DFM理论及实际应用2

作者：薛广辉

笔者曾就业的公司有个理念是“走出实验室、没有高科技，只有执行的纪律”。这要求制造从业者生产过程中100%执行工艺文件要求。当制造业者100%执行了工艺要求，产品仍出现品质瑕疵或失效，责任归结于工艺不良或产品设计不良，其中产品设计不良的影响尤为严重。譬如智能手机生产，如果BGA不做底部填充加固处理，无论焊接工艺多么完美，1.5米滚筒实验300次总是会出现焊点断裂现象。再如设计一架大载重运输机，无论设计的多么理想，实际飞机发动机无法匹配其设计需求，这种设计就属于不合格设计。产品设计者需考虑实际生产过程中的可执行性与生产效益，过多的不合理设计要求人工克服作业，相当于一部智能手机生产需要500个人手工完成，每部手机成本高达5万RMB，这种也属于不合格设计。产品设计者输出的结果，大部分工厂正常作业都可以做到并获得很高的一次性良品率，这种设计称谓产品设计具备可制造性，业界称谓可制造性设计，英文简写为DFM。笔者举例说明，抛砖引玉供同仁参考。

@ QFN底部焊盘焊接要求

QFN对应PCB中间散热焊盘设计常用的方案有八种如图1：

1.电镀填铜作平

2.树脂塞孔电镀作平

3.阻焊正面半塞孔

4.阻焊反面半塞孔

5.电镀通孔

6.散热焊盘分切

7.散热焊盘中间挖大尺寸电镀通孔+电镀通孔

8.其它如不规则散热焊盘

图1

1电镀填铜作平的QFN中间散热焊盘，钢板开孔遵守以下规则：

--散热焊盘钢板开孔分切为小块，形状不限，每块面积不大于周边功能脚焊盘的5倍，推荐功能脚钢板开孔的3倍以内；

--小块数量越多越好；

--中间散热焊盘不得使用局部加厚处理。

2树脂塞孔电镀作平PCB, 中间散热焊盘钢板开孔遵循原则与1相同，需要注意的是，分切架桥尽量在树脂塞孔区域，以防止树脂塞孔缺陷导致焊接时大的气泡产生。计时可以参考PCB设计文件如Geber file以确定树脂塞孔位置或使用X-ray对裸板检测确定树脂塞孔位置。

3阻焊正面半塞孔的设计不推荐使用：不利于散热，不利于焊接，无益于焊点可靠性，不推荐使用。

4阻焊背面半塞孔的设计与3相同，不利于散热，无助于焊点可靠性提升，虽然正面通孔可以被焊锡润湿，但会出现孔与焊盘抢锡现象，导致焊接空洞；半塞形成的盲孔，不利于焊点内气泡逃逸，同时会增加焊点气泡的生长。不推荐使用。3&4钢板开孔注意事项：

--散热焊盘钢板开孔分切成小块，小块形状不限制，每块面积不大于周边功能脚焊盘的5倍，推荐功能脚钢板开孔的3倍以内；

--小块需避开via并与via保持一定距离；

--小块数量越多越好；

--中间散热焊盘不得使用局部加厚处理。

5电镀通孔方案对QFN中间散热焊盘设计而言是既经济又实惠的做法，电镀通孔既可以散热，又利于焊接时焊点内气泡逃逸。但实际使用过程中有时会出现焊锡流入孔内导致散热焊盘少锡，甚者影响背面焊点的现象。于是才会油墨半塞孔3&4存在并被使用，本质上是对PCB制造工艺及PCBA焊接工艺未作统筹考虑的结果。QFN工作过程中发热，热量通过焊锡传递给PCB焊盘，焊盘通过铜箔传递给通孔，通孔将热量传出以维持器件本体合适的温度，所以散热焊盘通孔结构是必须的。焊接时要保证有效的焊接面积，以利于器件本体热量通过焊锡传递给PCB；PCB要保持一定数量的通孔结构，以确保热量可以有效传出。1电镀填铜&2树脂塞孔+电镀作平散热焊盘可以很好的满足散热要求及焊接工艺要求，3&4方案不利于散热及焊接，是性价比最高的方案，散热焊盘设计多少通孔，通孔尺寸多大是关键所在。通孔数量过少，影响散热；通孔数量过多，影响有效焊接面积；通孔尺寸过大，影响有效焊接面积，小的通孔尺寸，需要使用激光钻孔，价格较高。使用机械钻孔方案，部分PCB厂技术能力做不到，图3.2.10-5是散热焊盘通孔设计不合适的典型产品。考虑PCB工厂加工能力及成本，建议散热焊盘通孔尺寸为0.2mm，考虑器件散热需求，建议孔节距（Pitch0.5mm~0.7mm）。PCB散热焊盘设计符合此规范的PCB，钢板开孔设计要求如下：

