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DFM发展及其典型案例解析

摘要

可制造性设计(DFM,Design For Manufacture),它主要是研究产品本身的物理特征与制造之间的相互关系,并把它应用于产品设计中,以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化,使之更规范,以便降低成本、缩短生产时间、提高产品可制造性和工作效率。可制造性设计的的核心就是在不影响产品功能设计的前提下,将产品的制造工艺溶入其中,在设计中构建可制造性,其实就是产品的并行开发模式。

本文着重从可制造性设计DFM的发展历史进行介绍,通过典型案例的应用介绍DFM的建立过程和自动化、智能化的应用前景。

 

引言

可制造性设计(DFM,Design for Manufacturing),它主要是研究产品本身的物理特征与制造系统各部分之间的相互关系,在不影响产品功能的前提下,从产品的初步规划到产品的投入生产的整个设计过程进行参与,使之标准化和简单化,从而让产品的设计更有利于生产及使用。它应用于产品设计中,以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化,使之更规范,以便降低成本、缩短生产时间、提高产品可制造性和工作效率,从而减少整个产品的制造成本(特别是元器件和加工工艺方面),简化工艺流程,减少模具及工具的复杂性。

图1给出了DFM框架和运作模式演变。

图1:DFM框架

 

对DFM的理解应从两个方面考虑,一方面是从设计角度来讲,设计的产品要满足工艺的要求。这样讲主要是基于工艺能力是由设备能力决定的,而设备能力的建立一旦确定下来,也就意味着工艺能力的不可改变。因此,一旦工艺能力确定下来了,产品设计就必须满足工艺能力的要求,否则设计出的产品就无法大批量生产。另一方面是在产品设计的同时,会用到新材料、新器件、新工艺和新设备,这时候,工艺人员就要评估这些需求的合理性,当现有工艺能力无法满足时,就要启动工艺研发,通过工艺试验/验证,找出合适的工艺技术,提升现有设备能力,来解决这些新的需求。

由此可见,DFM是双向的,产品开发和工艺都需要投入其中,并行开展,缺一不可。

 

DFX与设计流程再造

卓越性设计(DFX, Design For eXcellence),在IPC-DFX标准中详细讲述了DFX的内涵。其中,从某种意义上讲,X可以代表产品生命周期或其中某一环节,如装配(M-制,T-测试)、加工、使用、维修、回收、报废等,也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素,如质量(Q)、成本(C)等等,包括:

  • DFM: Design  for  Manufacture,可制造设计;
  • DFA: Design for Assembly,可组装设计;
  • DFT: Design for Test,可测试设计;
  • DFR: Design for Repair,可维修性设计;
  • DFU: Design for User,可用性设计;
  • DFP: Design for Procurement,可采购设计
  • DFD: Design for Diagnosibility,可诊断分析设计;
  • DFE: Design for Environment,可环保设计;
  • DFS: Design for Serviceability,可服务设计;
  • DFR: Design for Reliability,可靠性设计;
  • DFC: Design for Cost,为成本而设计。

 

图2给出了DFX内涵等相关内容。

图2:DFX内涵

 

DFX的推进,可以优化原有的产品设计流程,促进研发流程再造。图3给出了流程改进前后的效果,应该来讲对产品开发周期(T)、质量(Q)、成本(C)、售后服务(S)都有极大的促进。

图3:DFX对设计循环的改进

 

DFM属于DFX中的一支,随着电子工业的发展,DFM在产品的设计中占据越来越重要的地位,对产品的成本的关键影响因素中所花费的成本最小(只有5%),但对产品的影响却占到70%的比重。因此,我们不能抱着侥幸的心理:“XX问题没什么,生产操作控制一下就行了”;“XX问题无所谓,客户不会注意到”;“.......”。

我们需要在产品生命周期的早期阶段一次性把事情作对!图4给出了各角色的影响程度分析。

图4:各角色的影响程度

 

可制造性设计的意义和自动化数字化的重要性

可制造性设计的价值和发展

由前面分析来看,DFM可制造性设计具有如下价值:

