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第3章
可制造性设计的实施流程

在了解了DFM的重要性后,就要考虑如何实施DFM。在实施可制造性设计的之前必须注意以下几点。

第一,必须认识到DFM的必要性。需要管理、研发和制造多方面都确信DFM的必要性。

第二,在不影响产品功能的前提下考虑的内容包括组装、测试、检验和返修,降低整个产品的制造成本(特别是元器件和加工工艺)、简化工艺流程;选择高通过率的工艺,选择标准元器件和工艺;减少治具及工具的复杂性;降低成本。产品设计和可制造性设计的优先级如图3-1所示,首先是产品性能,在考虑可靠性的基础上实行可制造性设计,适当考虑产品的可服务性。产品的可服务性是指当产品出现缺陷时,要易于返修,拆卸元器件。

第三,制定统一的内部DFM标准指南。

DFM整个过程的目标:

①降低整个产品的制造成本和减少加工使用的设备工具数量;

②缩短产品推向市场的时间;

③提高产品的质量;

④提高产品制造的柔性;

⑤缩短制造周期;

⑥最小地影响设计计划和减少不必要的浪费;

⑦选用最少数量的元器件和标准的元器件;

⑧减少附加的固定件;

⑨核实组装的公差。

本章主要讲述DFM的实施阶段、实施流程以及所使用到的工具。

图3-1 产品设计和可制造性考虑优先级

3.1 可制造性设计的实施阶段

新产品在开发过程中往往分为方案设计阶段、初步设计阶段、工程设计阶段、样板和试生产阶段、批量生产阶段等几个环节。

与产品设计相应的DFM按时间分为四个阶段:协作性设计(Collaborative Design)、综合分析(Comprehensive Analysis)、打样前分析(Basic Pre-release Analysis)、打样后分析(Post-release Review),如图3-2所示,图中阿拉伯数字分别代表4个阶段。

在不同的阶段实施DFM对生产成本的影响也是不同的。时间越早,节省成本越多。在不同的分析阶段,所能影响的内容也不同,越早参与越能从设计的最初阶段影响可制造性。图3-2所示的4个阶段所对应的可制造性分析的内容如下:

第1阶段主要是绘制原理图,包含定义PCB外形,选择元器件和基材,定义焊盘及建立CAD数据库;

第2阶段主要是定义元器件的组装,包含定义元器件间距、工具孔,以及生产设备的边缘留空;

第3阶段主要是定义文件和BOM,包含优化PCB设计便于制造和组装,测试点分布;

第4阶段是打样,主要评估新元器件的可制造性、设计的合理性。

图3-2 DFM 4个阶段对成本降低的机会

3.1.1 协作性设计阶段

协作性设计是在新产品调研、分析与立项过程中,产品设计师和工艺师应根据标准和技术要求分别规划产品功能、外观造型设计和应该采用的工艺方法及建议,分析所有的设计要素,贯穿整个设计过程,包括DFT、DFP、从原理图到PCB布线的检查、BOM分析、调查替换的设计选择。在完成外形设计和结构设计的基础上,规划出印制电路板外形图,该图主要规划出印制板的长宽和厚度要求,以及结构件装配孔大小位置、应预留边缘尺寸等,使电路设计师能在有效范围内进行布线设计。

3.1.2 综合分析阶段

综合分析是在设计周期的早期阶段最小地影响设计而最大地提升设计,包括DFF、DFA、PCB布线、成本和质量的考虑、BOM分析、调查替换的设计选择,这一阶段在印刷电路布线之前开始。在电路设计师设计过程中,依据各种标准和手册进行详细布线,实现功能。

3.1.3 打样前分析阶段

打样前分析是在设计文件已定,准备打样之前检查设计内容。根据设计资料加工SMT、印制板,验证设计功能是否达到和满足工序要求,从DFM、DFT和设计文件方面去检查。须提供各公司的标准DFM报告,并标明问题的严重性。这时的DFM问题一定要跟踪直至更改,否则会造成不必要的成本浪费和设计周期的延长。

3.1.4 打样后分析阶段

打样后分析是根据样品试制过程中发现的问题和根据结果加以分析,是把打样的过程中碰到的问题反馈给设计师。问题的反馈最好包括打样报告和设计建议。

在电子产品(含印制板设计)的各个阶段,设计师应经常对自己的设计进行自我审查,工艺师也应经常进行复审,提出建议和解决办法。

为什么在现代化的管理中,DFM在设计阶段的表现特别重要呢?主要是因为设计是整个产品寿命的第一站。从效益学的观点上来说,问题越是能够早解决,其成本效益也就越高,问题对公司造成的损失也就越低。在电子生产管理上,曾有学者做出这样的预测,即在每一个主要工序上,其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上。例如,设计问题如果在试制时才给予更正,其所需费用将会比在设计时解决高出超过10倍,而如果这设计问题没法在试制时解决,当它流到再下一个主要工序的批量生产时,其解决费用就可能高达100倍以上。此外,对于设计造成的问题,即使厂内拥有最好的设备和工艺知识,也未必能够很完善地解决。所以基于以上的原因,把设计工作做好是门很重要的管理学问。所谓把设计做好,包括产品功能、性能、可制造性和质量各方面。

