专栏作家Kelly Dack有着相当广泛的行业经验。作为一名PCB设计师，他曾就职于NPI公司、OEM、制造商以及目前的EMS供应商。我们特邀他分享一些关于材料选择过程以及如何改进的想法。
Kelly还阐述了PCB设计师是如何通过过度指定材料使事情变得过于复杂，一旦PCB在海外批量生产，就会导致混乱。你是否过度约束了材料选择？
Andy Shaughnessy：Kelly，是否可以介绍贵公司的材料选择过程？
Kelly Dack：没问题。实际上，我为客户编写了阐释材料选择过程的指南。如前所述，从扩大产品到海外批量生产的角度来看，EMS领域的过度规范非常严重，存在很多问题。该指南包括关于层压材料的章节，包括简单、经检验且可靠的材料规范。其中写道:“材料：符合IPC-4101标准的FR-4系列层压玻纤环氧树脂或等效产品，Tg大于等于xxx。”其中的“xxx”是可以修改的数字。例如，我们说170℃，而Td（分层时间）温度大于3xx℃。这些都是设计师可以编辑的可变数字。
这就是我们为PCB指定层压材料的方式，除非性能要求指明它需要更进一步具体，例如高性能信号完整性约束、阻抗控制或外来材料。但除此之外，FR-4层压板可满足客户85%~95%的设计要求。
Shaughnessy：设计师通常会去哪里寻找这些信息？他们应该使用哪些文件或指南？
Dack：许多设计师使用公司内部的文档模板，或者从前辈传承下来的经验中学习。我刚浏览了一些客户的设计和制造图纸，发现了很多客户材料规范的例子。其中许多客户会要求特定的IPC-4101材料表，并且每次都是相同的材料表，不是IPC-4101/26，就是IPC-4101/21。
Shaughnessy：IPC表示，材料表从来都不是供设计师使用的；而是PCB供应商采购及市场营销部门与买家沟通的依据。
Dack：我很高兴听到这一确定回答，因为这也是我的理解。这一切都来自MIL-S-13949规范，其中大部分内容已被IPC标准所取代。但我们看到一些客户的设计通过使用规格单号来指定层压板，我觉得这是基于行业经验。大多数都是基础的设计，并不需要特定的材料，比如使用普通玻纤环氧树脂层压板即可正常运行，因为设计中并没有阻抗控制或性能要求指定。我们只需在上面印制和蚀刻一些铜，构建电路，就可以运行。
通常只有当进入千兆赫兹范围的超高速设计时，才需要开始考虑损耗正切和介电常数。此时的挑战在于：有多少约束？如果你在当地的样品工厂生产PCB设计，他们会以任何你想要的方式生产，双方都会满意；但当想要生产100万块PCB时，则必须引入低成本约束，因为不可能象生产样板一样不计成本还能盈利。为了最大限度地节约成本，通常在海外完成批量生产。但设计师必须意识到，海外供应商无法获得美国样品生产公司所拥有的所有材料和工艺能力。对层压板材料的成分、性能特征或生产公司的过度指定，造成了可怕的、但可以避免的订购阻力，每天都会使报价暂停。这导致海外PCB供应商在进行材料替换之前，必须申请并获得批准。
Shaughnessy：PCB设计师该如何重新考虑低成本批量生产的材料规范?
