Nolan Johnson：Kelly，我们一直在探讨设计和制造领域相关方之间存在的一些谬误。其中一个谬误与某些小型元器件的占位空间设计有关，第二个谬误会影响组装时与电路板外形有关的PCB拼板。最后一个谬误会影响我们的判断，让我们无法明确哪个PCB工艺相关方应该负责决定材料温度级别和加工要求。

在我们开始正式采访之前，你谈到完美0201 PCB设计库占位空间这个概念是一个谬误，因为实体部件的几何图形和焊料沉积变量各不相同，没有哪种几何图形可以适用于所有设计。但有些PCB设计师认为自己的职责就是要设计出 0201 在PCB布局中的“完美”占位空间。这是谬误的源头吗？你要如何向你的设计客户说明这些问题？

Kelly Dack：现在讨论这个话题非常及时，因为设计的范畴正在持续缩小。几十年来，我们一直在研究如何缩小产品和组件的尺寸，而我们也确实做到了。我为一家制造公司工作，负责PCB的设计与组装工作，一直致力于为越来越小的元器件挑战占位空间，以使我们能够始终领先于客户的设计。

我们先来谈一谈所谓的完美0201占位空间。我确实提前在网上搜索了“完美的0201占位空间”这个概念，因为想弄清楚设计师认为完美的因素有哪些。你可能也能想象到，对通常指定的0201元器件封装，我发现有几十种不同的焊盘尺寸、形状和焊盘间距。似乎每位设计师都按照自己对“完美”的理解篡改了这些数据，却没有定义任何一个生产变量。随后我又分析了一家客户的设计，他们采用了我们多年来一直在使用的0201部件。你猜怎么着？其占位空间与互联网上定义的完美占位空间都不匹配，但对我们来说却似乎是完美的。

图二：墓碑缺陷示例

Johnson：为什么会这样？

Dack：我们在客户电路板组件上形成的完美焊点并不是因为采用了神奇的完美占位空间理念。而是因为设计师提前留出了足够的余量，与制造过程中的其他要素相结合，才形成了完美的焊点。设计师意识到了元器件的Z轴高度及其对焊缝的影响，才使他们设计的占位空间很成功。

不应忽视芯片元器件金属化端和PCB焊盘几何图形之间的关系。但设计师必须了解，各个相关方展开合作并不是为了形成完美的占位空间。这是一个谬误。我们之所以合作以优化占位空间是为了满足PCB的所有其他生产要求。借此机会，组装方才最有可能操控众多其他变量，为所有元器件形成完美焊点。

IPC-A-610可接受性要求中明确给出了完美焊点的图片。仔细看你会发现焊接材料在回流焊后是润湿的。润湿的证据是关键因素，能使焊料爬上金属化端约为元器件一半高度的位置，形成完美的焊缝。

元器件金属化端在焊盘上的延伸与焊缝在元器件上爬升的高度之间是有关系的。金属化端趾部延伸过短会减小焊缝的尺寸，趾部延伸过长会导致焊料沉积过多。焊料可能会攀爬到元器件的端部上方，形成“墓碑”、扭斜或焊料球污染等缺陷。最后得到的经验法则是，焊盘上的趾部延伸长度应该是元器件芯片或引线高度的一半。可以从这一概念入手，研究如何形成完美的焊点。

Johnson：这是不是意味着，不同高度的0201片式元器件，需要采用不同的焊盘图形？

Dack：完全正确！常规Z轴高度或厚度的小片式电阻器很常见。但从另一方面来讲，片式电容器在没有焊料沉积补偿的情况下会有各种高度，会影响焊缝的形成。此时就是IPC-7351焊盘图形计算器发挥作用的时候了。设计师可以输入元器件或引线的所有几何属性（包括Z轴高度），计算器就会适当调整焊盘尺寸。

判断这些几何图形作为标准或需要经过改进，具体取决于几何图形将要应用的设计是新款设计、升级版设计还是旧设计。有很多客户还在使用5至10年前开发的旧设计。这种做法的后果就是，所有这些设计的0201占位空间都采用了不同的焊盘尺寸和间距。但组装供应商仍然能够完成部件焊接的唯一原因是他们调整了其他工艺要素。这就是所谓“完美”占位空间背后的魔法。除了不断完善占位空间几何图形外，组件供应商一直以来面对的难题就是：为形成完美的焊点，要调整所有的制造变量。

