DFX技術(shù)與電子產(chǎn)品設計

2004年5月B版

摘  要:　本文主要通過(guò)對電子產(chǎn)品設計中的的一些問(wèn)題的觀(guān)察和分析，結合DFX技術(shù)的特點(diǎn)，主要介紹了DFM技術(shù)在電子產(chǎn)品設計與電子裝配中的應用；強調通過(guò)DFX與電子產(chǎn)品設計的結合，將有助于提高產(chǎn)品投入市場(chǎng)的效率，有效減少因產(chǎn)品設計不合理和不可靠給市場(chǎng)的拓展和產(chǎn)品發(fā)展潛力帶來(lái)的壓力。

關(guān)鍵詞:　電子產(chǎn)品設計;  DFX;   DFM

引言

　　進(jìn)入上個(gè)世紀90年代以來(lái)，電子領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，各種產(chǎn)品的設計開(kāi)發(fā)以及市場(chǎng)的推廣進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。電子產(chǎn)品設計師正面臨著(zhù)比以往更艱巨的挑戰：客戶(hù)要求產(chǎn)品價(jià)格更低、產(chǎn)品質(zhì)量更高同時(shí)交貨周期更短。如何更快地去設計更多功能、更小體積、性?xún)r(jià)比更高、能夠最大程度滿(mǎn)足客戶(hù)需求的產(chǎn)品成為各電子設計師努力追求的目標。

　　但由于長(cháng)期以來(lái)的思維和操作定式，產(chǎn)品在開(kāi)發(fā)與制造環(huán)節之間始終存在“間隙”，設計出來(lái)的產(chǎn)品往往面臨(1)不符合制造能力的要求，從而需要大量維修工作，導致產(chǎn)品質(zhì)量低下，產(chǎn)品設計需求多次修改；(2)產(chǎn)品根本無(wú)法制造，設計人員必須另起爐灶、從頭開(kāi)始，浪費了大量的人力、物力，嚴重削弱了企業(yè)在同行業(yè)中的競爭實(shí)力；(3)產(chǎn)品可靠性差，客戶(hù)投訴多，售后服務(wù)投入大，企業(yè)入不敷出，產(chǎn)品生命周期縮短，最終導致企業(yè)無(wú)以為繼。

DFX/DFM技術(shù)

　　種種問(wèn)題，都與產(chǎn)品的可制造性聯(lián)系在一起，這是現代電子產(chǎn)品和設計中必須考慮的重要因素。眾所周知，設計階段決定了一個(gè)產(chǎn)品約80%左右的制造成本。根據對國內外企業(yè)的調查可以發(fā)現，凡是企業(yè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)持續力好，成果轉化能力強，產(chǎn)品質(zhì)量穩定，必然與企業(yè)對研發(fā)的觀(guān)念和推行的保障體系相關(guān)，最關(guān)鍵的問(wèn)題在于企業(yè)是否有一套針對新產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。DFX工程技術(shù)是世界上比較先進(jìn)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)可制造性分析技術(shù)。這項技術(shù)在歐美企業(yè)中應用比較廣泛，在國內則起步較晚，目前正在推廣之中。所謂DFX是Design for X(面向產(chǎn)品生命周期各/某環(huán)節的設計)的縮寫(xiě)。 其中，X可以代表產(chǎn)品生命周期或其中某一環(huán)節，如裝配(M-制造，T-測試)、加工、使用、維修、回收、報廢等，也可以代表產(chǎn)品競爭力或決定產(chǎn)品競爭力的因素，如質(zhì)量、成本(C)、時(shí)間等等。包括：

