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电子产品从研究到报废存在一定的生命周期，产品生命周期各阶段的定性表示如图2-1所示。在产品生命周期中产品开发阶段涵盖了产品规划、产品设计和产品测试，其中设计技术直接决定了产品开发的时间，决定产品推向市场的速度，设计时间缩短那么产品在市场上的时间就相对加长。产品制造的质量和成本对产品的价格起着重要的作用，所以先进的设计技术和先进的制造技术是非常重要的。
图2-1 产品生命周期各阶段的定性表示
先进的设计技术和先进的制造技术具体包括以下几点。
①并行工程（Concurrent Engineering，CE），其关键技术包含：
● 计算机辅助技术（Computer Aided X，CAX），如计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）、计算机辅助工程（Computer Aided Engineering，CAE）、计算机辅助工艺过程设计（Computer Aided Process Planning，CAPP）和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）。
● 面向X的设计（Design for X，DFX），或为X着想的设计，如DFC、DFM、DFA、DFE和DFS。
● 产品数据管理（Product Data Management，PDM）是对工程数据管理、文档管理、产品信息管理、技术数据管理、技术信息管理、图像管理等新管理技术的一种概括与总称。
● 大批量定制设计（Design for Mass Customization，DFMC）。
②虚拟制造（Virtual Manufacturing，VM）和虚拟设计（Virtual Design，VD）。
③智能制造（Intelligent Manufacturing，IM）和智能设计（Intelligent Design，ID）。
④敏捷制造（Agile Manufacturing，AM）和快速设计（Rapid Design，RD）。敏捷性的3个要求是可重组（Reconfigurable）、可重用（Reusable）和可缩放（Scalable）。
⑤绿色制造（Green Manufacturing，GM）和绿色设计（Green Design，GD）。
⑥企业过程重组（Business Process Re-engineering，BPR）、可重组制造系统（Reconfigurable Manufacturing System，RMS）和可重组设计（Reconfigurable Design，RD）。
产品设计阶段的重要性体现在以下三个方面。
1.产品设计决定了产品的成本
产品设计阶段的成本仅占整个产品开发投入成本的5%，但产品设计决定了75%的产品成本。产品设计在很大程度上决定材料、劳动力和管理成本，如果没有产品设计的优化，材料、劳动力和管理对于降低产品成本影响很小，如图2-2所示。
图2-2 产品设计加工过程对产品成本的影响
2.产品设计决定了产品的质量
首先我们问质量从哪里来。
质量不是检验出来的，检验只是事后把关，把不合格品挑出来。
质量不全是制造出来的，制造仅仅实现了设计的要求。
质量是设计出来的，设计决定了产品的基因，设计无DFX导致潜在的缺陷。
所以对质量有了以下的结论：
日本人田口玄一对质量的定义：产品质量首先是设计出来的，然后才是制造出来的。
德国人对质量的定义：优秀的产品设计加上精致的制造。
二八原则：80%左右的产品质量问题是由设计造成的。
3.产品设计决定了产品的开发周期
在图2-1所示的产品生命周期中，整个产品从产品研究的构思到产品报废的时间是一定的，产品报废意味着淘汰或者更新换代，很多企业就是因为产品更新不够快丧失了很多市场机会，导致竞争力下降。所以产品的开发和产品形成阶段决定了产品的开发时间，决定了产品推向市场的时间，缩短开发时间尤为重要。如何缩短产品的开发时间，一个自然的想法就是把原来串行设计转变成并行设计。
1.串行设计