Johnson：为形成完美的焊点，EMS供应商是否还需要考虑其他更多因素？

Dack：有的，比如0201封装，我们看到很多客户的设计师在将0201封装放到PCB设计的顶部和底部时，采用相同的占位空间图形。但两面的元器件密度在很多情况下都是不一样的。PCB底部只有小型片式元器件的情况很常见。两面元器件占位空间的一致性使钢板厚度的选择简单了许多。但如果小型片式元器件和带有大量焊盘的大功率元器件安装在相同区域，就会使焊料沉积变得十分困难。较大的焊盘需要用不同的比率计算，以获取更多的焊料。所以需要使用更厚的钢板才能在焊盘上沉积足够的焊料。但厚钢板会使小尺寸的0201元器件占位空间难以承受如此多的焊膏。怎么办？

在设计完成后，组装制造工程师唯一能做的就是回过头去调整制造变量。他们有很多小窍门调整变量。其中一个就是使用厚钢板来满足较大部件的需求。但制造工程师随后会指定钢板的局部区域需要蚀刻得更薄，以满足更小元器件的要求。用定制的“阶梯式”钢板，就可以在同一块钢板上蚀刻不同的钢板厚度，获取不同的焊膏量。

Johnson：除非设计师在和你沟通后想重新设计，否则他们需要考虑所用元器件的高度。于是他们就可以用到刚才提到的IPC计算器。EMS服务商的DFM团队会检查PCB组件上每个元器件高度的计算结果吗？

Dack：所有EMS服务商都应该检查这一点。他们都有设计审查团队。理想情况下，EMS服务商会通过DFM运行一次基本设计。首先，我们会筛选设计，确保裸板制造商能够接受这项设计，这样才能让线宽和线距与铜厚度适配。我们会检查每层的叠层问题和铜走线拓扑结构。

然后再根据元器件BOM核查焊盘图形的可行性。数据表上列明了BOM上每个元器件的X尺寸、Y尺寸和Z轴高度，这样一来，就可以核查裸板上元器件占位空间的拓扑，以形成完美焊点。

Johnson：听起来像是需要很多手动检查的过程。

Dack：如果手动完成，工作量将非常密集。但如今这类协作式布局和DFM审核软件方案都包含了可获取元器件数据的链接。通过Arrow、Digi-Key和Mouser等大型供应商采购元器件，可链接至其元件数据库。这种直接链接方式，让人们在设计布局和进行DFM审核时，能够立即访问元器件数据表和3D步进数据。这种并行过程允许将数据输入到软件内的审核程序中。

Johnson：你建议这些检查可以分两个部分展开。首先，设计师在将设计投入生产之前进行最终检查；第二，是制造工程师在定购材料及大批量加工生产该设计之前进行检查。

Dack：设计师在将设计从客户端送去生产之前应该做这些检查，然后EMS服务商也应该在来料检查、设计审核或DFM审核时再做一次。

设计师也需要从制造商为确保质量而采取的一些重要步骤中学习。可以去参观裸板制造工厂或EMS服务商的组装工厂，设计师就能了解生产的每一步都需要验证是否合规。在这个过程中会收集数据并做出相应调整。设计界应该意识到这一点，并且应该采用一种新的设计流程，可以在完成每一步设计后都检查设计是否可接受。其中包括和其他流程相关方核实相关事项，以及建立设计限制因素数据库以满足制造商的要求。设定与供应商生产能力相匹配的设计规则，非常重要。

Johnson：最终，源信息来自设计师。检查完送来的设计后，不应该再存在元器件占位空间大小问题和Z轴问题。

Dack：理想情况下，设计师可在发布设计之前和制造相关方积极交流，设定布局上的设计限制因素。

我们收到的设计，经常是满足布局数据库里DRC检查的各项指标的，这些设计的制造参数都是为在样品加工厂里生产而设置的，而样品加工的工艺流程和加工设备都极其精准，并且能获取专用材料。但在EMS服务商投入大批量生产时，就会发现这样的设计是行不通的，因为生产设备不同，或者他们无法买到样品加工厂使用的相同材料。我们是EMS服务商，希望能在设计产品期间可以和设计师沟通交流，因为我们使用的设计规则检查标准和他们不一样。

Johnson：EMS服务商在与客户沟通讨论一个设计时，最好采用什么方式？

Dack：最好的方式就是教育培训。EMS服务商一定要学会与设计师通过社交媒体及商业出版物交流。双方必须要相互沟通。例如，印制电路工程协会（PCEA）的使命是要把制造商聚集到一起讨论并深入了解各方的观点。如果采取了这样的做法，可以说已经成功了一半。

