PCBA组装设计的波峰焊接(Wave soldering)DFM要求(一）

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一、 现代电子装联波峰焊接技术特征

1、 现代电子装联波峰焊接技术

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现代电子装联技术与传统电子装联技术的本质上的不同，就在于前者的发展是围绕SMT这一主线来展开的。同样，现代电子装联波峰焊接技术与传统的波峰焊接技术的区别，就在于前者已不再是单纯的THT（穿孔安装）和单纯的SMT的焊接问题了，而是更复杂的SMT和THT混合组装的焊接问题。因此，对印制电路板组装件（以下简称PCBA）的组装设计的可制造性（以下均简称DFM）问题就变得越来越突出和重要，它已成了危及现代PCBA波峰焊接质量和生产效率的重要因素，严重情况下甚至会导致设计的产品根本无法制造出来。在生产中，这样的案例不胜枚举，特别是在一些从事电子产品代工的OEM公司中，反映更为强烈。

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2 良好的DFM对PCBA生产的重要意义

DFM主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。

众所周知，设计阶段决定了产品80%的制造成本。同样，许多质量特性也是在设计时就固定下来了。因此，在设计过程中充分考虑制造因素是非常重要的。

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良好的DFM是PCBA安装组件制造商降低制造缺陷、简化制造过程、缩短制造周期、降低制造成本、优化质量控制、增强产品市场竞争力、提高产品的可靠性和耐用性等的重要途径。它可以使企业以最少的投入取得最好的效益，达到事半功倍的效果。

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表面组装件发展到今天，要求SMT工程师不仅要精通设计技术，更要对SMT方面的工艺有深入的了解和丰富的实践经验。因为一个不懂得焊膏和钎料流动特性的设计师，往往难以理解桥连、拉尖、墓碑、芯吸等现象发生的原因和原理，也就很难下功夫去合理设计焊盘图形，很难从设计的可制造性、可检测性以及降低成本和费用的角度去处理各种设计问题。一个设计完美的方案，如果DFM、DFT（可检测性设计）不良，将要花费大量的制造、检测成本。即使这个产品能制造出来，那它又有什么市场竞争力呢？

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SMT是一门综合性极强的新兴技术，它的技术内涵比THT要丰富得多，要求设计师具有的相关知识面也比THT广泛得多。它对工艺设备、工艺经验、被安装的元器件、工艺耗材（焊膏、钎料、助焊剂）等的依存性很大。因此，一个合格的SMT设计师，不仅要懂得设计，还必须是具有丰富的工艺经验、熟悉工艺装备和各种工艺耗材特性的行家。只有这样才称得上是一个合格的SMT设计师。

大量成功的PCBA设计范例表明，只有在设计的初期阶段就把PCBA的可制造性、可使用性、可检测性、制造的经济性、质量的稳定性等进行充分的论证和关注，并贯彻于设计的全过程，才可能实现“零缺陷设计”。而一个企业，也只有这样才能向市场提供真正意义上的性价比高的优质产品。

在工业生产中，由于产品设计的不完善和局限性所引发的产品质量问题，具有批量性的特点，在生产中是很难解决和补偿的，这就是俗话说的“先天不足，后天难补”。

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二、 PCB布线设计应遵循的DFM规则及考虑的因素

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1、 组装加工中PCB面的应力分布

从结构强度观点来看，PCB是一个不良结构件。它把不同膨张系数和具有巨大差别弹性模数的材料装配在一起并承受不均匀载荷。而且，它们都装在一个本身可挠析的层压板上，随着振动及自重而运动。这种结构充满着尖角，增加了许多应力集中之处。况且，PCB包括强度不高的层压板及脆弱的铜箔层均不能承受较大的机械应力。PCB在切割、剪切、接插件安装、焊接过程中的装夹都会因基板过度的弯曲变形而在焊接部造成加工应力，导致元器件损伤（产生裂纹、焊点疲劳等），如下图1～图4所示。