DFP: Design for Procurement  可采購設計

DFM: Design  for  Manufacture   可生產(chǎn)設計；

DFT: Design for Test  可測試設計；

DFD: Design for Diagnosibility  可診斷分析設計；

DFA: Design for Assembly 可組裝設計；

DFE: Design for Environment 可環(huán)保設計；

DFF: Design for Fabrication of the PCB  為PCB可制造而設計；

DFS: Design for Serviceability  可服務(wù)設計；

DFR: Design for Reliability  為可靠性而設計；

DFC: Design for Cost  為成本而設計

　　這里的設計不僅僅指產(chǎn)品的設計，也指產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程和系統的設計。在產(chǎn)品設計時(shí)，不但要考慮功能和性能要求, 而且要同時(shí)考慮與產(chǎn)品整個(gè)生命周期各階段相關(guān)的因素。包括制造的可能性、高效性和經(jīng)濟性等。其目標是在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下縮短開(kāi)發(fā)周期降低成本。這是一項設計中的并行工程。DFX的出現有其深刻的歷史背景，這是由于當前電子產(chǎn)品市場(chǎng)競爭越來(lái)越激烈，如何使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)、適應短生命周期產(chǎn)品的要求，是一種產(chǎn)品能否取得市場(chǎng)份額的關(guān)鍵因素。DFX技術(shù)就是在這樣一個(gè)環(huán)境中應運而生。DFX的含義即是從產(chǎn)品的概念開(kāi)始，考慮其可制造性和可測試性，使設計和制造之間緊密聯(lián)系、相互影響，從設計到制造一次成功。這種設計概念及設計方法可縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間、降低成本、提高產(chǎn)量。以往，公司通常的做法是：新產(chǎn)品從設計到生產(chǎn)乃至交付用戶(hù)使用的過(guò)程總是從一個(gè)部門(mén)提交到下一個(gè)部門(mén)，這種過(guò)程是一個(gè)順序工程。出于各環(huán)節串行，生產(chǎn)準備只能在設計完全結束后起動(dòng)，延長(cháng)了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，喪失了占領(lǐng)市場(chǎng)的機會(huì ).更嚴重的是設計與制造的嚴重分離,產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)部門(mén)沒(méi)有及時(shí)吸收制造和工程部門(mén)對新產(chǎn)品的改進(jìn)意見(jiàn)，致使產(chǎn)品試生產(chǎn)時(shí)才發(fā)現問(wèn)題反復修改或帶著(zhù)某種缺陷交給用戶(hù),造成開(kāi)發(fā)成本增加，時(shí)間延長(cháng)，質(zhì)量降低。如果能夠排除設計、制造和維修之間的溝通障礙，在設計階段就解決可制造性(DFM)、可測試性(DFT)等技術(shù)問(wèn)題，將通常在制造階段才暴露出來(lái)的問(wèn)題提前在設計階段加以解決，就可以省去多次的改版和不必要的設計更改，從而大大降低成本。

　　DFM技術(shù)即可制造性分析技術(shù)是DFX中的一個(gè)重要部分，在電子設計及電子裝配制造上的應用尤為廣泛。在《加工與制造工程師手冊》一書(shū)中作者William H.Cubberly和Raman Bakerjian對此作了如下解釋?zhuān)?DFM主要研究產(chǎn)品本身的物理設計與制造系統各部分之間的相互關(guān)系，并把它用于產(chǎn)品設計中以便將整個(gè)制造系統融合在一起進(jìn)行總體優(yōu)化。DFM可以降低產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期和成本，使之能更順利地投入生產(chǎn)。"換而言之，DFM就是要在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中及早發(fā)現問(wèn)題并加以解決。通過(guò)這一方法降低成本、縮短產(chǎn)品投入市場(chǎng)的時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品的可制造性、縮短生產(chǎn)時(shí)間、提高工作效率。根據HP公司對產(chǎn)品設計與成本之間的關(guān)系的調查數據表明：產(chǎn)品總成本的60％取決于最初的設計，75％的制造成本取決于設計說(shuō)明和設計規范，70~80％的生產(chǎn)缺陷是由于設計原因造成的，可見(jiàn)，在產(chǎn)品的設計階段進(jìn)行可制造性分析，對于提高設計產(chǎn)品的可靠性、穩定性，增強產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的競爭實(shí)力具有舉足輕重的作用。DFM技術(shù)在電子產(chǎn)品設計與制造中的突出作用在于：第一，有利于流程的標準化，通過(guò)DFM規范，將設計和制造部門(mén)有機地聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)達到生產(chǎn)測試設備地標準化；第二，有利于技術(shù)轉移，基于目前的產(chǎn)品制造外包趨勢(OEM/EMS),DFM技術(shù)有助于各方擁有共同的技術(shù)溝通語(yǔ)言，能夠實(shí)現產(chǎn)品技術(shù)的專(zhuān)業(yè)化轉移，以便迅速在世界各地組織生產(chǎn)，有利于企業(yè)實(shí)現全球化策略；第三，降低新技術(shù)引進(jìn)成本，減少測試工藝開(kāi)發(fā)的龐大費用；第四，節約成本，改善供貨能力，有效利用資源，低成本、高質(zhì)量、高效率地制造出產(chǎn)品；第五，提前對產(chǎn)品開(kāi)發(fā)進(jìn)行驗證，減少投產(chǎn)后出現各種產(chǎn)品設計更改；最后，DFM對于日益復雜的PCB/SMT技術(shù)的挑戰，具有相當良好的適應能力。

DFM技術(shù)和產(chǎn)品設計相結合的應用

　　DFM技術(shù)在電子設計及電子裝配制造上的應用主要通過(guò)一定的規范和流程，輔以專(zhuān)業(yè)化工具來(lái)實(shí)現的，圖1表述的就是運用DFM技術(shù)、運用專(zhuān)業(yè)化工具協(xié)同PCB設計的一個(gè)例子，我們可以看到，在電子產(chǎn)品的設計中，布線(xiàn)、器件安排都得到了DFM技術(shù)的支持和反饋，最后得到的是“RIGHT-FIRST-TIME"制造，即第一次投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品就是設計正確而且合理的產(chǎn)品，擁有相當高的一次成品率。