传统的设计方法是串行设计，如图2-3所示，研发人员先设计，然后交给制造人员新品试制，批量生产中发现问题，然后再回到研发部门重新修改设计，再回到制造。这样的反复造成制造批量性质量问题，大量浪费，同时设计产品的周期很长，由此产生的产品成本相对过高。
图2-3 串行设计方法
（1）传统设计方法的特点
①抛墙式设计如图2-4所示。研发部门负责设计，制造部门负责制造，设计从来不考虑制造的要求，直接把文件抛给制造部门。
图2-4 抛墙式设计
②反反复复修改直到把事情做好。
③产品设计修改多，开发成本高，周期长，产品质量低。
（2）传统设计方式的问题
传统的设计方式问题主要表现在以下几个方面：
①造成大量焊接缺陷；
②增加PCB维修和返修工作量，浪费工时，延误工期；
③增加工艺流程，浪费材料；
④返修可能会损坏元器件和印制板；
⑤返修后影响产品的可靠性；
⑥造成可制造性差，增加工艺难度，影响设备利用率，降低生产效率；
⑦严重时重新设计，导致产品开发周期长。
2.并行设计
与传统设计方法相比较，现代设计采用并行设计制造，如图2-5所示。从产品开发设计开始就考虑到DFX，使设计与制造之间紧密联系，实现从设计到制造一次成功的目的，具有缩短开发周期、降低成本、提高产品质量等优点。
图2-5 并行设计
电子组装技术的迅速发展同样迫使设计水平提高，制造能力提升，电路板设计优化，元器件选择合理，可靠性加强，等等。这使得DFX成为必要，不论是什么产品，无论产品的顾客是内部的还是外部的，他们对产品的要求都是一致的，即优良的品质、相对较低的成本和较短而及时的交货期。产品的设计人员、生产工艺人员和质量人员对以上的三个方面是绝对有影响和控制能力的。目前，新一代的工程师的职责已不是单纯地把产品的功能和性能设计和制造出来那么简单，而是必须对以上所提到的三方面负责，并做出贡献。
DFM始创于20世纪70年代初，在机械行业用于简化产品结构和降低加工成本。1991年，DFM的应用对美国制造业竞争优势的形成做出了贡献。美国总统布什给DFM的创始人G.布斯劳博士和P.德赫斯特博士颁发了美国国家技术奖。DFM很快被汽车、国防、航空、计算机、通信、消费类电子、医疗设备等领域的制造企业采用。
1994年表面组装技术协会（SMT Association，SMTA）首次提出DFM概念，2000年左右开始在一些跨国公司电子组装中应用DFM。在我国，随着电子组装技术的飞速发展，DFM也开始成为电子产品研发和制造工厂的重点关注对象，特别是进入21世纪后，随着各跨国企业开始把研发转移到中国以及中国本土企业的研发实力上升，企业为了节省成本，提高质量，纷纷导入DFM，国内一些著名电子厂家已经有自己的DFM指南，并引入了DFM专用软件。
新产品开发的成功率是衡量企业产品开发和创新能力的一个重要标志。大量设计成果不能或难以有效地转化为商品，其中的重要原因之一是没有一个合理的产品开发过程，图样上的产品不能或难以按设计要求制造出来，或不得不用很高的成本才得以制成。DFM是改变这一现状，提高企业产品开发和创新能力的一个关键。
DFM的提出推动了整个电子行业的成熟性发展，同时也不断扩展范围。DFX就是Design for X（面向产品生命周期各/某环节的设计）的缩写。其中，X可以代表产品生命周期或其中某一环节，如装配（M代表制造，T代表测试）、加工、使用、维修、回收、报废等；也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。DFX不是单纯的一项技术，从某种意义上，它更像一种思想，包含在产品实现的各个环节中。
DFX是并行工程的关键技术。鉴于DFX系列规范在改善可制造性、降低成本等方面的卓越贡献，DFX系列规范越来越受到企业的青睐。虽然DFX已被各种各样地定义，但总的来说包括以下几种：
DFM：Design for Manufacture，可制造性设计。
DFT：Design for Test，可测试性设计。
DFD：Design for Diagnosibility，可诊断分析性设计。
DFA：Design for Assembly，可装配性设计。
