相信大多數 PCB 設計人員都有過這樣令人沮喪的經歷：SMT 代工廠反應產品在產線無法生產，原因是替代料不適用或測試點被遮擋無法測試，要求重新設計。此類問題的解決方案是一個龐大的元件庫，通過它可以分析替代料並標記出所有替代料差異。虛擬模型能支援正確放置測試點。這裡所提到的庫就是 Valor 元件庫，簡稱 VPL。
電子行業在設計到製造的流程中面臨許多挑戰。產品不斷變小，意味著要在更小的 PCB 上放置更多的元器件。產品的設計、製造和交付的速度也越來越快。從設計到製造的整個流程容錯的空間越來越小。
Valor® 零件庫 (VPL) 是一種獨特的工具，可以幫助您克服這些挑戰。它擁有簡潔、易用的介面，並可以提供精准的用於 PCB 製造、測試和組裝的電子元器件及連接器物理模型。元器件封裝精確的物理特徵以及 VPL 中存儲的其他屬性資料，配合可製造性設計 (DFM) 檢查，讓設計人員能夠在設計階段就可以檢查出可能影響製造的錯誤。這樣就無需通過重新設計來解決這些問題，從而節省可觀的時間和成本。
行業挑戰
每個產品開發專案變得越來越複雜，需要多方參 與：產品經理、設計人員、製造商、採購人員、裝配經理、交付人員等。每個人都有自己的發言權， 並可能影響項目的若干方面。
製造和裝配問題可能導致產品變更。產品可能在設計和製造之間來回改動，直到獲得所需的結果。
重新設計可能導致產品交付延遲，錯過要求的上市時間。
重新設計會消耗可用資源，例如工時、機器磨損、電力等。
電路板上的元器件間距越來越小，使裝配複雜化。
可能用到各種尺寸的元器件封裝，包括 SMT 和通孔元件。
VPL 利用適合於 DFM 的強大資料來改善您的 PCB 設計
即使是最高品質的 PCB 封裝庫，也僅包含 VPL 的一小部分資料。VPL 擁有超過 10 億個編碼，來自不同的電子元器件製造商。VPL 庫包含精確的元器件幾何形狀（也稱為封裝）和零件屬性（例如高度、間距、長度和寬度等）。封裝名稱符合 JEDEC JES-D 30I 標準。
通過裝配DFM 檢查，可以在 PCB 設計期間發現潛在的可製造性問題，避免將有問題的資料交付製造。但是，裝配 DFM 結果的好壞取決於所使用元器件庫的完整性。VPL 可以為裝配 DFM 分析提供高品質和高可靠性的元器件封裝庫，如圖 1 所示。
圖 1：Gerber 資料、CAD 資料和 VPL 資料在單板上的差異顯示。
例如，只有使用 VPL 才能使 DFM 足夠智慧，分析設計並定位元器件焊接問題，避免高昂的重新設計成本。通過焊接分析，設計人員可以確定影響焊點品質或測試良率的潛在封裝問題。
將 VPL 用於 DFM 的最佳實踐
為創建最高品質的最佳設計，除了需要瞭解製造與裝配工藝相關的要求之外，還需要強大的元器件庫。典型的新產品導入 (NPI) 流程是這樣的：首先選擇零件並創建原理圖，接著是零件佈局、佈線並完成最終設計，然後將設計資料打包並交給製造廠以製造 PCB。因為 DFM 由PCB 製造供應商執行，所以他們不會驗證與裝配有關的問題。這導致在 SMT 代工廠甚至還沒有看到資料時就產生了成本和時間上的浪費。
當 SMT 代工廠收到設計後，他們便根據其裝配能力執行DFM 分析。這個階段常常可以發現需要通過重新設計來糾正的問題。但是，可焊性問題可能要到更晚才會被發現，因為此時還沒有考慮到替代料的使用。
在最壞的情況下，這些可製造性問題可能導致錯過項目截止日期並超出專案預算。由於未達成專案目標，收入目標通常會受到影響。
隨著電路板密度增加，容錯的空間在減小，手動檢測錯誤變得幾乎不可能。不同的裝配工藝也可能導致設計問題。這些因素疊加起來，使得資訊豐富的 VPL 變得絕對必要。
