PCB的可生产性设计（DFM）

关于什么是DFx——

DFX，“X”为什么包括这么多鬼！

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成熟工程师与初级工程师的差异：DFx的素养

通过DFX设计提高电子产品的质量与可靠性

·DFM：Design for Manufacture 可生产性设计

DFM的意思是面向制造的设计，Design for manufacturability，即从提高零件的可制造性入手，使得零件和各种工艺容易制造，制造成本低，效率高，并且成本比例低。

就是在设计阶段充分考虑到生产环节可能碰到的困难，而为了减少生产问题，提高生产效率，降低生产成本而进行的设计，这里包括硬件设计也包括软件设计。

一、DFM分析阶段

不同阶段进行DFM分析，取得不同的效果。能在早期发现问题更好。最糟糕的是有些公司并不能认知到：这是一个DFM的问题。

DFM阶段越早，发现的问题就越容易解决，带来的损失也就越小。

DFM不简单指生产本身，与以下其他DFx也是相关的：

二、PCB设计的DFM工艺要求

1、尺寸范围

外形尺寸不得超过设备加工能力

目前常用尺寸范围是“宽（200 mm～250 mm）×长（250 mm～350 mm）” 对长边尺寸小于125mm、或短边小于100mm的PCB，或异形周边凹凸不规则需设计成拼板。

2、外形

板子的外形为矩形，如果不需要拼板，要求板子4 个角为圆角；如果需要拼板，要求拼板后的板子4 个角为圆角,圆角的最小尺寸半径为r=1mm，推荐为r=2.0mm。

为保证传送过程的稳定，设计时应考虑采用工艺拼板的方式将不规则形状的PCB转换为矩形形状，特别是角部缺口最好要补齐。

对纯 SMT 板，允许有缺口，但缺口尺寸须小于所在边长度的1/3，确保PCB 在链条上传送平稳。

对于内圆角，推荐最小半径为0.8mm，如果需要，半径可以小至0.4mm。

对于金手指的设计要求见图所示，除了插入边按要求设计倒角外，插板两侧边

也应该设计（1～1.5）×45° 的倒角或R1～R1.5 的圆角。

3、传送边

从减少焊接时PCB的变形，对不作拼版的PCB，一般将其长边方向作为传送方向；对于拼版也应将长边方向作为传送方向。对于短边与长边之比大于80％的PCB，可以用短边传送。

由于终端单板一般采用拼板设计，一般都采用工艺边作为传输边，工艺边的宽度最窄处一般不能小于4.5mm。

4、MARK 点

光学定位基准符号（又称MARK 点）

Mark点也叫基准点，为装配工艺中的所有步骤提供共同的可测量点，保证了装配使用的每个设备能精确地定位电路图案。因此，Mark点对SMT生产至关重要。

Mark点是电路板设计中PCB应用于自动贴片机上的位置识别点。mark点的选用直接影响到自动贴片机的贴片效率。

一般Mark点的选用与自动贴片机的机型有关。

MARK点形状：Mark点的优选形状为直径为1mm(±0.2mm)的实心圆，材料为裸铜（可以由清澈的防氧化涂层保护）、镀锡或镀镍，需注意平整度，边缘光滑、齐整，颜色与周围的背景色有明显区别。为了保证印刷设备和贴片设备的识别效果，MARK点空旷区应无其它走线、丝印、焊盘或Wait-Cut等。

要求Mark点标记为实心圆；一个完整的MARK点包括：标记点（或特征点）和空旷区域。

1）Mark点位于电路板或组合板上的对角线相对位置尽可能分开，最好分布在最长对角线位置；2）为保证贴装精度的要求，SMT设备要求：在SMT生产的所有产品每PCB板内必须至少有一对符合设计要求的可供SMT机器识别的MARK点，可考虑有单板MARK(单板和拼板时，板内MARK位置如下图所示)。拼板MARK或组合MARK只起辅助定位的作用。

3）拼板时，每一单板的MARK点相对位置必须一样。不能因为任何原因而挪动拼板中任一单板上MARK点的位置，而导致各单板MARK点位置不对称，特殊拼板方式：

①阴阳板时对角MARK位置必须相同②镜像板各MARK位置必须相同.R1=R2

4）PCB板上所有MARK点只有满足：在同一对角线上且成对出现的两个MARK，方才有效。因此MARK点都必须成对出现，才能使用。

尺寸：

1）Mark点标记最小的直径为1.0mm，最大直径是3.0mm。Mark点标记在同一块印制板上尺寸变化不能超过25微米；2）特别强调：同一板号PCB上所有Mark点的大小必须一致（包括不同厂家生产的同一板号的PCB）3）建议RD-layout将所有图档的Mark点标记直径统一为1.0mm；

边缘距离：

1）Mark点（边缘）距离印制板边缘必须≥5.0mm(机器夹PCB最小间距要求)，且必须在PCB板内而非在板边，并满足最小的Mark点空旷度要求。强调：所指为MARK点边缘距板边距离≥3.0mm，而非MARK点中心。

空旷度要求：在Mark点标记周围，必须有一块没有其它电路特征或标记的空旷面积。空旷区圆半径r≥2R, R为MARK点半径,r达到3R时，机器识别效果更好。增加MARK点与环境的颜色反差。r内不允许有任何字符（覆铜或丝印等）

材料：Mark点标记可以是裸铜、清澈的防氧化涂层保护的裸铜、镀镍或镀锡、或焊锡涂层。如果使用阻焊，不应该覆盖Mark点或其空旷区域平整度:Mark点标记的表面平整度应该在15微米[0.0006"]之内。对比度:a)当Mark点标记与印制板的基质材料之间出现高对比度时可达到最佳的性能b)对于所有Mark点的内层背景必须相同

5、定位孔

每一块 PCB 应在其角部位置设计至少两个定位孔

拼板定位孔应有四个，分布四角，定位孔标准孔径为2.00±0.08mm。定位孔中心距离相近的板边为5mm

定位孔旁边的器件或焊盘距离定位孔边的最小距离应至少为 1.5mm

6、孔金属化问题

定位孔、非接地安装孔，一般均应设计成非金属化孔

三、减少工序、减少装配时间

四、直通率

1、定义：一次性达到出货标准的比率。直通率（First Pass Yield, FPY）是衡量生产线出产品质水准的一项指标，用以描述生产质量、工作质量或测试质量的某种状况。具体含义是指，在生产线投入100套材料中，制程第一次就通过了所有测试的良品数量。因此，经过生产线的返工(Rework)或修复才通过测试的产品，将不被列入直通率的计算中。PCB、SMT、装配、生产调测、生产试验，任何一个环节出了问题，都累加在直通率下降的砝码上。FPY= p1 x p2 xp3... 其中 p1,p2,p3等为产线上每个环节的良品率（上一个环节有测试动作，并剔除次品）。2、提高直通的方法：2.1如果发现问题出现在SMT环节A、优化钢网设计（优化PasteMask）我们在生成Gerber文件的时候。需要生成两个MASK（SOLDERMASK、PASTEMASK）SOLDERMASK：阻焊层，就是用它来涂敷绿油等阻焊材料，从而防止不需要焊接的地方沾染焊锡的，这一层会露出所有需要焊接的焊盘，并且开孔会比实际焊盘要大。涂绿油时，看到有东西(焊盘)的地方就不涂绿油即可，而且由于其开孔比实际焊盘要大，保证绿油不会涂到焊盘上，这一层资料需要提供给PCB厂。

PASTEMASK：焊膏层，就是说可以用它来制作印刷锡膏的钢网，这一层只需要露出所有需要贴片焊接的焊盘，并且开孔可能会比实际焊盘小。这样得到的钢网镂空的地方比实际焊盘要小，保证刷锡膏的时候不会把锡膏刷到需要焊锡的地方，这一层资料需要提供给SMT厂。SMT印锡钢网厚度设计原则：钢网厚度应以满足最细间距QFP 、BGA为前提，兼顾最小的CHIP元件。QFP pitch≤0.5mm钢板选择0.13mm或0.12mm；pitch>0.5mm钢板厚度选择0.15mm--0.20mm；BGA 球间距>1.0mm钢板选择0.15mm；0.5mm≤BGA球间距≤1.0mm钢板选择0.13mm。（如效果不佳可选择0.12mm）（详见下附表）

SMT锡膏钢网的一般要求原则：1、位置及尺寸确保较高开口精度，严格按规定开口方式开口2、独立开口尺寸不能太大，宽度不能大于2mm，焊盘尺寸大于2mm的中间需架0.4mm的桥，以免影响网板强度3、绷网时严格控制，注意开口区域必须居中。4、以印刷面为上面，网孔下开口应比上开口宽0.01mm或0.02mm，即开口成倒锥形，便于焊膏有效释放，同时可减少网板清洁次数。5、网孔孔壁光滑。尤其是对于间距小于0.5mm的QFP和CSP，制作过程中要求供应商作电抛光处理。6、通常情况下，SMT元件其网板开口尺寸和形状与焊盘一致，按1：1方式开口。SMT锡膏钢网的特殊开口设计原则：

0805建议如下开口。两焊盘各内切1.0MM,再做内凹圆B=2/5Y；A=0.25MM或者A=2/5*L防锡珠。1206及以上Chip: 两焊盘各外移0.1MM后，再做内凹圆B=2/5Y；a=2/5*L防锡珠处理。带有BGA的电路板球间距在1.0mm以上钢网开孔比例1:1，球间距小于0.5mm以下的钢网开孔比例1 : 0.95 。对于所有带有0.5mm pitch的QFP和SOP，宽度方向开孔比例1:0.8长度方向开孔比例1:1.1，带有0.4mm pitch QFP宽度方向按照1:0.8开孔，长度方向按照1:1.1开孔，且外侧倒圆脚。倒角半径r=0.12mm 。0.65mmpitch 的SOP元件开孔宽度缩小10% 。

一般产品的PLCC32和PLCC44开孔时宽度方向按1:1开孔，长度方向按1:1.1开孔。一般的SOT封装的器件，大焊盘端开孔比例1:1.1，小焊盘端宽度方向1:1，长度方向1:1.1SOT89元件封装：由于焊盘和元件都比较大，且焊盘间距较小，容易产生锡珠等焊接质量问题，故采用下列方式开口，如下图，引脚长度方向外扩0.5mm开口。

SMT红胶钢网的开口设计原则（使用的少，问题也比较少，此处只做简略介绍）

B、对于钢网使用的注意点：增加对钢网清洗次数，并使用无尘纸沾酒精擦拭钢网实施前：原来每印刷30PCB清洗一次钢网，清洗时只用干布条擦拭，导致钢网孔堵住或钢网底部粘有锡膏，印刷后PCB板焊盘容易漏印或连点；实施效果：PCB板引脚间距在0.8mm以下的，印刷5片清洗一次；引脚间距较大的印刷10片清洗一次，并使用无尘纸沾酒精溶剂擦拭，保证钢网清洗干净，印刷效果良好。

C、调整锡膏印刷机原来PCB板定位不均匀，钢网下压后，钢网与PCB板之间形成空隙，印刷后容易造成连点；现在在PCB板中间增加定位，钢网与PCB板，印刷效果良好。

D、调整锡膏锡焊直接使用，没有回温，会凝结空气中的水蒸气，在回流焊里炸锡，导致焊盘焊锡少，上班前，提前2小时将当天要用的锡膏回温，回温时间达到2-4小时。实施锡膏回温之后的改进。

E、回流焊炉温调整向供应商索取锡膏温度曲线资料，根据预热时间、升温斜率要求，重新调整回流炉温。实施效果：采用实物板作为测试板，可以达到接近于生产时的实际焊接温度，每个对应测试点与实际焊接温度相差±0.5℃，达到工艺要求:误差＜±2℃；再通过调整回流炉温，使炉温曲线符合锡膏要求。特别是进入无铅化焊接时，尤其需要修正焊接温度。否则严重影响直通率。

F、调整贴装位置

G、AOI炉前AOI

炉前小料的偏移，缺件，侧立，立碑等缺陷发生的频率很高，占的比率较大。利用炉前IOA及时发现进行调整。炉后IOA

2.2还有一些结构、装配等方面的直通率问题：例如需要制作一些工装，否则容易在安装过程中导致产品损坏；一些结构放置随意，面板刮花等等问题，其实都是导致直通率下降的原因。具体的改善错误，我们自己的产品优化如下：A、统计问题，并抓住主要矛盾

上图为我们硬十的某一款无人机产品的发货直通率统计。在134架次无人机统计中，发现结构模具问题比较多，无人机桨叶的问题是TOP1问题，电池安装问题是TOP2问题。这两个问题的问题种类只占总问题类型的20%，但是问题的数量却占据总问题数量的80%以上。这就是典型的二八原则。我们通过解决TOP问题，例如无人机桨叶供货的问题，就将直通率的80%不足，达到了接近90%。B、根据用户的使用场景优化测试列表

这个方法能够更准确反应直通率结果。虽然有可能降低了直通率，但是供货质量得到了有效保证。并且在过程中可以发现产品生产和设计的缺陷。有针对性的进行改进和优化。C、优化生产过程，形成问题表单并跟踪。将工厂发现的问题进行统计，整理，跟踪，闭环。不断的优化生产的工艺规程，并形成文档，组织工厂工人培训。

D、优化来料

对物料提供的来源，数量，品质，存储，进行全流程统计跟踪，形成表格并归档。当来料影响直通率了之后，可以有效进行问题回溯。

三、DFM案例

案例一、金手指沾锡

某产品金手指周围器件布局过近，导致贴片后出现金手指沾锡问题。

修改PCB设计，调整焊盘与金手指的距离。

解决办法：

改板调整焊盘与金手指间距。

改版前，存量PCB炉前金手指贴高温胶纸，炉后加强检验，返修器件时严格保护金手指，并在显微镜下检验返修后的单板。

案例二、焊盘开孔导致PAD上有绿油

器件散热要求高，散热焊盘上打大孔，厂家塞孔能力差，导致PAD上有绿油，器件引脚开焊。

临时措施：取消塞孔方式，修改钢网设计，炉后重点检验该器件焊接情况及锡珠情况。

案例三、MARK点不良、偏差

MARK点大小和形状不良: PCB板上所有MARK点标记直径小于1.00MM，且形状不规则,SMT机器难以识别，MARK点的完整组成不完整：MARK点没有空旷区域,只有标记点，造成SMT机器无法识别。MARK点位置偏差：

1） PCB板内无MARK点，板边MARK位置不对称，造成SMT无法作业。

2）板内无MARK，拼板尺寸有误差，贴装后元件坐标整体偏移，造成SMT作业困难。

案例四、焊盘间距太近导致焊锡桥接

案例五、焊盘结构尺寸不正确（以Chip元件为例）

a、 当焊盘间距G过大或过小时，再流焊时由于元件焊接端不能与焊盘搭接交叠，会产生吊桥、移位。

b、 当焊盘尺寸大小不对称，或两个元件的端头设计在同一个焊盘上时，由于表面张力不对称，也会产生立碑、移位。

案例六 BGA问题

A.焊盘尺寸不规范，过大或过小。

B.没有设计阻焊或阻焊不规范焊盘与导线的连接不规范表层线宽超过PAD直径

C.焊盘盲孔太大不在焊盘中心阻焊不规范偏移表层走线过宽

D.通孔设计在焊盘上，通孔没有做埋孔处理,造成BGA焊接时产生气泡