--散热焊盘钢板开孔需避开通孔并与通孔保持一定距离如30um~100um，开孔形状不限定；

--钢板开孔小块越多越好；

--中间散热焊盘不得使用局部加厚处理；

--四周开孔形状可以灵活变化。

如图3-1是部分钢板开孔不合理情形，方案简述如下：

图3-1中间接地焊盘分切合理，但未避开via孔；

图3-2中间接地焊盘未避开via，开孔数量太少；

图3-3中间接地焊盘分切合理，但未避开via, 小块总体数量偏少，中间未开孔；

图3-4中间接地焊盘锡膏量过大；

图3-5中间接地焊盘钢板开孔未避开via；

图3-6中间接地焊盘钢板开孔分切后单块面积远大于四周功能脚焊盘面积；

图3-7中间接地焊盘开孔未避开via, 未考虑焊锡熔化时器件平衡问题；

图3-8中间接地焊盘分切合理，但分切后小块总体数量太少；

图3-9中间接地焊盘钢板开孔分切合理，但未避开via；

图3-10中间接地焊盘钢板开孔分切合理，但分切后小块数量太少；

图3-11中间接地焊盘钢板开孔未避开via，分切效果一般；

图3-12中间接地焊盘钢板开孔单块面积远大于四周功能脚焊盘面积，分切不合理。

图2

图3：典型的QFN 钢板开孔不合理情形

良好的设计是前提，制造端优秀的工艺当然也很重要。良好的设计配合优秀制造工艺，才能确保产品生产成本低、效率高、品质佳、交付快。

@钽质电容焊盘设计准则

1210尺寸以下的片式元件如果平行于钽质电容放置，需距离钽质电容5mm以上。

1210尺寸以下的片式元件如果垂直于钽质电容放置，需距离钽质电容1mm以上。

钽质电容距离BGA元件5mm以上. 图4钽质电容PCB layout规则。

钽质电容PCB Layout时之所以如此要求，是因为业界著名的公案“钽质电容腰气”。钽质电容生产制造时，烧结材料反应不彻底，SMT制程中Reflow高温环境下钽质电容材料裂解产生气体吹出，将距离较近的元件吹离应有的位置。如果钽质电容距离BGA较近，焊锡熔化时被钽质电容吹出气流影响，严重者会出现部分锡球移位，出现既短路又虚焊现象。笔者用两个案例说明一下钽质电容PCB layout规则的应用。

图4：钽质电容PCB layout 规则

图5 ：钽质电容吹气导致Chip 件焊接异常

-钽质电容Layout规则1：Chip件距离钽质电容的要求。

某产品0603表贴元件Reflow后出现偏位、缺件现象。Reflow前有AOI确认锡膏印刷、元件贴装均正常；人工Reflow前二次确认20pcs产品锡膏印刷、元件贴装正常，Reflow后仍出现缺件偏位现象。不良率约10%。观察不良板，缺件、偏移元件紧靠钽质电容。不贴装钽质电容生产100pcs,无chip件缺件、偏移现象不良，确定产品缺件、偏移是钽质电容引起。观察钽质电容发现其本体有裂缝出现。图5钽质电容吹气导致Chip件焊接异常。更换钽质电容生产，此现象消失。

此类钽质电容导致的小元件焊接异常，本质上元件吹气所致，但钽质电容吹气不可避免，所以要求PCB layout时预防此现象发生。如果工厂出现此类现象，又没有钽质电容可以更换使用，生产线临时克服方案为：增加印刷锡膏厚度；‚元件贴装时钽质电容刻意向远离小元件方向偏移；ƒ小元件贴装时降低贴装高度，将元件压入锡膏；„调整Reflow炉温，拉高均温温度，降低焊接峰值温度。以上四个对策同时执行，可以克服大部分钽质电容吹气导致的小元件移位、立碑、虚焊现象。

-钽质电容Layout规则2：BGA距离钽质电容的要求。

某产品Reflow后出现BGA固定位置BGA焊点既短路又虚焊现象，图6钽质电容导致的BGA焊接异常。虚焊的常用对策有增加锡膏量，短路的常用对策有降低锡膏量，SMT同仁遇到此类矛盾现象时不知道该增加锡膏量还是减少锡膏量。观察不良品，发现所有不良出现位置固定。该产品上相同的BGA有四颗且为同一卷料，仅有一颗位置出现异常，所以可以排除来料不良。不良出现在固定BGA的固定角落，分析发现该位置附近有钽质电容存在，图7钽质电容Layout与BGA焊接异常。不贴装此钽质电容，BGA焊接正常。观察异常板面上钽质电容，发现钽质电容本体存在明显裂缝。生产线临时克服方案为: 元件贴装时钽质电容刻意向远离BGA方向偏移；‚调整Reflow温度曲线，拉高均温温度，降低焊接峰值温度。以上两个对策需同时使用方可见效。

钽质电容腰气现象是业界著名公案，且大部元件制造商判定吹气现象不影响元件电气特性。预防此类现象导致的焊接异常，最有效的方案是PCB layout时遵守钽质电容焊盘设计规则。不做设计预防，一味的要求人工手焊钽质电容以克服腰气现象，不在正常企业的选项内，毕竟防火优于救火。