側欄 2 總結了每個 VPL 零件號和相關封裝所包含的詳細資訊。VPL 與 Valor NPI 一起用於 DFM 時，我們就可以擁有一套基於 VPL 的最佳實踐流程。下面將介紹這些最佳實踐，以及如何運用它們來提高產品品質並減少重新設計。
VPL 中的元器件資料
VPL 中包含非常豐富的資料集，支持進行準確的 DFM 分析。這些資料包括：
製造商料號 – 製造商料號是每個元器件的唯一識別碼；由製造商分配。
供應商代碼 – VPL 資料庫中每家製造商分配的唯一識別碼
VPKG（VPL 封裝）– 代表元器件物理外觀、尺寸和屬性的唯一代碼。Valor NPI 使用 VPKG 進行 DFM 分析。
其他資料：
材料庫
元器件功能
元器件製造商規格書連結
元器件圖片
製造商
封裝本體數據
引腳數據
元器件間距
圖 2：VPL 管理 (VLM) 工具上顯示的制程方法（左側），
以及根據制程方法和封裝相對位置在 Valor NPI 軟體中設定的間距要求（右側）。
元器件間距規則對於器件佈局並確保滿足貼片設備公差至關重要。適當的間距對於實現高效返修也很重要。VPL 確定並包含每個零件在單板正面和反面（圖 2 – 左側） 推薦的制程方法。隨後，基於 VPL 分配給每個元器件的制程方法以及元件相對位置（引腳側或非引腳側）來進行裝配分析（圖 2 – 右側）。
圖 3 顯示了單板上僅使用 CAD 封裝的元件間距情況元器件似乎有足夠的空間來支持 SMT 自動貼裝。但是，如圖 4 所示，替代料的 VPL 封裝比 CAD 資料所用的封裝禁布區還要寬；對於自動貼片設備而言，現在零件彼此之間過於靠近。使用 VPL 模型（圖 5），設計過程中便可考慮替代料的的尺寸變化，從而發現並立即糾正此類問題。
圖 3：僅使用 CAD 封裝資料的元器件間距。
圖 4：裝配過程中，使用的替代料比佈局所用的主料寬。導致的結果是元器件相互干涉。
圖 5：CAD 封裝和 VPL 封裝的組合顯示了 CAD 封裝間距（綠色）和VPL 封裝間距（橙色）之間的差異。
焊接分析
在設計過程中，可焊性問題可能有多種原因。除了要能夠正確焊接元器件之外，還要考慮返修。借助 VPL 可以創建虛擬樣機，查看元器件在 PCB 焊盤上的匹配情況， 如圖 6 所示。
創建元器件焊盤是一項困難的工作，對於帶有數百個引腳的大型元器件而言尤其如此。Valor NPI 能夠利用 VPL 識別潛在的元器件焊盤可焊接性問題；不如此的話，要確定這些問題必須等到生產實物樣機。Valor NPI 使用 VPL 提供的引腳接觸區來確定是否滿足正確焊接（腳趾、腳跟和側面或四周，不同引腳類型有不同要求）的最低要求（圖 7）。Valor NPI 採用 IPC-7351B 定義的焊接標準驗證。
焊接標準中包含不同 VPL 引腳類型的焊接要求。這些標準與 Valor NPI 規則一一對應，如圖 8 所示。該資料對於焊接分析至關重要。
對通孔引腳可以進行同樣的分析。為了實現正確的波峰焊，孔壁和引腳邊緣之間需要有足夠的間距。通孔引腳的焊接驗證基於 IPC-2221 規範。
圖 6：Valor 元件庫會顯示元器件在封裝上的實際配合情況。
圖 7：SMT 引腳的腳趾、腳跟和側面間隙以及球形焊端的周圍間隙。
圖 8：引腳類型的定義和焊接間隙要求被轉化為焊接驗證規則。
合格製造商清單與合格製造商清單管理
新產品設計常常需要從多個來源獲得零件。但是，替代料是否適合安裝在電路板上—不僅要考慮周圍元件間距，而且要考慮焊盤設計？元器件工程團隊負責採購和鑒定替代料是否合格，但他們沒有確保萬無一失的工具。要系統地確定任何替代料是否會給製造帶來挑戰的唯一方法，是在 Valor NPI 中使用 VPL 運行替代料分析。
VPL 可以維護 EDA 零件料號與製造商料號之間的關係。VPL 使用者可以獲得與 EDA 零件料號相關聯的製造商料號的完整清單，並且可以創建 “合格製造商／供應商清單” (AML/AVL)。VPL 可以導入 AML/AVL 以建立元器件料號 (CPN) 和製造商料號之間的關係。