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由于现在还设有一个标准能确定在元器件损伤前允许PCB有多大的翘曲度，但是元器件在波峰焊接过程的应力开裂（如陶瓷电容等）与PCB翘曲度有关，且随基板材料的不同而变化，所以制造和安装中均要求对组装件的翘曲度进行控制和管理。

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2、 元器件的安装布局

元器件在PCB上的安装布局设计是降低波峰焊接缺陷率的极重要的一环。在进行元器件布局时应尽量满足下列要求：

① 元器件布置应远离挠度很大的区域和高应力区，不要布置到PCB的四角和边缘上，离开边缘的最小距离应不小于5mm，如上图1～图4所示。

② 元器件分布应尽可能均匀，对热容量较大的元器件更要特别关注，要采取措施避免出现温度陷阱。

③ 功率器件要均匀地布置在PCB的边缘。

④ 贵重的元器件不要布置在靠近PCB的高应力区域，如角部、边缘、接插件、安装孔、槽以及拼板的切割、豁口和拐角处，如下图1、图2所示。

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⑤ PCB尺寸过大易翘曲，安装时即使元器件远离PCB边缘，缺陷仍然可能产生，因为垂直于应力梯度方向的元器件最容易产生缺陷。因此，应尽量避免采用尺寸过大的PCB。

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3、 安装结构形态的选择

在混合安装中最适合于波峰焊接的安装形态

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随着现代电子产品用PCBA组装结构的高密度化，以往单纯的THT或SMT的安装结构形态已经被THT、SMT混合安装形态所替代，下述三种安装形态已经大量应用。

（1）SMT/THT安装结构

这是目前流行的混合安装中最简单的一种安装结构形式。它工艺流程最短，一般情况下只需采用一次波峰焊接工艺即可完成全部焊接过程。其典型工艺流程，如下图所示。

（2）（THT、SMT）/SMT安装结构

当产品的体积、重量有特殊要求，而且PCBA几何尺寸受到严格限制时，往往采用（THT、SMT）/SMT这种安装结构，其工艺流程目前有下述两种形式：

① A面再流焊，B面波峰焊。其具体工艺流程，如下图所示。

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选择这种安装结构时，应注意把大的SMC/SMD、THC/THD、QFP、PLCC以及不适合波峰焊的元器件布置在A面，而将适合波峰焊的完全密封的较小的SMC（如矩形、圆柱形片式元件）/SMD（如引脚数小于28，引脚间距不小于0.8mm的SOT、SOP）布置在B面。

② A面再流焊，B面再流焊+保护性波峰焊或选择焊。其具体工艺流程如下图所示。

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、电源线、地线及导通孔的考虑

1）电源线、地线

由于PCB上铜箔和基板材料的热膨胀系数及导热速率差异极大，所以在预热和焊接温度下，分布不均匀的铜箔层易使PCB产生较大的变形和翘曲。在设计时应满足下列要求：

● 大面积的电源线和接地线应画成交叉剖面线（在大面积图形中将讨论）。

● 每层上的铜箔图形分布应尽可能均匀一致。

2）导通孔

导通孔的主要作用是实现PCB各层之间的电气互连。由于现在安装密度大幅度提高， PCB不断地向多层化发展，所以导通孔的作用越来越重要，数量也不断增多。在设计中导通孔的布局和要求如下：

● 导通孔的设置应距离安装焊盘不小于0.63mm，不允许将导通孔设置在焊盘区内，以避免焊接过程中钎料的流失。

● 应尽力避免将导通孔设置在SMC/SMD元器件体的下面，以防焊接过程中钎料流失、截留助焊剂和污染物而无法清除。

● 导通孔与电源线或地线相连时，应采用宽度不大于0.25mm的细颈导线连接，细颈线长度应不小于0.5mm，如下图所示。

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5、 采用拼板结构时应注意的问题

采用拼板结构时，若将经过多次安装和焊接的PCB进行分割，靠近转角的边缘区的元器件必然产生较大的扭曲变形，从而附加较大的应力而导致焊点和元器件开裂或裂纹。由于SMC/SMD没有柔性引线来消除PCB产生的机械应力，故更易造成SMC/SMD的损伤。因此，采用预刻线的拼板结构形式（如图7.6所示）可使分板时翘曲变形最小，使元器件所受的应力和缺陷减到最少。拼板的连接和分离可采用双面对刻V形槽，V形槽深度（两面槽深之和）为板厚的1/3左右，要求刻槽尺寸精确且深度均匀，如下图所示。

