DFM系統(tǒng)--PCB可制造性設(shè)計(jì)分析

中心議題：

• 可制造性設(shè)計(jì)（DFM）流程
• 可制造性設(shè)計(jì)（DFM）工具

解決方案：

• 產(chǎn)品PCB制作
• 產(chǎn)品零部件組裝
• 產(chǎn)品成品測(cè)試

“DFM”-一個(gè)由三個(gè)字母組成的縮寫，其意義依據(jù)你在設(shè)計(jì)及制造流程鏈中所扮演的角色不同而不同，或是微不足道，或是舉足輕重。

在今天的電子業(yè)，有幾種力量正在推動(dòng)著可制造性設(shè)計(jì)（DFM）的進(jìn)程，其中最常見的三種為：

•新技術(shù)帶來(lái)的零件密度的增加
•縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間的需求
•外包及海外制造模式的實(shí)行

要求設(shè)計(jì)更小更輕，同時(shí)又要擁有更多功能的不斷增加的需求為我們帶來(lái)了新的印刷電路板制作技術(shù)，如順序迭構(gòu)，嵌入式被動(dòng)及主動(dòng)零件類的設(shè)計(jì)，以及零件封裝技術(shù)的創(chuàng)新如Micro-BGA、CSP和POP。所有這一切都使PCB設(shè)計(jì)、制作及組裝變得更加復(fù)雜化。

縮短“產(chǎn)品上市時(shí)間”是一項(xiàng)緊迫的需求。由于PCB設(shè)計(jì)的反復(fù)可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期平均增加幾個(gè)星期，從而拖延了產(chǎn)品的上市時(shí)間，因此將可制造性問題（導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)的重要原因之一）在PCB設(shè)計(jì)時(shí)間盡早消除有絕對(duì)的必要性。

一般人認(rèn)為，DFM只是簡(jiǎn)單地在PCBCAD系統(tǒng)上執(zhí)行一些基本的錯(cuò)誤檢查，來(lái)確定在PCB制作時(shí)線路不會(huì)短路，或確保在PCB組裝時(shí)零件不會(huì)相互干涉。

而實(shí)際上，DFM結(jié)果意味著設(shè)計(jì)已經(jīng)得到最大程度的優(yōu)化，從而確保產(chǎn)品可以按最高效的方式制作、組裝及測(cè)試–消除可能導(dǎo)致額外時(shí)間及成本的多余工藝。一個(gè)全面優(yōu)化的設(shè)計(jì)甚至?xí)紤]到產(chǎn)品的制造良率。

現(xiàn)在讓我們退一步看看，用戶在PCB設(shè)計(jì)時(shí)想利用可制造性設(shè)計(jì)（DFM）流程達(dá)到什么效果。

一個(gè)普遍接受的觀點(diǎn)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)制造周期及單位產(chǎn)品成本具有重大且可測(cè)量的影響。換句話說，不好的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的制造時(shí)間及更高的成本。針對(duì)無(wú)時(shí)不在的降低成本及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力，實(shí)施DFM的最終目標(biāo)是要達(dá)成具成本效益的制造。這將通過保持高良率（低廢品）及最少的設(shè)計(jì)改版而實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，我們還需要認(rèn)識(shí)到DFM的應(yīng)用使得工藝能力得到了全面的發(fā)揮，如通過新技術(shù)的應(yīng)用–將設(shè)計(jì)從兩塊PCB集中到一塊PCB上，從而既節(jié)省了時(shí)間，又節(jié)約了成本。

DFM的使用不僅僅是回答“這個(gè)設(shè)計(jì)可以制造嗎”，而更是回答“這個(gè)設(shè)計(jì)是否能被高效率地制造并且獲利”。

最重要的是，DFM必須被看作為貫穿于整個(gè)新產(chǎn)品導(dǎo)入（NPI）流程鏈的一種作業(yè)邏輯思考。它不是一種事后產(chǎn)生的想法或是設(shè)計(jì)完成后的額外補(bǔ)充。是的，確實(shí)存在那些可以被認(rèn)定為DFM工具的獨(dú)立應(yīng)用軟件，但總的來(lái)講，可制造性設(shè)計(jì)（DFM）工具必須被嵌入到所有工具里，并通過對(duì)必要規(guī)則的事先定義及在整個(gè)工具鏈中執(zhí)行這些規(guī)則來(lái)獲得確保。許多PCB設(shè)計(jì)工具通過一個(gè)以規(guī)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原理來(lái)符合這一模式，設(shè)計(jì)工具或者直接按照規(guī)則執(zhí)行，或者至少可以做到規(guī)則檢查。

制造（或生產(chǎn)）需要被劃分為幾個(gè)主要部份–各個(gè)部份具有顯著且獨(dú)立的內(nèi)容，分別稱為PCB制作、組裝及測(cè)試。
PCB制作包含與印刷電路板裸板生產(chǎn)的所有相關(guān)步驟（包含確保良品的測(cè)試和驗(yàn)證）。

組裝是把所需的零件置放到裸板上的一個(gè)過程，它也可能包括系統(tǒng)組裝（例如將PCB組裝到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)而成為一個(gè)完整的產(chǎn)品）。
測(cè)試包含ICT測(cè)試（確保正確的零件置放，包括正確的零件方向、零件值和正確的運(yùn)行）以及功能測(cè)試（驗(yàn)證整塊板的運(yùn)行功能–它是否能實(shí)現(xiàn)所有的設(shè)計(jì)功能？）。測(cè)試內(nèi)容也包含目檢及維修/返修方面的問題。

