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电子产品可制造性设计：Design for Manufacturability


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本文介绍了电子产品可制造性设计的含义，分析了在电子产品设计中应用DFM技术的背景，对在电子产品开发过程中采用DFM技术对产品设计进程、成本、质量、加工效率、产品上市的积极作用进行了讨论，总结了电子产品DFM设计的主要内容和主要关注点，最后给出了DFM设计案例，印证了在电子产品开发中进行DFM设计的重要性。 1 前言 DFX是Design for X(面向产品生命周期各环节的设计)的缩写，其中X代表产品生命周期或其中某一环节如制造(M-Manufacturabi-lity)、装配(A-Assembly)、可靠性(R-Reliability)等。DFX包括：DFM：Design for Manufacturability可制造性设计，DFA：Design for Assembly可装配性设计，DFR：Design for Reliability可靠性设计，DFS：Design for Serviceability可服务性设计，DFT：Design for Test可测试性设计，DFE：Design for Environment面向环保的设计等。 DFX工程技术是世界上比较先进的新产品开发技术，这项技术在欧美大型企业中应用比较广泛，指产品开发过程和系统的设计时不但要考虑产品的功能和性能要求，而且要同时考虑与产品整个生命周期各阶段相关的工程因素，如可制造性DFM、可装配性DFA、可靠性DFR等。DFM就是要考虑制造的可能性、高效性和经济性，DFM的目标是在保证产品质量的前提下缩短产品开发周期、降低产品成本、提高加工效率。DFX在电子产品设计中的出现有其深刻的历史背景，这是由于当前电子产品市场竞争越来越激烈，公司必须保证产品能够快速进入市场，适应电子产品短生命周期的要求。DFX则是保证产品能否取得市场份额的关键因素。也有人将DFX中的X解释为卓越(excellence)，当产品设计中综合考虑了产品生命周期中各种因素时，就不仅完成了电子产品功能的设计，而且使其工程特性得到最优化，即实现了电子产品的卓越性设计(Design For eXcellence)。DFM作为DFX技术最核心的内容一直是DFX技术推行中最为重要的方面，也是影响DFX成效的主要因素。 2 电子产品设计中采用DFM的好处卓越性设计(DFX)的慨念是20世纪90年代中期由美国表面贴装协会首次提出的，它的目的是提倡在前期设计中考虑包括电子产品的可制造性设计以及其他的相关问题。传统的电子产品开发方法通常是设计-生产制造-销售各个阶段串行完成。由于设计阶段没有全面考虑制造要求，加之设计人员对制造知识和经验的欠缺，总会在制造时出现这样那样的问题，导致设计方案多次修改，PCB改板，重新生产验证等，要想得到满意的产品就需要多次重复这一过程，使得产品开发周期延长、成本增加。并行工程是对产品及其相关过程进行并行、一体化设计的一种系统化的工作模式，可制造性设计DFM就是并行工程中的主要应用工具之一。DFM正是基于并行设计的思想，通过在产品的概念设计和详细设计阶段，就考虑到制造生产过程中的工艺要求、测试组装的合理性，同时还要考虑到售后服务的要求，来保证在产品制造时满足成本、性能和质量的要求。DFM不再把设计看成为一个孤立的任务，它包括成本管理、系统的配合、PCB裸板的测试、元器件的组装工艺、产品质量检验和生产线的制造能力等。利用现代化设计工具EDA和DFM软件分析工具具有良好可制造性的电子产品。根据相关统计，电子产品成本的70%是在设计阶段就决定了，设计缺陷流到制造后端，其解决费用会成百倍的增加，因此越来越多的公司开始关注DFM。电子产品开发实施DFM可以带来的好处包括：保证选择的元器件能够满足本公司或外协厂家组装工艺的要求，保证设计出的PCB满足PCB供应商的制造能力、成品率和效率的要求，保证设计出的组装工艺路线高效、可靠、低成本，降低产品试制中出现的DFM问题数，PCBA的组装直通率达到公司的期望水平，保证元器件的布局和PCB的布线满足DFM设计规则要求等。通过这些设计规范要求的实施使得电子产品开发满足产品进度要求，同时制造成本低、制造效率高、上市时间短、改板次数少，从而提高客户队产品的满意度。 3 电子产品DFM设计的主要内容电子产品的可制造性设计核心在于印制电路板PCBA的DFM，印制电路板的DFM即是指板级电路模块面向制造的设计技术，此技术旨在开展高密度、高精度板级电路模块的组装设计、制造系统资源能力与状态的约束性分析，最终形成支持开发人员对电路模块的可制造性设计标准及指导性规范。涉及主要研究内容如下。 (1)基于公司产品特点的电子元器件的选择技术、新型封装元器件的焊盘图形设计技术；不同电子产品采用的元器件封装类型有很大的差别，比如便携类电子产品，如手机、PDA、笔记本电脑、数码相机等，采用的元器件一定是微型化的表面贴装器件，因为这样封装的器件有助于产品的微型化和便携性，而对于电源类产品，由于受表贴器件功率太小的限制，一般使用较多的插装类大功率器件，因此不同产品在制定器件选择的原则时会有较大的不同。这些器件的不同选择准则在产品概念设计阶段非常重要，它会影响到产品工艺路线的设计和制造效率。比如，对于便携式产品98%以上的器件都是SMD器件，如果设计人员没有DFM概念，选择了2%的THT器件，这样就会给后续的工艺路线设计带来极大的不便，如何为2%的THT器件设计加工路线将会成为一大困扰，如果在器件选择阶段避免了这个问题，后续的工艺路线设计就非常简单和高效。 (2)PCB几何尺寸设计、自动化生产所需的传送边、定位孔、定位符号设计。尽管印制电路板种类繁多，制造工艺不尽相同，但是体现在产品可制造性上主要反映在以下设计要素上：印制电路的外形尺寸和精度，受设备加工尺寸和精度要求限制，设计时应考虑最大和最小加工尺寸，尺寸精度和工艺边的设计。在考虑印制电路板电气性能的前提下，要考虑多层印制板最多层数的限制，中间介质层和板的总厚度要求，比如层数增加而总厚度又有限制，这时对PCB的可制造性就会带来挑战。 (3)PCB加工能力设计，如最小线宽、最小线间距、最小过孔孔径、最小厚径比设计 (4)组装工艺辅助材料的选用技术组装工艺的辅助材料也是DFM设计的重要内容，比如采用无铅焊接后，相应的助焊剂就需要更换为与无铅焊料相兼容的；又比如，对于散热器与IC器件之间的导热材料选择时必须考虑和分析器件的功率大小和散热需求。 (5)印制电路板工艺路线设计工艺路线是整个电路板组装的加工流程，工艺路线决定了PCBA的加工效率成本和元器件的选择，常见的组装工艺路线有以下几种：（图片）（图片）图1 电子组装常见工艺路线对于不同的工艺路线，在选择器件时就要考虑，如果PCBA设计为双面SMT工艺，这时就要保证所有的元件都是SMD器件，并且在PCB布局时要考虑到那些较重的IC器件不布局到第一次加工面（B面），因为对于双面SMT工艺来说，加工T面时，B面的器件会再次经受一次回流过程，太重的器件可能会在焊膏融化时出现掉件问题。同样对于正面是SMT工艺，而背面是波峰焊工艺的单板，必须考虑到有些器件是不能用波峰焊来焊接的，比如细间距的SOP和QFP器件，BGA器件，即使对于间距较大的SOP器件，在布局设计时也要考虑到波峰焊特点，对器件的布局方向做要求，使用的焊盘要考虑到波峰焊的特点，使用偷锡焊盘设计，以避免在波峰焊过程中器件引脚间连锡缺陷的发生。（图片）图2 不能进行波峰焊接的IC器件：BGA和QFN （图片）图3 考虑波峰焊工艺的SOP偷锡焊盘设计及布局要求（图片）图4 考虑波峰焊工艺的QFP偷锡焊盘设计及布局要求 (6)印制电路板印刷钢网设计钢网是进行SMT焊料印刷必须的工具，钢网设计主要包括根据PCB和元器件的特点来选择钢网的加工类型，比如对于有细间距IC器件的PCB，其组装时对印刷精度有较高的要求，这时就需要选择钢网开口精度准确的加工方式，比如激光切割加电抛光，或电铸钢网。而对于没有细间距器件的PCB组装来说，加工时选择普通激光切割的钢网就可以了。对于那些比较复杂的PCB，往往在PCB上有细间距的IC器件，同时也会有些器件对焊膏的需求量很大，细间距IC器件要求的锡膏量较少，所以钢网的厚度要求薄，比如0.12mm厚，而要求锡膏量多的器件需要厚的钢网才能保证焊接的可靠，这时就会出现矛盾，怎么办？因为只有一张钢网，这种情况阶梯形钢网就是一个很好的选择，阶梯钢网是在钢网的不同位置有不同的厚度，厚的地方可以是0.15mm，而薄的地方可以是0.12mm，这样通过使用阶梯钢网就满足了不同器件对锡膏量的不同要求。（图片）（图片） (7)组装设备资源能力分析技术 DFM有两层含义，一层含义是在产品设计时要考虑到制造能力的限制，保证设计满足制造能力的要求，另一层含义是在规划一条生产线时，要根据产品的特点来进行设备的配置，对组装设备的资源进行规划和分析。比如对于手机产品的制造来说，由于手机电路板大量使用0402以下的CHIP器件，这样的小器件的检测必须配备AOI设备。 (8)印制电路板的可制造性设计规范印制电路板的可制造性设计规范作为指导产品进行DFM设计的纲领性文件是必不可少的，应根据公司产品特点、质量要求和加工能力制定本公司的DFM设计规范。DFM设计规范应对PCB设计的主要方面进行明确而具体的要求，用来指导公司PCB的工艺设计。 (9)印制电路板的可制造性设计流程与平台可制造性流程与工艺平台是进行DFM设计的保证，DFM设计不仅是一个技术工作，还是一个管理工作，因为DFM的工作实现必须有流程的保证和平台的支撑，只有流程建立了，节点定义了，人员责任明确了，DFM的工作才能落实；同样这些工作的技术支撑就是平台，比如DFM软件分析平台，如VALOR软件工具，可以对PCB的可制造性进行详细的分析，将公司的设计规范加入VALOR规则中，它就可以自动对PCB进行可制造性分析。（图片） 4 电子产品DFM设计案例一般来说，在电子产品中价格最昂贵的元件是印制电路板PCB，没有推行DFM设计的公司在产品概念设计阶段很少分析PCB制造成本的影响，比如拼版方式的不同就会对PCB的制造成本产生较大影响，下图8和图9所示就是考虑DFM要求进行拼版优化和未进行拼版优化时PCB利用率的巨大差异。通过拼版优化PCB板材的利用率可以从58%提高到83%。（图片）（图片）图10(a)所示为焊盘设计时没有考虑到波峰焊接过程的特点，即器件焊盘设计太短，导致波峰焊焊接时由于器件遮挡锡波的阴影效应作用，使得左侧焊盘漏焊；而图10(b)则通过焊盘加长就解决了此问题。这是一个典型的DFM问题。（图片）图10 焊盘设计太短在波峰焊阴影效应作用下出现漏焊缺陷及改正焊盘长度后问题得以解决 5 结论本文介绍了面向可制造性的电子产品卓越性设计的含义，分析了在电子产品设计中应用DFM技术的背景，对在电子产品开发过程中采用DFM技术对产品设计进程、成本、质量、加工效率、产品上市的积极作用进行了讨论，总结了电子产品DFM设计的主要研究内容和设计中的主要关注点，最后给出了DFM设计案例，印证了在电子产品开发中进行DFM设计的重要性。 11/5/2012


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