DFA：Design for Automation，可自动化组装设计。
DFR：Design for Reliability，可靠性设计。
DFE：Design for Environment，为环保性着想的设计。
DFF：Design for Fabrication of the PCB，为PCB制造着想的设计。
DFP：Design for Procurement，可采购性设计。
DFS：Design for Serviceability，可服务性设计。
DFC：Design for Cost，面向成本的设计。
DFX中最重要的就是DFM、DFA、DFR和DFT，DFM大多包含了DFA，通常被合在一起称为DFMA。
DFM主要研究产品本身的物理设计与制造系统各部分之间的相互关系，并把它用于产品设计中以便将整个制造系统融合在一起进行总体优化。
DFM涉及PCB产业链上的很多环节，包括设计厂商、PCB制造厂商、组装厂商、测试厂商和系统厂商。在寻求解决方案的过程中，正是由于标准的欠缺导致了各个环节之间沟通不畅，使我国整个PCB产业设计水平低下、产能不高。
首先，由于标准的欠缺，设计人员一般都是按照自己的喜好和习惯进行设计，一旦设计人员更换，一块电路板的设计需要完全重新进行，这包括材料的选择和布局布线等，无形之中浪费了大量的人力物力。
其次，由于标准的欠缺、设计人员和生产厂商等对DFM重视不够、沟通不畅等问题使得设计人员的产品到制造商环节时品质和可靠性得不到很好的控制，因而带来废品率高、可靠性差、测试时间长等问题。即使是同样一个设计，在不同的厂家，甚至是同一厂家不同批次进行生产时都需要花费很长的时间进行调试，因而造成了效率低下。
实施DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。换言之，DFM就是在整个产品生命周期中及早发现问题并解决问题，通过这一方法降低成本、缩短产品投入市场的时间、提高产品质量、提高产品的可制造性、缩短生产时间、提高工作效率。
研究表明，75%的制造成本取决于设计，产品总成本的60%取决于最初的设计，70%～80%的生产缺陷是由于设计原因造成的。可见，DFM的重要性。
实行DFM能带来很大的价值，这些价值概括起来主要如下。
①减少产品设计修改次数。产品具有很好的可制造性和可装配性，有助于产品制造和装配顺利，设计修改少，把设计修改集中在产品设计阶段。产品设计阶段设计修改灵活性高，修改容易；产品制造和装配阶段以及量产阶段设计修改灵活性低，修改困难。传统设计和DFM设计在各阶段的灵活性如图2-6所示。
图2-6 传统设计和DFM设计在各阶段的灵活性
②缩短产品开发周期。实行DFM有助于确保第一次就把事情做好，相比传统产品开发，缩短39%的开发周期。DFM要求投入较多的时间和精力在产品设计过程中。
③降低产品成本。在设计阶段进行DFM，容易进行成本分析，降低产品成本。DFM通过以下几点影响成本。
● 简化产品设计，合理选择元器件、材料，降低产品物料成本；
● 简化零件设计，降低零件制造成本；
● 减少装配工序和装配时间，降低装配成本；
● 降低产品不良率，减少成本浪费。
低成本、高产出和良好的供货能力是所有电子产品制造商永恒的追求目标；另外，高可靠性也是产品长期成本降低的基础；DFM提供的是最有效、经济的解决方案，实施DFM规范可有效地利用资源，低成本、高质量、高效率地制造出产品；如果产品的可制造性差，往往需要花费更多的人力、物力、财力才能达到目的，同时，还要付出延缓交货和失去市场的沉重代价。通过DFM优化电路板的尺寸节省成本例子如图2-7所示。
图2-7 通过DFM优化电路板的尺寸节省成本
④有利于生产制造流程的标准化和自动化，提高生产效率。DFM在企业部门间起到了一个良好的桥梁作用，它把设计和制造及产品部门有机地联系起来，达到信息互递的目的，使设计开发与生产准备能协调起来，统一标准，易实现自动化，提高生产效率。同时也可以实现生产测试设备的标准化，减少生产测试设备的重复投入。随着工业4.0和中国制造2025的提出，组装自动化也成为设计必须考虑的内容。