3.2 可制造性设计的分析流程

随着原始设备制造(Original Equipment Manufacture,OEM)和电子承包制造(Electronics Manufacture Service,EMS)公司之间的合作越来密切,产品愈来愈多外包生产,最好让EMS的DFM工程师尽早参与产品的设计。现在也有专业的DFM公司提供DFM/DFA/DFT服务,但基本的流程相同,DFM的流程如图3-3所示。在图中列出了OEM和EMS两种企业类型的分析流程,从产品设计到相关的设计内容,再到新品种打样,然后是样机测试分析,最后是批量生产。在产品设计过程中有产品定型前DFM分析和定型后DFM分析。

图3-3 DFM的流程

在DFM的分析过程如图3-4所示,输入内容是各种DFM所需的信息资料和所用工具,在DFM工程师进行全面的分析后,做相应的DFM报告,反馈给设计部门做相应的更改。

图3-4 DFM的分析过程

3.3 PCB设计包含的内容和DFM实施程序

3.3.1 PCB设计包含的内容

PCB设计包含了基板和元器件材料的选择、元器件的选择、印制板电路设计、可制造性设计、可靠性设计、降低成本考虑等。PCB设计包含的内容如图3-5所示。本书的讲解内容也是结合PCB设计的顺序。

图3-5 PCB设计包含的内容

3.3.2 DFM实施程序

DFM的实施程序分为以下步骤。

①确定电子产品的功能、性能指标及整机的外形尺寸的总体目标。

②电原理和机械结构设计,根据整机结构确定PCB尺寸和结构。

③表面组装方式及工艺流程设计。工艺流程设计的合理与否,直接影响组装质量、生产效率和制造成本。

④根据产品的功能、性能指标及产品的档次选择PCB材料和电子元器件。

⑤设计印制电路板。

⑥编制表面贴装生产需要的文件。

⑦审核可制造性,结合可制造性设计的4个实施阶段。

⑧对印制板厂商提出加工要求。

⑨进行样机制作和试生产。

3.4 编制DFM检查表和制定DFM指南

3.4.1 编制DFM检查表

DFM需要考虑的内容很多,为了更好地辅助DFM分析需要编制DFM检查表。因为DFM是贯穿于整个电子产品的设计过程,所以DFM检查表的内容就要参考PCB设计的内容。

在DFM的开始就应该建立DFM检查表,以便于系统、全面地分析产品设计。结合PCB设计的内容,DMF检查表至少包括检查条目、关键点。内容上讲主要包含以下方面。

①数据和记录,产品信息、数据(如电路原理图、印刷电路设计图、组装图、CAD文件等);

②选择定义制造与加工流程,如AI、SMT、PTH、通孔再流焊(PIHR)、波峰焊、选择性波峰焊、手焊、压接,浸焊、焊锡机器人焊接等;

③电路板尺寸与生产能力的对比;

④元器件的选择;

⑤元器件布局与焊盘设计;

⑥定位孔和通孔;

⑦印制电路板的外形(层数、基准点、阻焊膜、丝印层等);

⑧机械组装要求。

在附录B有DFM检查表供参考。本书从第4章开始,基本按照DFM检查表中内容的顺序来详细讲解。

在附录B的DFM检查表中,上面部分是客户名称、产品的信息。当然每家企业也可以根据自己实际情况编制自己的检查表,方便使用为最好。

3.4.2 制定DFM指南

设计规范对产品寿命、质量、成本和交货期有影响,该采用什么设计规范或标准呢?检查表中的设计规范依据DFM指南。DFM指南是为产品制定预期结果基线所必需的,同时也是设计与制造之间的桥梁,一般参照IPC标准及SMEMA的标准,结合本企业的实际制造能力、工艺水平及设计规范而制定。这是因为,SMT工艺是复杂的科技学问,企业内各个工厂往往有着不同的技术和设备能力,不同的产品也需要不同的工艺,另外,有限的资源等制约因素,都要求企业建立自己的DFM系列规范。由于因素众多,也随时间在改变,所以要找到两家完全一样的工厂的机会是很微小的。既然设计规范优化情况下是必须配合工艺和设备能力等方面的,也就是说设计标准都有其范围,越是要优化其适用范围就越小。所以如果要很好地使用设计来解决问题,一套适用于本身的规范标准是必须按本身特有的条件而开发的。

由于DFM指南是基于企业及业界当前的制造设备和技术水平而制定的,所以,选择组装技术时,需综合考虑当前和未来工厂的制造能力。DFM指南一般应涵盖文件数据和DFM记录、工艺流程、PCB概况、元器件选择、表面组装要求、机械孔与PCB连接孔、PCB层板、阻焊层、丝印层、机械组装件、测试、机械装配方法、防潮设计、维修与升级、清洗和检验等。

DFM指南开始可以是一页简单的合理的行动列表,类似于DFM检查表。后来,可能进化成一本更复杂和更全面的手册,定义每一个有用的部分和加工过程。当然,最好开始简单,使得DFM指南方便交流、容易理解和马上可用作参考。信息越复杂,越可能被放在某个人的书架上,而不是在新产品设计时实际地查阅。和其他任何文件一样,DFM指南必须得到维护,以使其准确地描述制造者的能力。当生产自动设备被替换、更新或新技术引入时,这一点特别重要。

本书也完全可以作为DFM指南。 +sR+tF0Ah4Z2LD6fgbFU1auJogmBINdFSOzqo207N9d1i6mIbggAA/PWBx150fOV

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