　　DFM按時(shí)間可劃分為四個(gè)階段，分別為協(xié)作性設計(Collaborative Design)、綜合分析(Compreh-ensive Analysis)、試制前分析(Basic  Pre-Release Analysis)和試制后分析(Post -Release Review). 不同階段的實(shí)施對產(chǎn)品設計和生產(chǎn)成本的影響也是不同的。協(xié)作性設計階段是分析所有設計要素，貫穿整個(gè)設計過(guò)程，與設計同步開(kāi)始；綜合分析是在設計周期的早期階段，綜合設計、成本、質(zhì)量的要求，尋找最合理的設計平衡點(diǎn)；試制前分析，主要在試制之前檢查設計內容，從DFM、DFT(ICT)和設計文件方面檢查產(chǎn)品設計的合理性；試制后分析主要指試制后的反饋，將試制中發(fā)現的問(wèn)題總結并反饋給設計師，以便在可行的范圍內及時(shí)更新設計，提高產(chǎn)品的可制造性，但畢竟已是亡羊補牢。

　　總體來(lái)說(shuō)，DFM階段越早，發(fā)現的問(wèn)題就越容易解決，帶來(lái)的損失也就越小。比如，圖2的設計，是在SMT焊盤(pán)中存在的通孔設計，這在規范上是需要加以避免的，它將引起SMT器件焊點(diǎn)的不良率，直接造成產(chǎn)品故障。如果在試制中發(fā)現，再去修改設計，時(shí)間和材料上的浪費顯而易見(jiàn)。

　　再比如，器件在PCB上的方向和不同器件互相之間間隔的設定(見(jiàn)圖3)，對產(chǎn)品在制造過(guò)程中出現故障的幾率也起到相當重要的作用。如果器件排布的方向與工藝走向不符，如果小器件被大器件所遮蔽，那么這些器件必然會(huì )發(fā)生“合理”的故障。

　　同樣，焊盤(pán)與板邊的臨界分析、測試點(diǎn)到裸銅的距離分析、焊盤(pán)到焊盤(pán)的距離分析(見(jiàn)圖4－6)都是電子裝配產(chǎn)品制造中重要的考慮因素，遵循DFM規則必然帶來(lái)可以預見(jiàn)的產(chǎn)品收益，反之則是預見(jiàn)的產(chǎn)品損益。

　　以上只是舉了DFM分析技術(shù)在實(shí)際上的一些應用，雖然只是功能上的“冰山一角”，但相信我們也能體會(huì )到DFM技術(shù)在設計中的重要性，DFM技術(shù)的應用的確能夠幫助產(chǎn)品設計抓住投入制造的關(guān)鍵因素，從根本上解決了設計產(chǎn)品到投入制造的原有瓶頸，有效提高了設計人員的工作效率，減少了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的成本，并盡可能延長(cháng)了產(chǎn)品的生命周期。

結語(yǔ)

　　通過(guò)無(wú)數次的分析和測試，DFM技術(shù)在以下幾個(gè)方面體現出巨大的效益：(1)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間縮短，反復次數減少。(2)新產(chǎn)品的工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量提高。(3)減少制造時(shí)間和生產(chǎn)成本。(4)新產(chǎn)品正式投產(chǎn)后能很快達到成熟的生產(chǎn)期。它通常應用在對PCB的設計工藝性、結構件的設計工藝性、整機的裝配工藝性、可測試性設計和成本方面的分析上，具有軟件模擬的功能，實(shí)時(shí)性強，具有實(shí)際指導意義。它可以解決諸如設計問(wèn)題、器件選用、布線(xiàn)、共面性、合理布局等方面的實(shí)際問(wèn)題，也可以對制造過(guò)程中的故障率，測試覆蓋率等作出預測，

　　有報道稱(chēng)，美國在"新一代制造計劃"中指出未來(lái)的制造模式將是：批量小、質(zhì)量高、成本低、交貨期短、生產(chǎn)柔性、環(huán)境友好。這對于習慣于計劃預制、批量生產(chǎn)的企業(yè)來(lái)說(shuō)，無(wú)疑具有相當大的挑戰性。DFX/DFM技術(shù)的引進(jìn)和推廣，能夠幫助企業(yè)從設計開(kāi)始就具備現代制造理念，一切從可制造性原理出發(fā)，減少不必要的成本，使企業(yè)應對挑戰、把握未來(lái)成為可能?！?/P>

參考文獻

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2．Design for Manufacturability (DFM) Guidelines, Alcatel , August 2003

3．特雷西.泰勒(美)，為制造著(zhù)想的設計(DFM, Design For Manufacture)

4．IPC-D-279 standard, Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies