質(zhì)不是制造出來(lái)，而應(yīng)該是設(shè)計(jì)出來(lái)的。這觀念有其重要的地方，是使用戶從以往較被動(dòng)的關(guān)注點(diǎn) (生產(chǎn)線上 )移到較主動(dòng)的關(guān)注點(diǎn) (設(shè)計(jì)上 )。但說(shuō)法不夠完善。嚴(yán)格和具體來(lái)說(shuō)，品質(zhì)既不是生產(chǎn)來(lái)的，也不是單靠設(shè)計(jì)來(lái)的，而應(yīng)該是配合來(lái)的。好的品質(zhì)是通過(guò)良好的設(shè)計(jì) (配合工藝和生產(chǎn)能力的設(shè)計(jì) )，優(yōu)良的工藝調(diào)制，和生產(chǎn)線上的工藝管制而獲得的。而這三者又是需有良好的品質(zhì)管理理念、知識(shí)、系統(tǒng)和制度來(lái)確保的。 要確保產(chǎn)品高 而穩(wěn)定的品質(zhì)、高生產(chǎn)效率和低生產(chǎn)成本、以及準(zhǔn)確的交貨時(shí)間，我們的生產(chǎn)線必須要有一套所謂的 ‘ 堅(jiān)固工藝 ’(Robust Process)。而堅(jiān)固工藝是必須通過(guò)設(shè)計(jì)、工藝能力、和設(shè)備性能之間的完好配合才能實(shí)現(xiàn)的。所謂堅(jiān)固工藝，是指其對(duì)外界各種影它表現(xiàn)的因素的靈敏度很低。也就是說(shuō)，對(duì)這些因素的大變化，其整體效果還是穩(wěn)定不變或只限于合格范圍內(nèi)的變動(dòng)。 在我們計(jì)劃引進(jìn)一條生產(chǎn)線時(shí)，我們必須確保此生產(chǎn)線能處理我們所要制造的產(chǎn)品范圍。但當(dāng)我們有了生產(chǎn)線后，我們則應(yīng)該盡力使我們的產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能適用于此生產(chǎn)線上制造。這便 是可制造性設(shè)計(jì)的基本理念。 ‘ 堅(jiān)固的工藝 ’ 是相對(duì)的，所以一套設(shè)計(jì)規(guī)范也是有其針對(duì)性的。它在某一生產(chǎn)環(huán)境下 (設(shè)備、管理、材料、工藝能力、品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn) )也許是 ‘ 堅(jiān)固 ’ 的，但在另一個(gè)環(huán)境下卻可能變得不 ‘ 堅(jiān)固 ’ 。因此，設(shè)計(jì)的好與不好，也是有它的特定性。用戶必須了解和牢記這一點(diǎn)。 產(chǎn)品壽命，是另一設(shè)計(jì)上應(yīng)該注重的地方。由于產(chǎn)品在服務(wù)期內(nèi)會(huì)受到各種不同的環(huán)境壓力 (如熱變化、機(jī)械振動(dòng)等等 )，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須確保在這方面能經(jīng)得起使用環(huán)境中會(huì)遇上的各種壓力。另一個(gè)要照顧到的是制造方面，可制造性和壽命有什么關(guān)系？一個(gè)設(shè) 計(jì)得非常難組裝的產(chǎn)品，其對(duì)服務(wù)壽命的威脅一般也較大，而制造工藝上的小變化常常也會(huì)縮短其服務(wù)壽命。比如一個(gè)熱處理做得不好的設(shè)計(jì)其制造過(guò)程中所受到的焊接熱沖擊會(huì)較大，因溫差較大使焊點(diǎn)的可靠性也不容易得到保證。這就影響了此產(chǎn)品的壽命。 產(chǎn)品壽命的設(shè)計(jì)考慮，始于對(duì)產(chǎn)品壽命的定義。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該定下和壽命有關(guān)的一切條件，如壽命期 (多少年？ )、允許的故障率、故障定義、維修保養(yǎng)政策、使用環(huán)境條件、驗(yàn)證方法等等。再?gòu)氖褂铆h(huán)境條件的定義下設(shè)計(jì)產(chǎn)品的壽命測(cè)試方法、選擇元件材料、選擇設(shè)計(jì)規(guī)范，并通過(guò)壽命測(cè)試來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工藝等等。 影響壽命的因素很多，可分為主因素和次因素兩大類。主因素如元件引腳種類、元件的大小、元件和基本的匹配等等，這些對(duì)壽命的影響較明顯嚴(yán)重。次因素雖然單獨(dú)的影響不是很明顯嚴(yán)重，但幾種次因素的作用加起來(lái)，其整體作用也可以是相當(dāng)可觀的。這方面的例子如焊點(diǎn)的形狀、成品的保護(hù)涂層(conformal coating)、基板的外形比等等。在影響產(chǎn)品壽命的種種因素之中，熱處理的考慮應(yīng)該算是 SMT 應(yīng)用中最重要的一部分。因?yàn)樵?SMT應(yīng)用上，許多和壽命有關(guān)的問(wèn)題都是和熱處理有關(guān)。它同時(shí)也是影響可制造性的重要因素， 所以在熱問(wèn)題的考慮上，用戶應(yīng)該同時(shí)兼顧到制造工藝上和產(chǎn)品壽命上的問(wèn)題。另外一個(gè)對(duì)熱處理關(guān)注的原因，是絕大多數(shù)使用在電子產(chǎn)品上的，他們的性能都會(huì)隨溫度 (即關(guān)系到熱處理 )而發(fā)生變化的，輕則性能不穩(wěn)定，重則可能失效 (暫時(shí)性 )或甚至被損壞 (永久性 )。 我們了解到設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)我們的產(chǎn)品壽命 (即質(zhì)量 )、成本和交貨期都有影響，那我們?cè)摬捎檬裁丛O(shè)計(jì)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)呢？我們可以發(fā)現(xiàn)，公開(kāi)市場(chǎng)上有不少類似 IPC 等機(jī)構(gòu)推薦的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。他們之間都有差別，加上各大電子廠也都有自己本身的一套規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)可謂五花八門。他們之中那一個(gè)較好呢 ？為什么大電子廠采用如 IPC 這類世界有聲望機(jī)構(gòu)推薦呢？而我們是否可以采用呢？首先我們必須了解和認(rèn)同的一點(diǎn)，是 SMT 工藝是門復(fù)雜的科技學(xué)問(wèn)，在 SMT應(yīng)用工作中，常出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題現(xiàn)象是由無(wú)數(shù)因素聯(lián)合形成的這一現(xiàn)象。而有效的解決這些問(wèn)題，有賴于我們對(duì)整體的配合能力。這是所謂的技術(shù)整合。由于因素眾多，也隨時(shí)間在改變，所以要找到兩家完全一樣的工廠的機(jī)會(huì)是很微小的。既然設(shè)計(jì)規(guī)范優(yōu)化情況下是必須配合工藝和設(shè)備能力等方面的，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)都有其范圍，越是要優(yōu)化適用范圍就越小。所以如果要很好的使用設(shè)計(jì)來(lái)解決問(wèn)題，一套適用于本 身的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是必須按本身持有的條件而開(kāi)發(fā)的。 產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，應(yīng)該將它當(dāng)成是整個(gè)技術(shù)整合的一部分，而不是單獨(dú)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)工作。把整個(gè)技術(shù)合成一起管理，才能真正做到最優(yōu)化程度，才有可能朝向‘ 無(wú)缺陷 ’ 或 ‘ 零缺陷 ’ 方向發(fā)展。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的初期，設(shè)計(jì)小組應(yīng)該將產(chǎn)品的品質(zhì)和壽命要求定下，如果廠內(nèi)開(kāi)發(fā)多種產(chǎn)品，有需要時(shí)可以按他們之間的不同分成幾個(gè)檔次。各檔次都有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范和工藝、材料規(guī)范來(lái)配合。這些規(guī)范可以是以前開(kāi)發(fā)驗(yàn)證過(guò)的經(jīng)驗(yàn)，也可以是為了應(yīng)付新需求而開(kāi)發(fā)的新規(guī)范。如果是新規(guī)范，設(shè)計(jì)方面也必須確保能夠給予配合，有需 要是或是引進(jìn)新設(shè)備，或是提升改進(jìn)現(xiàn)有的設(shè)備。配合設(shè)計(jì)和工藝規(guī)范的設(shè)備再通過(guò)如 TPM 等的先進(jìn)管理，來(lái)確保其穩(wěn)定性的可靠性。同時(shí)在不斷標(biāo)定的設(shè)備能力工作中使設(shè)計(jì)規(guī)范穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)化。在另一方面，材料的規(guī)范化也應(yīng)該推出相應(yīng)的供應(yīng)商選擇和管制系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)供應(yīng)商能力的要求和評(píng)估來(lái)確保對(duì)工藝和材料方面的配合。廠內(nèi)的技術(shù)水平，由于直接決定廠內(nèi)的工藝管制能力，也是個(gè)必須注意、檢測(cè)和調(diào)整的方面。 由于當(dāng)今設(shè)計(jì)工作范圍和職責(zé)的改變，以及為了應(yīng)付日趨強(qiáng)烈的開(kāi)發(fā)時(shí)間壓力，標(biāo)準(zhǔn)化和資訊管理成了非常重要的管理工作。對(duì)設(shè)計(jì)軟件的要求 ，也不像以往那樣注重現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫(kù)，而是較注重軟件的更改和兼容能力。