摘要：
可製造性設計（DFM,Design For Manufacture），tazhuyaoshiyanjiuchanpinbenshendewulitezhengyuzhizaozhijiandexianghuguanxi，bingbatayingyongyuchanpinshejizhong，yibianjiangzhenggezhizaoxitongronghezaiyiqijinxingzongtiyouhua，shizhigengguifan，yibianjiangdichengben、縮短生產時間、提高產品可製造性和工作效率。可製造性設計的的核心就是在不影響產品功能設計的前提下,將產品的製造工藝溶入其中,在設計中構建可製造性,其實就是產品的並行開發模式。
本文著重從可製造性設計DFM的發展曆史進行介紹，通過典型案例的應用介紹DFM的建立過程和自動化、智能化的應用前景。
引言
可製造性設計（DFM,Design for Manufacturing），它ta主zhu要yao是shi研yan究jiu產chan品pin本ben身shen的de物wu理li特te征zheng與yu製zhi造zao係xi統tong各ge部bu分fen之zhi間jian的de相xiang互hu關guan係xi，在zai不bu影ying響xiang產chan品pin功gong能neng的de前qian提ti下xia，從cong產chan品pin的de初chu步bu規gui劃hua到dao產chan品pin的de投tou入ru生sheng產chan的de整zheng個ge設she計ji過guo程cheng進jin行xing參can與yu，使shi之zhi標biao準zhun化hua和he簡jian單dan化hua，從cong而er讓rang產chan品pin的de設she計ji更geng有you利li於yu生sheng產chan及ji使shi用yong。它ta應ying用yong於yu產chan品pin設she計ji中zhong，以yi便bian將jiang整zheng個ge製zhi造zao係xi統tong融rong合he在zai一yi起qi進jin行xing總zong體ti優you化hua，使shi之zhi更geng規gui範fan，以yi便bian降jiang低di成cheng本ben、縮短生產時間、提高產品可製造性和工作效率，從而減少整個產品的製造成本（特別是元器件和加工工藝方麵），簡化工藝流程，減少模具及工具的複雜性。
圖1給出了DFM框架和運作模式演變。
圖1：DFM框架
對DFM的(de)理(li)解(jie)應(ying)從(cong)兩(liang)個(ge)方(fang)麵(mian)考(kao)慮(lv)，一(yi)方(fang)麵(mian)是(shi)從(cong)設(she)計(ji)角(jiao)度(du)來(lai)講(jiang)，設(she)計(ji)的(de)產(chan)品(pin)要(yao)滿(man)足(zu)工(gong)藝(yi)的(de)要(yao)求(qiu)。這(zhe)樣(yang)講(jiang)主(zhu)要(yao)是(shi)基(ji)於(yu)工(gong)藝(yi)能(neng)力(li)是(shi)由(you)設(she)備(bei)能(neng)力(li)決(jue)定(ding)的(de)，而(er)設(she)備(bei)能(neng)力(li)的(de)建(jian)立(li)一(yi)旦(dan)確(que)定(ding)下(xia)來(lai)，也(ye)就(jiu)意(yi)味(wei)著(zhe)工(gong)藝(yi)能(neng)力(li)的(de)不(bu)可(ke)改(gai)變(bian)。因(yin)此(ci)，一(yi)旦(dan)工(gong)藝(yi)能(neng)力(li)確(que)定(ding)下(xia)來(lai)了(le)，產(chan)品(pin)設(she)計(ji)就(jiu)必(bi)須(xu)滿(man)足(zu)工(gong)藝(yi)能(neng)力(li)的(de)要(yao)求(qiu)，否(fou)則(ze)設(she)計(ji)出(chu)的(de)產(chan)品(pin)就(jiu)無(wu)法(fa)大(da)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)。另(ling)一(yi)方(fang)麵(mian)是(shi)在(zai)產(chan)品(pin)設(she)計(ji)的(de)同(tong)時(shi)，會(hui)用(yong)到(dao)新(xin)材(cai)料(liao)、新器件、新工藝和新設備，這時候，工藝人員就要評估這些需求的合理性，當現有工藝能力無法滿足時，就要啟動工藝研發，通過工藝試驗/驗證，找出合適的工藝技術，提升現有設備能力，來解決這些新的需求。