⑤有利于技术转移，简化产品转移流程，加强公司间的协作沟通。现在很多企业受生产规模的限制，大量的工作需外加工（EMS/CM电子制造承包商）来进行，通过实施DFM，可以使加工单位与外发加工单位之间制造技术平稳转移，快速地组织生产。设计与制造的通用性，有助于企业实施全球化策略。
⑥降低新技术引进成本，减少测试工艺开发的庞大费用。
⑦新产品开发及验证的基础。在设计的最初阶段没有采用DFM规范，往往会在产品开发的后期，甚至在大批量生产阶段才会发现这样那样的组装问题，此时想通过更改设计来修改缺陷，无疑会增加开发成本并延长产品推向市场的时间，失去主动权，所以新品开发除了要注重功能第一之外，DFM也是很重要的。
⑧适合电子组装工艺新技术日趋复杂的挑战。现在，电子组装工艺新技术的发展日趋复杂，为了抢占市场，降低成本，公司开发一定要使用最新最快的组装工艺技术，通过DFM规范化，才能跟上其发展的脚步。
DFM对生产工艺有着非常多的作用，可以提升产品的制造良率、降低成本、缩短制造周期、提高产品制造的柔性。
SMT产品的复杂性提高对工艺的要求增加，主要表现在两方面：一是PCB尺寸逐渐增大，相应元器件数目越来越大；二是PCB尺寸越来越小，元器件密组装密度增大。产品的焊点数与良率之间的关系如图2-8所示。横坐标是DPPM（Defect Part Per Million，每百万缺陷机会中的不良品数）水平，纵坐标是良率，曲线代表不同的焊点数。如果工艺水平保持在80DPPM，当产品的焊点数从2500增加到15000后，良率就从82%降到了32%。这就增加了对电子工程师的压力。
图2-8 产品的焊点数与良率的关系
既然大多数的缺陷来自设计，那么制造工艺工程师就应该具备设计的知识，学会辨别哪些缺陷是制造工艺过程中的问题，哪些问题是设计所产生的，通过建议设计人员更改来解决质量问题，或者通过改进工艺来弥补设计的缺陷。
下面我们举两个实际生产中的例子来说明制造缺陷来源于设计。
案例1：一款产品的PCB上有8个滤波电容，外形尺寸是0805的长方体，如图2-9（a）所示，该元件的中间的焊盘大两端的焊盘小，中间有凹陷。最初的焊盘是根据元件的端子形状设计的，如图2-9（a）中右图Gerber图形所示，钢网开孔按照焊盘大小尺寸。在焊接后发现两端的焊点开路，缺陷率几乎是百分之百，需要返工修理。经过分析发现在焊接的过程中，中间焊盘聚集的焊锡多，在浸润过程中元件被轻微托起，两端的焊锡高度低焊接不到，在冷却时受到的拉力就不平衡，在端子处形成焊点开路，如图2-9（b）所示。工艺上想尽各种方法，更改钢网设计分割中间大焊盘为小矩阵形状，减少中间焊锡量，加大两端钢网开孔，调节再流焊曲线，等等，但缺陷率仍然高达60%以上。即使焊锡焊到了元件两端的引脚，在做振动性实验时焊点几乎又全部开裂。最后通过设计更改焊盘的大小和分布位置，把中间的焊盘分割成两部分与两端焊盘大小尺寸相同的形状，如图2-9（c）所示，这样在焊接的过程中，来自四个方向的浸润力几近相同，保证焊接面相同，形成很好的焊点，完全解决了问题。
图2-9 DFM更改焊盘实例
案例2：如图2-10所示的实例中，在设计阶段选用元器件时，使用PTH元器件比用SMT元器件价格低$0.50，整个PCB上用到8个同样的元器件（图中标注颜色），总体价格可以节省$4.0，而在制造加工中使用焊膏通孔再流焊（Pin in Hole Reflow，PIHR），生产工艺选择和完全SMD一样。
图2-10 元器件选择的DFM实例
可见，DFM对SMT产品的作用越来越明显。作为一名STM设计师，必须具备很多方面的知识，如元器件和组装寿命等数十种科目。而SMT生产工程师也必须了解设计，往往花费很大人力物力后不能解决的问题却源自设计。所以说任何一项良好的设计都离不开生产的参与，任何一款脱离生产的设计都是不切实际的行为。而本书中谈到的DFM技术，也正是当今SMT工程师必备的知识之一。
本书结合具体生产中所碰到的问题着重讲述DFM，以帮助更多的电子工程人员在解决问题时换一种方位去思考，使复杂的问题简单化，使更多的设计人员了解生产工艺所求，以便生产的产品质量更高，成本更低，产品周期更短，达到产品的最优化。