DFM系統--PCB可制造性設計分析

中心議題：

• 可制造性設計（DFM）流程
• 可制造性設計（DFM）工具

解決方案：

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

“DFM”-一個(gè)由三個(gè)字母組成的縮寫(xiě)，其意義依據你在設計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(zhù)可制造性設計（DFM）的進(jìn)程，其中最常見(jiàn)的三種為：

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

要求設計更小更輕，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，嵌入式被動(dòng)及主動(dòng)零件類(lèi)的設計，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設計、制作及組裝變得更加復雜化。

縮短“產(chǎn)品上市時(shí)間”是一項緊迫的需求。由于PCB設計的反復可能導致設計周期平均增加幾個(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(wèn)題（導致設計反復的重要原因之一）在PCB設計時(shí)間盡早消除有絕對的必要性。

一般人認為，DFM只是簡(jiǎn)單地在PCBCAD系統上執行一些基本的錯誤檢查，來(lái)確定在PCB制作時(shí)線(xiàn)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結果意味著(zhù)設計已經(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、組裝及測試–消除可能導致額外時(shí)間及成本的多余工藝。一個(gè)全面優(yōu)化的設計甚至會(huì )考慮到產(chǎn)品的制造良率。

現在讓我們退一步看看，用戶(hù)在PCB設計時(shí)想利用可制造性設計（DFM）流程達到什么效果。

一個(gè)普遍接受的觀(guān)點(diǎn)是產(chǎn)品的設計對制造周期及單位產(chǎn)品成本具有重大且可測量的影響。換句話(huà)說(shuō)，不好的設計會(huì )導致更長(cháng)的制造時(shí)間及更高的成本。針對無(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的最終目標是要達成具成本效益的制造。這將通過(guò)保持高良率（低廢品）及最少的設計改版而實(shí)現。同時(shí)，我們還需要認識到DFM的應用使得工藝能力得到了全面的發(fā)揮，如通過(guò)新技術(shù)的應用–將設計從兩塊PCB集中到一塊PCB上，從而既節省了時(shí)間，又節約了成本。

DFM的使用不僅僅是回答“這個(gè)設計可以制造嗎”，而更是回答“這個(gè)設計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)生的想法或是設計完成后的額外補充。是的，確實(shí)存在那些可以被認定為DFM工具的獨立應用軟件，但總的來(lái)講，可制造性設計（DFM）工具必須被嵌入到所有工具里，并通過(guò)對必要規則的事先定義及在整個(gè)工具鏈中執行這些規則來(lái)獲得確保。許多PCB設計工具通過(guò)一個(gè)以規則為基礎的設計原理來(lái)符合這一模式，設計工具或者直接按照規則執行，或者至少可以做到規則檢查。

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(zhù)且獨立的內容，分別稱(chēng)為PCB制作、組裝及測試。
PCB制作包含與印刷電路板裸板生產(chǎn)的所有相關(guān)步驟（包含確保良品的測試和驗證）。

組裝是把所需的零件置放到裸板上的一個(gè)過(guò)程，它也可能包括系統組裝（例如將PCB組裝到一個(gè)系統內而成為一個(gè)完整的產(chǎn)品）。
測試包含ICT測試（確保正確的零件置放，包括正確的零件方向、零件值和正確的運行）以及功能測試（驗證整塊板的運行功能–它是否能實(shí)現所有的設計功能？）。測試內容也包含目檢及維修/返修方面的問(wèn)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–特別是當你需要生產(chǎn)成千上萬(wàn)的板子時(shí)。

如果僅僅是確保設計不在制造時(shí)出錯，則漏掉了一個(gè)在制造時(shí)對時(shí)間及成本產(chǎn)生重大影響的主要因素。除了按照規格或規則（物件大小，間距，間隔等）檢查設計數據內容以外，也需要看看將設計制造出來(lái)所需要的工藝類(lèi)型及數量。例如，如果設計者在設計時(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 )對每塊板的成本造成重大影響，通過(guò)使用同等功能的貼片組件代替則可以避免這樣的問(wèn)題發(fā)生。同樣，在設計中選用一個(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(guò)小心選用零件得到避免。在PCB制作部分，從雙面板到多層板，從貫孔到盲孔的設計，都會(huì )導致工藝的增加以及更多出錯的潛在因素，然而這些本是可以通過(guò)DFM分析得到避免的。

有兩種層級的DFM分析。第一種包含比較簡(jiǎn)單或“一般性”的測試（如那些對所有制造商都適用而不受制造商工藝能力影響的測試）。這一類(lèi)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（假設適當的規則已被預先設定），但它們傾向于提供的是“最壞情況”的結果，而沒(méi)有在如何更好的利用現有技術(shù)和工藝能力方面給予設計者足夠的幫助。

第二種層級的DFM分析要求對用到的工藝進(jìn)行詳細而準確的模型化–如對實(shí)際零件形狀及置件設備能力的考慮（可處理的零件類(lèi)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的分析結果，需要依據特定制造商的生產(chǎn)能力來(lái)進(jìn)行工藝模擬–需要根據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備包括哪些以及其設置。對測試、檢查及返修的設備能力也必須有更清楚的理解。要做到所有這些并不容易，特別是對那些并非在本廠(chǎng)制造的公司而言，因為要從外面的合同制造商（CEM）那里獲得這種詳細的工藝資料是不容易的。

另外，只參考設計數據內容并不能做到通盤(pán)考慮。對組裝設備的設置（將零件分配到料倉），組裝產(chǎn)線(xiàn)上設備的順序，平衡產(chǎn)線(xiàn)以達到優(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。盡管有些人可能認為這些屬于生產(chǎn)規劃，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，以及具備詳細的對組裝流程設置的知識如何能幫助設計者朝著(zhù)設計出可以高效率制造的產(chǎn)品設計方向邁進(jìn)。

由于規則的數量及復雜度，要想使PCBCAD工具能處理全部規則是不可能的，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、信號完整性、電磁效應等等的檢查。

因此必須同時(shí)運用專(zhuān)業(yè)的分析工具來(lái)找出潛在的問(wèn)題，針對如何解決問(wèn)題提出建議并允許用戶(hù)對每一個(gè)規則沖突的相對影響進(jìn)行調整和取舍。

這些專(zhuān)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(wèn)題的嚴重等級，給予設計者或NPI工程師更準確的信息。從而可以針對哪些問(wèn)題必須解決（如不可制造），哪些問(wèn)題最好能解決（在特別許可情況下可以制造），哪些問(wèn)題可以安全地被忽略（對制造/良率沒(méi)有影響）等等做出更加明智的決定。通過(guò)內置的計算器，可以進(jìn)行多種多樣的替換工作以嘗試規則合法性。

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