由此可見，DFM是雙向的，產品開發和工藝都需要投入其中，並行開展，缺一不可。
DFX與設計流程再造
卓越性設計（DFX, Design For eXcellence），在IPC-DFX標準中詳細講述了DFX的內涵。其中，從某種意義上講，X可以代表產品生命周期或其中某一環節，如裝配（M-製，T-測試）、加工、使用、維修、回收、報廢等，也可以代表產品競爭力或決定產品競爭力的因素，如質量（Q）、成本（C）等等，包括：
DFM: Design for Manufacture，可製造設計;
DFA: Design for Assembly，可組裝設計;
DFT: Design for Test，可測試設計;
DFR: Design for Repair，可維修性設計;
DFU: Design for User，可用性設計;
DFP: Design for Procurement，可采購設計
DFD: Design for Diagnosibility，可診斷分析設計;
DFE: Design for Environment，可環保設計;
DFS: Design for Serviceability，可服務設計;
DFR: Design for Reliability，可靠性設計;
DFC: Design for Cost，為成本而設計。
圖2給出了DFX內涵等相關內容。
圖2：DFX內涵
DFX的推進，可以優化原有的產品設計流程，促進研發流程再造。圖3給出了流程改進前後的效果，應該來講對產品開發周期（T）、質量（Q）、成本（C）、售後服務（S）都有極大的促進。
圖3：DFX對設計循環的改進
DFM屬於DFX中的一支，隨著電子工業的發展，DFM在產品的設計中占據越來越重要的地位，對產品的成本的關鍵影響因素中所花費的成本最小（隻有5%），但對產品的影響卻占到70%的比重。因此，我們不能抱著僥幸的心理：XX問題沒什麼，生產操作控製一下就行了；XX問題無所謂，客戶不會注意到；.......。
我們需要在產品生命周期的早期階段一次性把事情作對！圖4給出了各角色的影響程度分析。
圖4：各角色的影響程度
可製造性設計的意義和自動化數字化的重要性
可製造性設計的價值和發展
由前麵分析來看，DFM可製造性設計具有如下價值：
縮短產品研發周期，為產品快速推向市場贏取時間；
降低製造成本，提高產品競爭力；
提高產品全麵的可靠性；
有利於生產過程的標準化、自動化、提高生產效率；
有利於技術轉移，簡化產品轉移流程，加強公司間的協作溝通；
提升產品售後的競爭力。
圖5為某單位統計的DFM的價值體現。
圖5：某單位統計的DFM價值體現
DFM發展經曆了THT插件時代的前期，SMT導入時的初期以及SMT向高密發展的中期等幾個裏程碑。
DFM前期主要是插件器件為特征，由於成型設備的存在，因此，製造對設計的要求幾乎沒有，產品開發人員設計比較靈活。
DFM導入期則是DFM設計要求被提到日程時，主要特征是表貼化初期，封裝以SOP、QFP等翼型封裝的表貼器件為主。此時，自動化程度比較高的的印刷機、貼片機、再流焊的使用，約束力產品的設計開發，否則，設計出的產品則很難量產，此時DFM設計規則相對簡單。
隨著產品的集成度進一步增加，到了DFM中期，其成熟度進一步提高，主要原因是以BGA為代表的陣列器件的出現，但由此帶來了一係列的問題。
DFM麵臨的問題
1、DFM GAP越拉越大；
隨著電子行業的反戰，元器件沿著高速、高精度、高密、多層集成、動態電性能方向發展，而PCB設計工具的檢測能力發展卻無法匹配元器件的發展（如圖6），而且這種趨勢還會越來越嚴重。
圖6：DFM檢測與產品開發的差距越來越大
2、Checklist越來越長；
1）來自設計師的電氣規則
不同的功能有不同的設計要求
不同的元件性能有不同的設計技巧
2）來自PCB廠家的工藝限製
不同的加工設備有不同的加工能力
不同的製造工藝有不同的工藝要求
不同的PCB材料有不同的加工工藝
3）來自生產組裝的規則
不同的組裝設備有不同的裝配要求
不同的元件封裝有不同的裝配要求
4）來自測試師的要求
不同的測試設備有不同的測試要求
不同的元件封裝有不同的測試要求
5）來自機械結構師的要求
不同的產品有不同總裝工藝要求
不同總裝流程有不同的設計要求
3、傳統的人工檢查方法無法接受。
1）檢查規則：
電氣、PCB生產、組裝、測試、總裝......