對(duì)于 CAD和 PDM 等管理軟件和數(shù)據(jù)方面的結(jié)合也開(kāi)始越來(lái)越被重視了。目前產(chǎn)品的更改頻繁，產(chǎn)品的市場(chǎng)壽命較短等現(xiàn)象，使得許多工廠誤入歧途，過(guò)分的注重生產(chǎn)線的靈活性或柔性，而忽略了相等重要的穩(wěn)定性。標(biāo)準(zhǔn)化的推行，可以在這兩者之間獲得一個(gè)很好的平衡。適當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)化有許多成本、質(zhì)量和效益上的優(yōu)勢(shì)，但太多或不當(dāng)?shù)臉?biāo)準(zhǔn)對(duì)柔性和設(shè)計(jì)空間起了限制，所以用戶必須培養(yǎng)能力來(lái)維持這兩者的平衡。 工藝和設(shè)計(jì)的關(guān)系 所謂 SMT 技術(shù)，指的是有關(guān)如何將基板、 元件通過(guò)有效工藝材料和工藝組裝起來(lái)，并確保有良好壽命的一門科技。這其中便有許多種不同的組裝形式和相應(yīng)的工藝做法。由于各種方式都有其優(yōu)缺點(diǎn)和不同的工藝，設(shè)計(jì)師對(duì)這方面知識(shí)的吸收也就成了一件重要的工作。比如說(shuō)單面全 SMT元件回流焊接技術(shù)的組裝板，便具有外形薄和組裝工藝較簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。但其組裝密度還不是很高，以及不能采用插件可能是其應(yīng)用限制。而目前最多被采用的雙面混裝技術(shù)，具有密度較高，能混合采用 SMD 和插件，能發(fā)揮質(zhì)量和成本之間的平衡利益。但卻含必須處理兩道焊接程序的弱點(diǎn)。諸如此類的認(rèn)識(shí)，設(shè)計(jì)師都應(yīng)該擁有，才能在 其工作上發(fā)揮。所以要成為一位非常出色的設(shè)計(jì)工程師，努力學(xué)習(xí)組裝工藝方面的知識(shí)的是重要的。詳細(xì)的工藝不在本講座的范圍之內(nèi)，我們接下來(lái)談?wù)勔恍┏Ｓ霉に嚭驮O(shè)計(jì)方面的關(guān)系。從以下的例子中可以更好的了解到設(shè)計(jì)工作在整體 SMT應(yīng)用中的重要性。 錫膏絲印工藝 這最常見(jiàn)的工藝包括 4 個(gè)主要工序，分別為對(duì)位、充填、整平、和釋放。要把整個(gè)工作做好，在基板上有一定的要求。基板必須夠平，焊盤間尺寸準(zhǔn)確和穩(wěn)定 (即使在經(jīng)過(guò)焊接工作的高溫處理后 )，焊盤的設(shè)計(jì)應(yīng)該配合絲印鋼網(wǎng)，并有良好的基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)來(lái)協(xié)助自動(dòng)定位對(duì)中，此外基板 上的標(biāo)簽油印不能影響絲印部分，基板的設(shè)計(jì)必須方便絲印機(jī)的自動(dòng)上下板，外形和厚度設(shè)計(jì)不能影響絲印時(shí)所需要的平整度等等。這些都必須經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)師的考慮。 另外常見(jiàn)的問(wèn)題是基板上的綠油 (阻焊涂層 )印刷不斷或太厚，銅焊盤的保護(hù)處理選擇不當(dāng) (比如在微間距應(yīng)用上采用垂直熱風(fēng)整平 VHASL 處理，雙回流應(yīng)用中采用不當(dāng)?shù)?OSP 等等 )都應(yīng)該在設(shè)計(jì)時(shí)給予適當(dāng)?shù)目紤]和處理。 絲印鋼網(wǎng)的設(shè)計(jì)，有些工廠目前還是和焊盤設(shè)計(jì)分開(kāi)考慮和進(jìn)行的。這是種不當(dāng)?shù)淖龇ā＿@兩者是息息相關(guān)的，其設(shè)計(jì)指標(biāo)應(yīng)該同時(shí)考慮和進(jìn)行。常見(jiàn)的問(wèn)題是鋼網(wǎng) 的開(kāi)孔被設(shè)計(jì)為比焊盤 CAD 數(shù)據(jù)稍為小些，同時(shí)在 CAD 數(shù)據(jù)上有允許焊盤在 CAD 數(shù)據(jù)上有個(gè)較小的公差 (例如允許有 +/ 值 )。這使得在絲印鋼網(wǎng)上的縮小失去其實(shí)用意義。準(zhǔn)確的做法應(yīng)該是要求基板上焊盤的尺寸公差定為如 ， +(即只允許比 CAD 大而不允許小 )的范圍。鋼網(wǎng)設(shè)計(jì)和制造可以由工藝或生產(chǎn)部門人員來(lái)執(zhí)行，但必須和設(shè)計(jì)部的焊盤設(shè)計(jì)一塊考慮。 點(diǎn)錫膏工藝 如果廠內(nèi)采用的錫膏涂布工藝注射是方式的，在基板上的焊盤設(shè)計(jì)又和絲印有所不同。比如焊盤的長(zhǎng)度應(yīng)該受到更短的限制，銅焊盤的防氧化處 理要求更嚴(yán)格。但對(duì)綠油的要求卻不高。對(duì)于不同元件封裝也應(yīng)該有個(gè)別的考慮。比如J引腳的 PLCC 元件，如果采用一般的做法在每一焊盤上分點(diǎn)兩點(diǎn)錫膏，則