Johnson：从样品到实际生产，针对电路板外形和拼板的另一个谬误与EMS生产有关。你在这方面发现了什么问题？

Dack：我们在制造方面发现了另一个持续存在的问题趋势——铜从电路板边缘回缩。我们需要让设计师明白一个事实——当他们的设计投入批量生产以后，在组装生产线上生产时，必须要能够使用传送带加工。设计上一定要留足够间隙才能有空间进行二级、三级作业生产操作。我们在DFM审核过程中的首要任务就是验证铜内缩够不够。铜内缩指的是设计出的标称电路板边缘和铜之间的距离，以及铜是否以导通孔、焊盘或走线的形式存在在这个区域内。铜成像与玻璃环氧树脂FR-4、聚酰胺或材料边缘之间是否留出了足够的距离用于加工。

但是，电子行业论坛推荐的方法经常和EMS服务商的真正需求相悖。我在设计论坛中看到有人问“铜边界和与电路板边缘的最小距离是多少？”或者有人说“我设计了一块电路板，铜已经覆盖了板边缘，电路板很成功”。这些问题听起来就像是很有必要让铜覆盖到电路板边缘。一些新设计师并不了解自己设计出的产品会送到哪里加工。如果将铜过度拉向板边缘，或者是在电路板边缘和铜之间没有留出足够的间隙，就会影响损电路板的分板方法。

拼板时也有一些值得参考的分板方法。可以用连接片连接单块PCB，也就是可用铣削工具围着电路板四周刻出槽，在面板间形成电路板边缘和凹孔；这一操作也会使电路板边缘和面板之间留出连接片或连接小区域，同时保留电路板的设计。通常会在这些连接片中冲孔，以便于折断这些连接片，分割电路板。如果铜和这些连接片之间没有留下足够的间距，特别是断裂点处有冲孔或锯齿——工具留下的磨损边缘，裂口会延伸到铜特征，造成损坏；这样一来，铜表面会暴露出来露出基底金属，IPC标准规定这种情况是不可接受的。如果电路板边缘铜间隙不够，我们就很难利用锯齿。

另一种分板策略是V形槽，也就是用带有V形槽边缘的圆锯在电路板顶部和底部切割一条直线，让材料中间还有一小部分相连。作为设计师，我们喜欢用三分之一的等式计算V形槽。V形切割刀片可以有不同的角度。有30度的窄角或45度的宽角，具体取决于不同的目的。但根据V形槽切割的深度和角的宽度，设计师有可能因为没有留出足够的铜内缩距离而陷入麻烦，因为这种切割方法会切掉顶部和底部边缘的一部分材料，因而会引起更多问题。

V形槽切割和连接片铣削是两种主要分割方法。除此之外，还有激光切割法，主要应用于挠性制造。如果铜层和聚酰胺材料之间没有留下足够的空间，那么由于铜和聚酰亚胺两种材料的差异，会在激光切割时造成严重问题。

图四：翘曲板示例

Johnson：第三个谬误和材料有关——特别是谁负责指定材料的玻璃转变温度，以避免出现分层和翘曲问题。

Dack：作为一家EMS服务商，我们经常遇到未明确定义是高温材料还是低温材料的情况。大家普遍认为最适合定义材料温度要求的相关方是PCB设计师。这是一个谬误，不一定是设计师的错。

设计师应该明确的是与电气性能相关的事项，但若认为PCB设计师应该负责指明生产工艺，就不对了。有一句老话说得好，设计师需要明确的是他们想要部件达到的目标，而不是如何去达到目标。很多时候，人们希望PCB设计师去设计或指明PCB的属性，但实际上设计师却并不清楚这些部件在哪里制造、可用的材料、可用的功能，以及加工性如何。

因此，设计师和制造商也更应该在开始设计之前进行良好的沟通。我们看到制造图纸上写着“材料：FR-4”。这行字规定了材料是阻燃玻璃环氧树脂，但却没具体指出任何其他方面的特性。我们在定购时，必须确定PCB的耐热性。

为了客户的最大利益着想，我们当然希望PCB的成本越低越好。所以我们希望使用最便宜的可用材料，但这又和质量因素相冲突，质量也是应该优先考虑的因素。如果裸板材料规格的唯一要求是“FR-4”，那我们就得估算出电路板在完成全部组装之前要经历多少次热周期，以避免出现翘曲或分层。

如果整体制造数据有限，我们没有掌握全面情况，那通常来讲都会按照低温材料询价，以避免增加成本。但这种策略对我们的制造审核而言可能会适得其反，这种情况有时会在我们收到报价后出现。有时电路板会经历几次额外的热暴露的情况下，我们会决定购买耐更高温度的材料。

在思考过程中，我们会问自己：“这块电路板是不是单面双层板？”如果这样的话，就可以使用低温材料，因为这类电路板只需经历一次热暴露，而且也不需要翻转以后在背面放置部件。如果电路板出现轻微翘曲，也无关紧要。但如果电路板是双面多层组件，我们就必须查看叠层结构并确保每层都比较均衡，以防出现翘曲。如果需要经历更多次热循环，我们可能也会考虑购买贵一些的材料，就可防止出现翘曲和分层。

热循环指的是电路板暴露在高温下的一段时间，这种情况出现在回流焊炉、返工和波峰焊接/选择性波峰焊接的过程中。任何时候，如果这块电路板暴露在了高温环境下，都会严重影响层压板。若是双面多层组件，我们就会选用更耐高温（150°C 至170 °C）的材料，但成本会更高。

如果是生产层数更多的电路板并且要再添加另一工艺，可能就要在第一次热循环时安装顶部表面贴装元器件，第二次热循环时安装底部元器件，然后在第三次热循环时利用波峰焊接操作安装通孔元器件。我们必须要考虑到可能要使用耐180 °C高温的材料，这种材料在批量生产中会大幅增加成本。虽然每块电路板的成本只是增加了二三十美分，但是乘以一两百万数量之后，这一成本数额可能就会对项目产生很大的影响。我们希望尽早让客户知道预期值，最好的方法就是在设计周期的初期就与客户交流沟通。

Johnson：在设计师设计产品时，需要和他们沟通哪些因素？

Dack：在设计制造领域，我希望客户、设计师和制造人员之间能够加强交流与合作。而这方面的工作还需要IPC和PCEA这样的组织去积极推动。例如，PCEA目前正在和SMTA合作，因为他们都想让他们的会员提前获取更多设计师一方的信息。

Johnson：这样一来就能促使各方加强交流，那目前这方面的情况如何？你是不是只有在给出报价并敲定价格以后才会和客户讨论设计规则？

Dack：大约有95%的情况都是在完成设计审查后才开始沟通。制造商已经习惯了不会在DFM审查过程中抱怨任何问题，因为不论指出什么问题，客户都可能会归因于制造商能力不足。我个人认为，他们只是不想在报价这一关就失去客户；他们想报出一个较低的价格，拿下这笔生意。一旦赢得报价，几周或几个月之后，订单启动生产，这时制造商就开始动用自己的高情商了。他们会对客户说：“我们没办法用这种厚度的铜箔蚀刻这条走线，因为设计存在缺陷”，或者是“我们没办法在这些孔中电镀指定数量的铜，能不能减少一些？” 这才是主要问题。

如果我们在一开始就使用更好的审核方式，并且让客户和制造商意识到沟通审核相关事宜的重要性，也许就可以节省很多时间。但有些问题依然存在：供应商管理层要怎么做出决策？供应商管理层可能并不懂技术，他们只会接受成本最低的解决方案。这是无法改变的事实。

对于组装领域而言，也是如此。EMS服务商通常不会一开始就指出问题，而是选择在拿下订单之后再跟客户讲清楚有哪些问题，但这些问题中有95%不是在生产或签订合约时能解决的。但愿他们能够解决这些问题，在制造时能够调整或控制相应的情况。但通常都需要供应商来解决，这真的是无法改变的。

Johnson：从设计师的角度来看，有哪些事情是不可忽视的？

Dack：比如0201元件出现了立碑现象，或者玻璃环氧树脂板的两边翘曲非常严重，这类情况肯定是不容忽视的。这是设计不良、制造能力不足或双方缺乏沟通导致的。

例如，如果双面PCB组件不均衡，在经过第一次元器件贴放、钢板丝印工艺并送到回流焊炉时，进去的时候非常平整，但出来的时候就会翘得像薯片一样。现在，这种组件要经过再次钢板丝印，可能会有比较好的效果，也可能不会。

但第二面自动贴装元器件时，翘曲会使电路板产生共振。我看到过在翘曲表面放置元器件，弹性状态引起PCB很大的振动。当贴装头在贴装过程结束与弹起的PCB表面接触时，会导致放置的元器件像爆米花一样从板上弹起！这是绝不可忽视的异常现象。

Johnson：Kelly，谢谢你抽出时间接受采访。

Dack：不客气。

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