Dack：我喜欢用汉堡来比喻。如果我去In-N-Out Burger汉堡店，对于汉堡味道，以及它有多少卡路里，我的了解在很小的误差范围内。我不知道面包、汉堡或酱汁里有什么，但我知道它真的很好吃。你懂吗？
Shaughnessy：你不关注面包、汉堡或酱汁里有什么，因为你不需要关注。
Dack：对。我不关注，汉堡填满了我的胃，我感觉很好，一切都很好。从简单的意义上讲，这与PCB的材料规范相同。我说的不是高性能、信号完整性类型的PCB，而是通用PCB。正如我所说，我们所做的大约85%都类似于流水生产线汉堡，只需要在生产结束时尝起来像汉堡。是的，设计师应该指定材料，但他们不应该过度指定。过度约束是问题所在。我们看到的大多数PCB肯定可以在没有指定材料规格单的情况下正常运行。当去海外批量生产时，妨碍采购过程的往往是材料规格单和品牌名称或商标标识。
Happy Holden：理想情况下，材料选择过程应该是与设计工程师、设计师、组装商和制造商的沟通过程。这是理想的。我一直提醒客户不要把这个决定交给EMS服务商。EMS公司只关心PCB的表面，他们对内部或叠层不太了解。
Dack：这种沟通是理想的，但现实是，许多PCB设计师与样品或海外制造商没有联系。他们甚至不知道谁来制造样品。PCB设计师与制造和组装其产品的利益相关者相距甚远，几乎没有办法执行可靠的DFM流程。玻璃化转变温度（Tg）等级规范就是一个很好的例子。如果PCB设计者想省钱，就没有必要指定Tg。
我们的许多客户都有标准说明，我过去也这样做。我想要最佳质量的PCB，我总是指定Tg为170~180℃，这是层压板材料的更高温度性能范围。我过去一直都这样做，没有意识到在批量生产中，这将导致成本非常高。项目利益相关者想的是赚钱，而不是花钱。
在为一家裸板供应商和目前为一家EMS服务商工作之后，我发现还有其他涉及PCB组装的利益相关者。他们知道如何有效地修改材料的Tg，并将其与PCB会经历的热偏移次数相匹配，而这是设计师所不了解的。
例如，多层PCB设计在一面有表面贴装部件，在另一面没有表面贴装部件，但有几个通孔部件。这块PCB要经过多少次热偏移？顶部要穿过回流焊炉一次，通孔部件也要穿过波峰焊生产线，这就是两次热偏移。如果批量组装供应商有机会将Tg更改为150℃，则有机会实现成本节约。但如果我指定Tg为180℃，则EMS供应商必须采购以此标准报价的PCB。
Shaughnessy：是否有标准或指南包含这些指标？可以通过层压材料供应商的数据表或其他方式获取信息，但你能相信吗？
Dack：从设计师的角度来看，必须保持简单，因为阻碍PCB实现批量生产的罪魁祸首是过度指定。如果过度指定，可能会投入不必要的成本。如果我们与供应商合作，将考虑质量、交付和低成本的关系。如果信任供应商，他们就会成为利益相关群体的组成部分，我们可以依靠他们做正确的事情，以正确的方式、使用正确的材料制造PCB，让每个相关方都能满足要求。
PCB制造中有很多变量。我们对任何部件的尺寸、公差和规格都有目标。指定了想要的最终结果，或者最终类型的性能，但却没有告诉制造商如何达到目标，或者如何以正确的方式达到目标。如果我们能够尽可能笼统，让利益相关者有权对材料进行调整，以实现我们概述的性能规范，这将能够灵活地实现成本节约。
Shaughnessy：我赞同你的观点；让利益相关者有发言权。
Holden：不幸的是，当你选择元件时，没有关于选择这个元件的制造影响的信息。设计工程师选择元件时，如果混合各种技术，比如通孔、表面贴装和底部有引线元器件，由于排列和组合，真的很难说“做这个，不要做那个”。这就是最好尽早与制造商沟通的根本原因。
Dack：没错。如果用我所说的配方来定义叠层，那么制造商必须像配方一样将叠层的成分放在一起。他们需要按照PCB设计师在叠层配方中给出的方式将芯材层和半固化片组合在一起，即使可能根本不合适。他们应该放开对供应商的约束，以便能够使用半固化片或任何他们需要的材料以达到PCB的性能和厚度要求。
Holden：快捷生产样品公司靠经验赚钱，他们可以在极快的时间内构建指定的产品。他们是业界的汉堡王，你的汉堡，你做主。快捷生产样品公司会按照客户想要的方式构建PCB。
这并不一定意味着该PCB适合大批量生产。到海外工作的设计师需要花更多的时间与供应商和组装商沟通。如果存在可以让样品正常运行的秘诀，那最好以某种方式将其整合到最终技术规范中。
Dack：了解规格单的术语和结构是一件好事，但在图纸上指定规格单是另一回事。我们必须了解如何指定，了解行业语言，以形成适当、有效的规范。
Shaughnessy：一些设计师说，他们喜欢某些按终端应用分类的材料指南，比如客户是汽车行业，然后就提供一份适合汽车应用的各种材料清单。一站式服务会有帮助吗？
Dack：从某种意义上说，是的，但从将产品从样品阶段转入生产阶段的角度来看，这是危险的。“这是材料规格单，这里有规范，这就是全部信息。”有人认为，这些材料规格单从来不是为设计师而开发。这对我们来说是件好事。
“检测PCB是否满足IPC-A-600的可接受性要求”，这意味着供应商必须根据IPC-A-6000进行制造和检测。这一句话为我们提供了涵盖所有内容的规范。
组装也是如此。我们有IPC-A-610，其中涵盖了针对所有组件的可接受性要求。它包括每级产品的目标条件、可接受标准和不符合标准（彩色页）。指定你建议的项目或者是设计中使用材料的索引，可能令人望而怯步。每个供应商都将面对竞争和商标的挑战，所以他们会稍微调整组成，这样就可以绕过规则。
Shaughnessy：目前指定材料的方法效果很好，但如果设计师的指标过于精细，则可能会过度约束PCB，会在不必要情况下增加成本。
Dack：是的。我可以给你展示。裸板PCB制造规范中过度约束领域是材料、尺寸和公差。设计与制造是动态的、主观的；有时你不得不拆东墙补西墙。
Holden：材料方面的问题是，销售材料的供应商有理由提供规范和信息。谈到设计，材料是棘手的问题。这种材料是为什么市场设计的?性能、可靠性、生命周期和成本如何？很难记录这些权衡方案。
了解最多的设计师没有时间坐下来写出来，而供应商却有这种动机，因为这将有助于他们销售。设计师不涉及销售，但如果不关注PCB生产成本，可能会使用任何Tg为130℃的材料。他们需要知道关注点在哪里。
Dack：Happy，我同意。PCB设计师需要“了解该关注什么”。这里有个案例：我从一位客户那里得到了一块PCB，它经过了多年的演变。这是一块非常简单的PCB，一面有碳绕通孔电阻，在底部有表面贴装部件，在顶部有其他表面贴装部件。从热偏移的角度来看，顶部和底部各需经过一次回流焊炉，电阻器的引线还必须经过一次热偏移。对于3次热偏移，通常建议使用耐高温度的材料。我们也在努力降低成本，通过所做的DFM研究提出建议。
“买这个径向引线电阻要花多少钱?”结果是3美元，因为它们不像表面贴装部件那样容易采购。我们建议把它换成表面贴装部件，并放在顶部，将另一个表面贴装部件放在底部。我们在单个板表面上获得了所有3种部件类型，只需通过回流焊接炉一次，将Tg 降低130℃，并为正在生产的数百万块PCB节省了大量成本。
Shaughnessy：我们现在看到越来越多的年轻设计师，对于那些正在寻找指定及选择材料的不同信息资源的人，你会提出什么建议？
Dack：我过去建议设计师去参观PCB制造车间，现在他们还需拜访批量EMS服务商。通过EMS加工传送带上的PCB，可以学到很多，不仅仅是材料规格单和材料，还包括客户的要求。你将学习拼板和非拼板的知识。
每个设计师都应该拜访裸板制造的利益相关者，EMS、组装商和裸板供应商，然后参与IPC培训。这有助于新设计师将它们联系在一起。
Shaughnessy：Kelly，最后还有什么想要补充的吗?
Dack：在我看到的数百种设计中，我怀疑至少85%是普通的多层PCB，可以使用几乎任何玻纤环氧FR-4材料。15%的设计才是高性能PCB。换句话说，很少有设计需要超规范和特殊材料。
我们正在讨论创建新的指定材料指南或索引，这实际上只会帮助15%的PCB设计师。在帮助其余85%涉及FR-4板的设计师时，还有更大的问题要解决，由于DFM不好，我们无法在生产线上生产这些FR-4板。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》23年6月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