6 、测试焊盘的设置

设置的测试焊盘应与元器件的安装焊盘分开。对于无源元件，可用宽度为0.25mm的细颈导线将测试盘和元件安装盘分离开；对于有源器件，焊盘可用0.2mm宽度的细颈导线分隔开，其最小间距应大于0.4mm。测试点离元器件本体或安装焊盘的最小间隔应不小于1.0mm，距离任何接插件通孔中心（DIP轴向、柱状插装件）的距离应大于2.5mm。

7 、元器件间距

元器件间距由PCBA的安装密度所决定，元器件间安装间距的大小影响着波峰焊接的缺陷率（桥连），这也是导致生产成本上升的一个重要因素。因此，只要有可能就应尽量取较大的值。设计中其尺寸大小应遵守下述原则：

● SMC/SMD安装焊盘之间及到晶体管焊盘和SOP引线焊盘之间，最小间隔为1.27mm，如下图1～图3所示。
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● 引线中心距为0.3～0.63mm的细间距器件的安装焊盘周围应留出2.5mm以上的间隔。● 插装DIP器件和电阻网络、插座本体与焊盘之间的间隔应大于1.0mm，以利于钎料透孔。● 任何两种不同类型元件间的间隔应大于两种同类元件之间的间隔。● 金属化孔或导通孔的焊盘与SMC焊盘之间的距离应大于1.0mm。
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8、 阻焊膜的设计

不适当的阻焊膜设计将导致下述两种缺陷：

① 阻焊掩膜与布线图配准不良，从而导致湿膜塌落而使焊盘表面和周围污染，造成焊点吃锡不良或大量的钎料球。

② 阻焊掩膜过厚，超过PCB铜箔焊盘厚度，再流焊时便形成吊桥或开路，如下图所示。

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从波峰焊接工艺性考虑，阻焊膜的设计应遵守以下原则：

① 在两焊盘之间无导线通过时，可采用阻焊掩膜窗孔形式，如下图（a）所示。当两焊盘间有导线通过时，则应采用如下图（b）所示的形式，以防止桥连。

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② 当有两个以上靠得很近的SMC的焊盘共用一段导线时，应用阻焊膜将其分开，以免钎料收缩时产生应力使SMC移位或拉裂，如下图所示。

9、 排版与布局

① 选用较大尺寸的PCB面时，由于翘曲和质量的原因将导致波峰焊接输送困难，所以应尽量避免使用大于250mm×300mm的板面。根据各公司自己的产品特点，尺寸应尽量标准化，这样有助于缩短生产工序间调整及重新摆放条形码阅读器位置等所导致的停机时间。

② 可在PCB的废边上安排测试电路图样（如IPC—B—25梳形图案），以便进行工艺控制，在制造过程中可使用该图样监测表面绝缘电阻、清洁度及可焊性等。

③对于较大的PCB面，应在中心留出一条通道，以便波峰焊接时在中心位置对PCB进行支撑，防止板子下垂和钎料溅射，有助于确保板面焊接的一致性。

10、 元件的安放

① 相似的元器件在板面上应以相同的方式和方向排放，这样可以加快插装速度且更易发现错误。

② 尽量使元器件均匀地分布在PCB上，以降低波峰焊接过程中发生翘曲，并有助于使其在过波峰时热量分布均匀。

③ 应选用根据工业标准进行过预处理的元件。因为元件准备是生产过程中效率最低的环节之一，它不但增添了额外的工序，增加了静电损坏风险，还增加了出错的机会。

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DFM主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化