可制造性设计——促进生产力的强大工具

上网时间: 2008年11月24日? 作者:Paul Barrow,产品经理,华尔莱科技公司? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:DFM? 可制造性设计? PCB设计?

在今天的电子业,有几种力量正在推动着可制造性设计(DFM)的进程,其中最常见的三种为:

·新技术带来的零件密度的增加

·缩短设计周期时间的需求

·外包及海外制造模式的实行

要求设计更小更轻,同时又要拥有更多功能的不断增加的需求为我们带来了新的印刷电路板制作技术,如顺序迭构,嵌入式被动及主动零件类的设计,以及零件封装技术的创新如Micro-BGA、CSP和POP。所有这一切都使PCB设计、制作及组装变得更加复杂化。

缩短“产品上市时间”是一项紧迫的需求。 由于PCB设计的反复可能导致设计周期平均增加几个星期,从而拖延了产品的上市时间,因此将可制造性问题(导致设计反复的重要原因之一)在PCB设计时间尽早消除有绝对的必要性。

一般人认为,DFM只是简单地在PCB CAD系统上执行一些基本的错误检查,来确定在PCB制作时线路不会短路,或确保在PCB组装时零件不会相互干涉。

而实际上,DFM结果意味着设计已经得到最大程度的优化,从而确保产品可以按最高效的方式制作、组装及测试 – 消除可能导致额外时间及成本的多余工艺。一个全面优化的设计甚至会考虑到产品的制造良率。

现在让我们退一步看看,用户在PCB设计时想利用可制造性设计(DFM)流程达到什么效果。

一个普遍接受的观点是产品的设计对制造周期及单位产品成本具有重大且可测量的影响。换句话说,不好的设计会导致更长的制造时间及更高的成本。针对无时不在的降低成本及缩短产品上市时间的压力,实施DFM的最终目标是要达成具成本效益的制造。这将通过保持高良率(低废品)及最少的设计改版而实现。同时,我们还需要认识到DFM的应用使得工艺能力得到了全面的发挥,如通过新技术的应用——将设计从两块PCB集中到一块PCB上,从而既节省了时间,又节约了成本。

DFM的使用不仅仅是回答“这个设计可以制造吗”,而更是回答“这个设计是否能被高效率地制造并且获利”。

最重要的是,DFM必须被看作为贯穿于整个新产品导入(NPI)流程链的一种作业逻辑思考。它不是一种事后产生的想法或是设计完成后的额外补充。是的,确实存在那些可以被认定为DFM工具的独立应用软件,但总的来讲,可制造性设计(DFM)工具必须被嵌入到所有工具里,并通过对必要规则的事先定义及在整个工具链中执行这些规则来获得确保。许多PCB设计工具通过一个以规则为基础的设计原理来符合这一模式,设计工具或者直接按照规则执行,或者至少可以做到规则检查。

制造(或生产)需要被划分为几个主要部分——各个部份具有显著且独立的内容,分别称为PCB制作、组装及测试。

PCB制作包含与印刷电路板裸板生产的所有相关步骤(包含确保良品的测试和验证)。

组装是把所需的零件置放到裸板上的一个过程,它也可能包括系统组装(例如将PCB组装到一个系统内而成为一个完整的产品)。

测试包含ICT测试(确保正确的零件置放,包括正确的零件方向、零件值和正确的运行)以及功能测试(验证整块板的运行功能——它是否能实现所有的设计功能?)。测试内容也包含目检及维修/返修方面的问题。

以上每个部份都有其特别的需求,必须考虑每个方面才能确保好的DFM结果。只用DFM检查PCB是否可以制作出来,但接下来却不能自动组装显然是不行的——特别是当你需要生产成千上万的板子时。

如果仅仅是确保设计不在制造时出错,则漏掉了一个在制造时对时间及成本产生重大影响的主要因素。除了按照规格或规则(物件大小,间距,间隔等)检查设计数据内容以外,也需要看看将设计制造出来所需要的工艺类型及数量。 例如,如果设计者在设计时只使用了一个插装组件,他却在制造链中立即自动引入了一个或更多个额外工艺(例如自动插件及波峰焊)——这显然会对每块板的成本造成重大影响,通过使用同等功能的贴片组件代替则可以避免这样的问题发生。同样,在设计中选用一个不能自动插装的“异形”零件将可能需要一个额外的手工组装工站,而这种情形则可以通过小心选用零件得到避免。在PCB制作部分,从双面板到多层板,从贯孔到盲孔的设计,都会导致工艺的增加以及更多出错的潜在因素,然而这些本是可以通过DFM分析得到避免的。

有两种层级的DFM分析。第一种包含比较简单或“一般性”的测试(如那些对所有制造商都适用而不受制造商工艺能力影响的测试)。这一类别包括简单的零件形状尺寸及间距检查,使用二维置件形状检查零件布局等。虽然这些因素可以在一定程度上防止制造出错(假设适当的规则已被预先设定),但它们倾向于提供的是“最坏情况” 的结果,而没有在如何更好的利用现有技术和工艺能力方面给予设计者足够的帮助。

第二种层级的DFM分析要求对用到的工艺进行详细而准确的模型化——如对实际零件形状及置件设备能力的考虑(可处理的零件类型、拾取头/夹爪的几何形状、插件顺序)。

然而,为取得好的第二层级的分析结果,需要依据特定制造商的生产能力来进行工艺模拟——需要根据选定制造商的工艺能力来进行PCB板制作检查;组装检查需要知道可供使用的组装设备包括哪些以及其设置。对测试、检查及返修的设备能力也必须有更清楚的理解。要做到所有这些并不容易,特别是对那些并非在本厂制造的公司而言,因为要从外面的合同制造商(CEM)那里获得这种详细的工艺资料是不容易的。

另外,只参考设计数据内容并不能做到通盘考虑。对组装设备的设置(将零件分配到料仓),组装产线上设备的顺序,平衡产线以达到优化的产出等等都是需要考虑的因素,这时必须用到软件。尽管有些人可能认为这些属于生产规划,然而在好的DFM流程中这些都是必要的,它证明了如零件选择等一些任务的重要性,以及具备详细的对组装流程设置的知识如何能帮助设计者朝着设计出可以高效率制造的产品设计方向迈进。

由于规则的数量及复杂度,要想使PCB CAD工具能处理全部规则是不可能的,不管是以自动还是交互式的方法;特别是如果我们考虑散热、信号完整性、电磁效应等等的检查。

因此必须同时运用专业的分析工具来找出潜在的问题,针对如何解决问题提出建议并允许用户对每一个规则冲突的相对影响进行调整和取舍。

这些专业工具提供的不仅仅是PCB CAD工具通常只能提供的“可行/不可行”检查,它们可以进行配置以提供问题的严重等级,给予设计者或 NPI工程师更准确的信息。从而可以针对哪些问题必须解决(如不可制造),哪些问题最好能解决(在特别许可情况下可以制造),哪些问题可以安全地被忽略(对制造/良率没有影响)等等做出更加明智的决定。 通过内置的计算器,可以进行多种多样的替换工作以尝试规则合法性。

总结来讲:PCB可制造性设计分析(DFM系统)是一个促进生产力的强大工具。它能促使你在毫无损失的情况下使设计更加小型化,降低产品上市时间并信心十足地在全球制造趋势中获利受益。如果不使用DFM,则你可能面临高成本、高风险的巨大挑战。


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