  • 缩短产品研发周期,为产品快速推向市场赢取时间;
  • 降低制造成本,提高产品竞争力;
  • 提高产品全面的可靠性;
  • 有利于生产过程的标准化、自动化、提高生产效率;
  • 有利于技术转移,简化产品转移流程,加强公司间的协作沟通;
  • 提升产品售后的竞争力。

 

图5为某单位统计的DFM的价值体现。

图5:某单位统计的DFM价值体现

 

DFM发展经历了THT插件时代的前期,SMT导入时的初期以及SMT向高密发展的中期等几个里程碑。

DFM前期主要是插件器件为特征,由于成型设备的存在,因此,制造对设计的要求几乎没有,产品开发人员设计比较灵活。

DFM导入期则是DFM设计要求被提到日程时,主要特征是表贴化初期,封装以SOP、QFP等翼型封装的表贴器件为主。此时,自动化程度比较高的的印刷机、贴片机、再流焊的使用,约束力产品的设计开发,否则,设计出的产品则很难量产,此时DFM设计规则相对简单。

随着产品的集成度进一步增加,到了DFM中期,其成熟度进一步提高,主要原因是以BGA为代表的阵列器件的出现,但由此带来了一系列的问题。

 

    DFM面临的问题

1、DFM GAP越拉越大;

随着电子行业的反战,元器件沿着高速、高精度、高密、多层集成、动态电性能方向发展,而PCB设计工具的检测能力发展却无法匹配元器件的发展(如图6),而且这种趋势还会越来越严重。

图6:DFM检测与产品开发的差距越来越大

 

2、Checklist越来越长;

1)来自设计师的电气规则

  • 不同的功能有不同的设计要求
  • 不同的元件性能有不同的设计技巧

2)来自PCB厂家的工艺限制

  • 不同的加工设备有不同的加工能力
  • 不同的制造工艺有不同的工艺要求
  • 不同的PCB材料有不同的加工工艺

3)来自生产组装的规则

  • 不同的组装设备有不同的装配要求
  • 不同的元件封装有不同的装配要求

4)来自测试师的要求

  • 不同的测试设备有不同的测试要求
  • 不同的元件封装有不同的测试要求

5)来自机械结构师的要求

  • 不同的产品有不同总装工艺要求
  • 不同总装流程有不同的设计要求

 

3、传统的人工检查方法无法接受。

1)检查规则:

  • 电气、PCB生产、组装、测试、总装......

2)检查内容:

  • ALL Checklist,DRC

3)检查师条件:

  • 懂电气和工艺
  • 懂EDA或CAM等工具

4)检查要求:

  • 不能遗漏检查
  • 不能多次犯同一错误

5)检查结果:

  • 错误报告
  • 错误类型,位置及图片

 

4、设计和生产部门缺乏沟通平台

  • 产品设计师抱怨Layout人员没有全部实现他的要求
  • PCB厂家抱怨对光绘数据需做大量修改
  • 设计师抱怨PCB厂家改变了电气性能
  • 生产部门抱怨返修率太高、资料不齐全
  • 工艺部门抱怨制程工艺难度大
  • 标准化部门抱怨不符合企业规范
  • Layout人员抱怨干得越多责任越大
  • 部门协调会议开了很多还是解决不了问题

 

典型案例

案例一:裸板可制作性分析

1、对PCB层的分析;

图7给出了PCB层采用DFM分析的案例,可对PCB的阻焊设计、焊盘设计、Pitch、丝印标示、钻孔设计等设计规则进行分析,避免生产过程中的不良后果产生。否则,这些问题人工很难发现。

图7:PCB层采用DFM分析的案例

 

2、对电源/地层的分析;

图8列出了采用分析工具对电源/地层的分析情况,可对隔离带设计、花焊盘设计、焊盘误删、Pitch做分析,避免低级错误和故障发生,这在人工来分析几乎不可能。

图8:采用分析工具对电源/地层的分析案

 