2）檢查內容：
ALL Checklist，DRC
3）檢查師條件：
懂電氣和工藝
懂EDA或CAM等工具
4）檢查要求：
不能遺漏檢查
不能多次犯同一錯誤
5）檢查結果：
錯誤報告
錯誤類型，位置及圖片
4、設計和生產部門缺乏溝通平台
產品設計師抱怨Layout人員沒有全部實現他的要求
PCB廠家抱怨對光繪數據需做大量修改
設計師抱怨PCB廠家改變了電氣性能
生產部門抱怨返修率太高、資料不齊全
工藝部門抱怨製程工藝難度大
標準化部門抱怨不符合企業規範
Layout人員抱怨幹得越多責任越大
部門協調會議開了很多還是解決不了問題
典型案例
案例一：裸板可製作性分析
1、對PCB層的分析；
圖7給出了PCB層采用DFM分析的案例，可對PCB的阻焊設計、焊盤設計、Pitch、絲印標示、鑽孔設計等設計規則進行分析，避免生產過程中的不良後果產生。否則，這些問題人工很難發現。
圖7：PCB層采用DFM分析的案例
2、對電源/地層的分析；
圖8列出了采用分析工具對電源/地層的分析情況，可對隔離帶設計、花焊盤設計、焊盤誤刪、Pitch做分析，避免低級錯誤和故障發生，這在人工來分析幾乎不可能。圖8：采用分析工具對電源/地層的分析案例
案例二：PCB可組裝性分析
識別基準點，矯正設備的無法識別或識別錯誤的風險，以及焊盤麵積分布不均導致回流焊的虛焊風險，圖9是采用專業軟件的分析情況。
圖9：采用專業軟件的分析案例
案例三：PCB信號質量分析
圖10、11列出來采用分析軟件對信號質量的分析。
1、識別物理數據與CAD數據中網表比較，檢查出開路及短路等；
圖10：識別物理數據與CAD數據中網表比較案例
2、識別分叉、串擾、阻抗失配、EMI（考慮相鄰電源/地層）等。
圖11：識別分叉、串擾、阻抗失配、EMI分析
由此可見，完全依靠人工開展DFM已不可能，必須依靠專業的DFM工具，采用數字化技術才能很好地推進。
可製造性設計的發展
傳統的可製造性設計評審方法
傳統的可製造性設計，如圖12所示，PCB的設計時與PCB的生產是脫節的，需要經過多輪的試產來確定存在的可製造性問題，再反過來指導設計從而在批量前解決可製造性設計問題。
圖12：傳統的可製造性設計
DFM實時分析軟件評審
圖13給出了采用DFM再造後的並行設計的流程，應用案例如圖14所示。
圖13：采用DFM再造後的並行設計流程
圖14：設計和DFM分析的並行融合
DFM的發展
隨著分析工具的成熟，DFM目前正向數字化、智能化方向演進，這種演進反過來進一步促進了數字化工廠的發展，從而會對智能製造、工業4.0做出貢獻。現舉例如下：
1、數字化樣機；
圖15是Valor公司采用DFM分析軟件給出的數字化三維樣機，這可以提前發現以下問題：
1）以三維方式檢查設計有無生產、測試方麵的問題
2）優先考慮以下裝配問題：
防止頭碰撞
驗證可否維修操作
驗證AOI/AXI頭間距
驗證探針可否到達
3）輸出IDF文件給機械CAD，以做空間幹涉分析（尤其是高器件）
圖15：數字化三維樣機
2、鋼網自動優化生成和優化；
鋼網的生成和優化可以在此基礎上進一步開展，如圖16所示。
專家係統優化：
根據管腳/焊盤比自動生成鋼網層
對特殊元件可自定義開孔外型
可產生製作鋼網的Laser數據
亦可接受廠商鋼網數據與Gerber比較，檢驗開刻數據的正確性
圖16：鋼網的生成和優化
3、PCB多拚板優化。
圖17給出了DFM模式下的PCB拚板優化方案：
支持自動優化拚板
支持自定義多種拚板
支持陰陽拚板
可輸出Tooling數據格式
圖17：DFM模式下的PCB拚板優化方案
DFM評審軟件化麵臨的挑戰
目前主流的設計軟件有：Cadence allegro、Mentor、Zuken等，要實現自動化分析，則需要圖像實施同步，以達到分析軟件和EDA工具的匹配。但在現實中，我們麵臨各種各樣的問題：
RD輸出的數據格式多種多樣，不統一
大部分數據格式需要有對應的文檔說明
這些數據格式基本不支持屬性傳遞、屬性擴展
目前的數據格式裏，沒有任何一種數據格式能支持從研發到生產的整個流程
無法形成高效的數據流
因此，采用統一的智能化數據格式，以一個數據集，提供所有製造數據，從而保障標準化、數據同源是十分必要的，也是DFM評審軟件化、自動化分析的前提。
結語
從目前發展來看，DFM發展經曆了前期、初期、中期，經曆了軟件化、數字化，目前正逐步走向自動化、智能化，未來DFM作為產品設計最具活力的組成部分，必須與人工智能、專家係統等技術相結合，以支持現代化產品設計的綜合性、並行性需求。遵循信息交換標準並采用信息交換標準化的成果，以實現產品設計過程中各係統間的集成。
聲明：
本文部分素材來源於Valor推進活動，在此表示感謝。其中觀點屬於個人看法，考慮不足之處，敬請諒解。
文章來源：中興通訊劉哲 王世堉 石一逴 王玉