以上每個(gè)部份都有其特別的需求，必須考慮每個(gè)方面才能確保好的DFM結(jié)果。只用DFM檢查PCB是否可以制作出來(lái)，但接下來(lái)卻不能自動(dòng)組裝顯然是不行的–特別是當(dāng)你需要生產(chǎn)成千上萬(wàn)的板子時(shí)。

如果僅僅是確保設(shè)計(jì)不在制造時(shí)出錯(cuò)，則漏掉了一個(gè)在制造時(shí)對(duì)時(shí)間及成本產(chǎn)生重大影響的主要因素。除了按照規(guī)格或規(guī)則（物件大小，間距，間隔等）檢查設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)容以外，也需要看看將設(shè)計(jì)制造出來(lái)所需要的工藝類型及數(shù)量。例如，如果設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)只使用了一個(gè)插裝組件，他卻在制造鏈中立即自動(dòng)引入了一個(gè)或更多個(gè)額外工藝（例如自動(dòng)插件及波峰焊）-這顯然會(huì)對(duì)每塊板的成本造成重大影響，通過使用同等功能的貼片組件代替則可以避免這樣的問題發(fā)生。同樣，在設(shè)計(jì)中選用一個(gè)不能自動(dòng)插裝的“異形”零件將可能需要一個(gè)額外的手工組裝工站，而這種情形則可以通過小心選用零件得到避免。在PCB制作部分，從雙面板到多層板，從貫孔到盲孔的設(shè)計(jì)，都會(huì)導(dǎo)致工藝的增加以及更多出錯(cuò)的潛在因素，然而這些本是可以通過DFM分析得到避免的。

有兩種層級(jí)的DFM分析。第一種包含比較簡(jiǎn)單或“一般性”的測(cè)試（如那些對(duì)所有制造商都適用而不受制造商工藝能力影響的測(cè)試）。這一類別包括簡(jiǎn)單的零件形狀尺寸及間距檢查，使用二維置件形狀檢查零件布局等。雖然這些因素可以在一定程度上防止制造出錯(cuò)（假設(shè)適當(dāng)?shù)囊?guī)則已被預(yù)先設(shè)定），但它們傾向于提供的是“最壞情況”的結(jié)果，而沒有在如何更好的利用現(xiàn)有技術(shù)和工藝能力方面給予設(shè)計(jì)者足夠的幫助。

第二種層級(jí)的DFM分析要求對(duì)用到的工藝進(jìn)行詳細(xì)而準(zhǔn)確的模型化–如對(duì)實(shí)際零件形狀及置件設(shè)備能力的考慮（可處理的零件類型、拾取頭/夾爪的幾何形狀、插件順序）。

然而，為取得好的第二層級(jí)的分析結(jié)果，需要依據(jù)特定制造商的生產(chǎn)能力來(lái)進(jìn)行工藝模擬–需要根據(jù)選定制造商的工藝能力來(lái)進(jìn)行PCB板制作檢查；組裝檢查需要知道可供使用的組裝設(shè)備包括哪些以及其設(shè)置。對(duì)測(cè)試、檢查及返修的設(shè)備能力也必須有更清楚的理解。要做到所有這些并不容易，特別是對(duì)那些并非在本廠制造的公司而言，因?yàn)橐獜耐饷娴暮贤圃焐蹋–EM）那里獲得這種詳細(xì)的工藝資料是不容易的。

另外，只參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)容并不能做到通盤考慮。對(duì)組裝設(shè)備的設(shè)置（將零件分配到料倉(cāng)），組裝產(chǎn)線上設(shè)備的順序，平衡產(chǎn)線以達(dá)到優(yōu)化的產(chǎn)出等等都是需要考慮的因素，這時(shí)必須用到軟件。盡管有些人可能認(rèn)為這些屬于生產(chǎn)規(guī)劃，然而在好的DFM流程中這些都是必要的，它證明了如零件選擇等一些任務(wù)的重要性，以及具備詳細(xì)的對(duì)組裝流程設(shè)置的知識(shí)如何能幫助設(shè)計(jì)者朝著設(shè)計(jì)出可以高效率制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向邁進(jìn)。

由于規(guī)則的數(shù)量及復(fù)雜度，要想使PCBCAD工具能處理全部規(guī)則是不可能的，不管是以自動(dòng)還是交互式的方法；特別是如果我們考慮散熱、信號(hào)完整性、電磁效應(yīng)等等的檢查。

因此必須同時(shí)運(yùn)用專業(yè)的分析工具來(lái)找出潛在的問題，針對(duì)如何解決問題提出建議并允許用戶對(duì)每一個(gè)規(guī)則沖突的相對(duì)影響進(jìn)行調(diào)整和取舍。

這些專業(yè)工具提供的不僅僅是PCBCAD工具通常只能提供的“可行/不可行”檢查（如圖）


它們可以進(jìn)行配置以提供問題的嚴(yán)重等級(jí)，給予設(shè)計(jì)者或NPI工程師更準(zhǔn)確的信息。從而可以針對(duì)哪些問題必須解決（如不可制造），哪些問題最好能解決（在特別許可情況下可以制造），哪些問題可以安全地被忽略（對(duì)制造/良率沒有影響）等等做出更加明智的決定。通過內(nèi)置的計(jì)算器，可以進(jìn)行多種多樣的替換工作以嘗試規(guī)則合法性。

總結(jié)來(lái)講：PCB可制造性設(shè)計(jì)分析（DFM系統(tǒng)）是一個(gè)促進(jìn)生產(chǎn)力的強(qiáng)大工具。它能促使你在毫無(wú)損失的情況下使設(shè)計(jì)更加小型化，降低產(chǎn)品上市時(shí)間并信心十足地在全球制造趨勢(shì)中獲利受益。如果不使用DFM，則你可能面臨高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的巨大挑戰(zhàn)。