案例二:PCB可组装性分析

识别基准点,矫正设备的无法识别或识别错误的风险,以及焊盘面积分布不均导致回流焊的虚焊风险,图9是采用专业软件的分析情况。

图9:采用专业软件的分析案例

 

案例三:PCB信号质量分析

图10、11列出来采用分析软件对信号质量的分析。

1、识别物理数据与CAD数据中网表比较,检查出开路及短路等;

图10:识别物理数据与CAD数据中网表比较案例

 

2、识别分叉、串扰、阻抗失配、EMI(考虑相邻电源/地层)等。

图11:识别分叉、串扰、阻抗失配、EMI分析

 

由此可见,完全依靠人工开展DFM已不可能,必须依靠专业的DFM工具,采用数字化技术才能很好地推进。

 

可制造性设计的发

传统的可制造性设计评审方法

传统的可制造性设计,如图12所示,PCB的设计时与PCB的生产是脱节的,需要经过多轮的试产来确定存在的可制造性问题,再反过来指导设计从而在批量前解决可制造性设计问题。

图12:传统的可制造性设计

 

DFM实时分析软件评审

图13给出了采用DFM再造后的并行设计的流程,应用案例如图14所示。

图13:采用DFM再造后的并行设计流程 

图14:设计和DFM分析的并行融合

 

DFM的发展

随着分析工具的成熟,DFM目前正向数字化、智能化方向演进,这种演进反过来进一步促进了数字化工厂的发展,从而会对智能制造、工业4.0做出贡献。现举例如下:

1、数字化样机;

    图15是Valor公司采用DFM分析软件给出的数字化三维样机,这可以提前发现以下问题:

1)以三维方式检查设计有无生产、测试方面的问题

2)优先考虑以下装配问题:

  •  防止头碰撞
  •  验证可否维修操作
  •  验证AOI/AXI头间距
  •  验证探针可否到达

3)输出IDF文件给机械CAD,以做空间干涉分析(尤其是高器件)

图15:数字化三维样机

 

2、钢网自动优化生成和优化;

钢网的生成和优化可以在此基础上进一步开展,如图16所示。

专家系统优化:

  •  根据管脚/焊盘比自动生成钢网层
  •  对特殊元件可自定义开孔外型
  •  可产生制作钢网的Laser数据
  •  亦可接受厂商钢网数据与Gerber比较,检验开刻数据的正确性

图16:钢网的生成和优化

 

3、PCB多拼板优化。

    图17给出了DFM模式下的PCB拼板优化方案:

  • 支持自动优化拼板
  • 支持自定义多种拼板
  • 支持阴阳拼板
  • 可输出Tooling数据格式

图17:DFM模式下的PCB拼板优化方案

 

DFM评审软件化面临的挑战

目前主流的设计软件有:Cadence allegro、Mentor、Zuken等,要实现自动化分析,则需要图像实施同步,以达到分析软件和EDA工具的匹配。但在现实中,我们面临各种各样的问题:

  • R&D输出的数据格式多种多样,不统一
  • 大部分数据格式需要有对应的文档说明
  • 这些数据格式基本不支持属性传递、属性扩展
  • 目前的数据格式里,没有任何一种数据格式能支持从研发到生产的整个流程
  • 无法形成高效的数据流

因此,采用统一的智能化数据格式,以一个数据集,提供所有制造数据,从而保障标准化、数据同源是十分必要的,也是DFM评审软件化、自动化分析的前提。

 

结语

从目前发展来看,DFM发展经历了前期、初期、中期,经历了软件化、数字化,目前正逐步走向自动化、智能化,未来DFM作为产品设计最具活力的组成部分,必须与人工智能、专家系统等技术相结合,以支持现代化产品设计的综合性、并行性需求。遵循信息交换标准并采用信息交换标准化的成果,以实现产品设计过程中各系统间的集成。

 

声明:

本文部分素材来源于Valor推进活动,在此表示感谢。其中观点属于个人看法,考虑不足之处,敬请谅解。

 

文章来源:中兴通讯——刘哲 王世堉 石一逴 王玉

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