圖 9 顯示了來自 AML 的三個替代料。這三個零件的尺寸略有不同。VPL 可以進行替代料分析，並構建用於裝配 DFM 的替代料複合體，使得所有三個替代料都滿足設計間距要求。使用該複合模型並運行並行 DFM 可以保證三個替代料中的任何一個都適用，並且不會引起任何製造問題。
圖 9：替代料的本體和引腳接觸區都可能不同。只有 VPL 能夠告訴您這些差異是否會有問題。
自動光學檢查陰影效應
由於 VPL 包含元件高度資訊，所以裝配 DFM 分析可以檢查出與高度相關的 DFM 問題（例如自動光學檢查 (AOI) 陰影效應。
AOI 機器將光線照射在電路板上，這對於進行光學檢查至關重要。由於這種光線的原因，較高的元器件的陰影可能會對其附近放置的元器件的引腳進行遮擋，這可能導致 AOI 檢查覆蓋率不完整。圖 10 顯示了較高元器件投射的陰影如何使較矮元器件的腳趾被遮擋，從而無法正確進行光學檢查。
在設計階段儘早發現 AOI 問題，可以確保焊點（其對於電路板正常工作至關重要）在裝配 DFM 分析時能得到驗證，從而獲得高品質的產品。在圖 11 中，較高的 M1 元器件投射的陰影使排阻的 1 號管腳被遮擋，這一情況被 Valor NPI 準確的標識出來。
圖 10：AOI 檢查時腳趾被元器件陰影遮蔽。
圖 11：示例：靠近排阻引腳的 M1 器件高度為 290 mils，圖中可以看到 M1 產生的可見陰影。
飛針測試設備的可測試性
類似於光學陰影問題，裝配好的電路板也可能需要具有足夠的測試間距，以便飛針測試設備可以接觸測試點。這些測試點通常靠近元器件引腳。為了獲得最佳測試結果，飛針測試設備應能從各個方向接觸所有測試點。因為較高密度板上的較高元器件的存在，設備可能沒有適當的空間來觸及所有測試點。
VPL 存儲了準確的封裝尺寸，設計人員可以據此設置測試點和元器件，使得飛針測試設備可以有效測試所有測試點。Valor NPI 使用兩種方法來檢查元器件與測試點之間的間距。第一種方法是檢查測試點到元器件的角度（圖12），因為測試探針的測試角度是有限制的。從相鄰元器件的頂部到測試點位置的角度決定了探針能否觸及測試點。
第二種方法是檢查元器件到測試點的間距。測試探針可測試性受限於相鄰元器件的距離，因此，從探針到元器件的距離決定了測試探針能否能觸及測試點而不受到相鄰元器件的干擾。
可返修性
無論採用什麼製造工藝，裝配過程中都可能出現焊接問題，導致電路板需要返修。挑戰在於要移除有缺陷的元器件而不損壞同樣焊接在電路板上的其他元器件。VPL 封裝模型的準確尺寸有助於設計人員在元器件之間留出足夠的空間，以便進行返修作業，使返修過程更加輕鬆、快捷和精確，從而降低返修成本。
圖 12：測試點到元器件的角度。
圖 13：元器件到測試點的間距。
VPL 覆蓋率
儘管 Valor 零件庫中有數十億個製造商料號，但還是會存在部分料號沒有 VPL 的情況。為了滿足這種需求，以及當客戶有專用零件需要建模時，客戶可以自己創建 VPL 並存儲在本地，或者使用 VPL 創建服務請求 Valor 來創建零件。
結語
VPL 是進行可製造性分析的關鍵工具，能夠提高 PCB 品質，使其易於製造。VPL 中包含器件完整的幾何外形，並且 VPL 元器件庫的數量遠遠超出了任何其他元器件庫。
VPL 可用於解決行業中的許多挑戰，它是設計到製造流程中的重要工具。VPL 與 Valor NPI DFM 軟體的結合讓使用者可以在設計的所有階段都可以進行全面的可製造性分析，以儘早檢測出錯誤。發現並糾正可能導致專案預算超支或錯過截止期限的問題，不僅可以節省花費在電路板重新設計上的時間和金錢，還能使您的公司更早獲得產品收益。
Comments