可制造性設計-促進生產力的強大工具

2013-05-14 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

來源:設計創新
關鍵字:DFM 可制造性分析設計
“DFM”- 一個由三個字母組成的縮寫,其意義依據你在設計及制造流程鏈中所扮演的角色不同而不同,或是微不足道,或是舉足輕重。

在今天的電子業,有幾種力量正在推動著可制造性設計(DFM)的進程,其中最常見的三種為:

· 新技術帶來的零件密度的增加

· 縮短設計周期時間的需求

· 外包及海外制造模式的實行

要求設計更小更輕,同時又要擁有更多功能的不斷增加的需求為我們帶來了新的印刷電路板制作技術,如順序迭構,嵌入式被動及主動零件類的設計,以及零件封裝技術的創新如Micro-BGA、CSP和POP。所有這一切都使PCB設計、制作及組裝變得更加復雜化。

縮短“產品上市時間”是一項緊迫的需求。由于PCB設計的反復可能導致設計周期平均增加幾個星期,從而拖延了產品的上市時間,因此將可制造性問題(導致設計反復的重要原因之一)在PCB設計時間盡早消除有絕對的必要性。

一般人認為,DFM只是簡單地在PCB CAD 系統上執行一些基本的錯誤檢查,來確定在PCB 制作時線路不會短路,或確保在PCB組裝時零件不會相互干涉。

而實際上,DFM結果意味著設計已經得到最大程度的優化,從而確保產品可以按最高效的方式制作、組裝及測試 – 消除可能導致額外時間及成本的多余工藝。一個全面優化的設計甚至會考慮到產品的制造良率。

現在讓我們退一步看看,用戶在PCB設計時想利用可制造性設計(DFM)流程達到什么效果。

一個普遍接受的觀點是產品的設計對制造周期及單位產品成本具有重大且可測量的影響。換句話說,不好的設計會導致更長的制造時間及更高的成本。針對無時不在的降低成本及縮短產品上市時間的壓力,實施DFM的最終目標是要達成具成本效益的制造。這將通過保持高良率(低廢品)及最少的設計改版而實現。同時,我們還需要認識到DFM的應用使得工藝能力得到了全面的發揮,如通過新技術的應用 – 將設計從兩塊PCB集中到一塊PCB上,從而既節省了時間,又節約了成本。

DFM的使用不僅僅是回答“這個設計可以制造嗎”,而更是回答“這個設計是否能被高效率地制造并且獲利”。

最重要的是,DFM必須被看作為貫穿于整個新產品導入(NPI)流程鏈的一種作業邏輯思考。它不是一種事后產生的想法或是設計完成后的額外補充。是的,確實存在那些可以被認定為DFM工具的獨立應用軟件,但總的來講,可制造性設計(DFM)工具必須被嵌入到所有工具里,并通過對必要規則的事先定義及在整個工具鏈中執行這些規則來獲得確保。許多PCB設計工具通過一個以規則為基礎的設計原理來符合這一模式,設計工具或者直接按照規則執行,或者至少可以做到規則檢查。

制造(或生產)需要被劃分為幾個主要部份 – 各個部份具有顯著且獨立的內容,分別稱為PCB制作、組裝及測試。

PCB 制作包含與印刷電路板裸板生產的所有相關步驟(包含確保良品的測試和驗證)。

組裝是把所需的零件置放到裸板上的一個過程,它也可能包括系統組裝(例如將PCB組裝到一個系統內而成為一個完整的產品)。

測試包含ICT測試(確保正確的零件置放,包括正確的零件方向、零件值和正確的運行)以及功能測試(驗證整塊板的運行功能 – 它是否能實現所有的設計功能?)。測試內容也包含目檢及維修/返修方面的問題。

以上每個部份都有其特別的需求,必須考慮每個方面才能確保好的DFM結果。只用DFM 檢查PCB是否可以制作出來,但接下來卻不能自動組裝顯然是不行的 – 特別是當你需要生產成千上萬的板子時。

如果僅僅是確保設計不在制造時出錯,則漏掉了一個在制造時對時間及成本產生重大影響的主要因素。除了按照規格或規則(物件大小,間距,間隔等)檢查設計數據內容以外,也需要看看將設計制造出來所需要的工藝類型及數量。例如,如果設計者在設計時只使用了一個插裝組件,他卻在制造鏈中立即自動引入了一個或更多個額外工藝(例如自動插件及波峰焊)- 這顯然會對每塊板的成本造成重大影響,通過使用同等功能的貼片組件代替則可以避免這樣的問題發生。同樣,在設計中選用一個不能自動插裝的“異形”零件將可能需要一個額外的手工組裝工站,而這種情形則可以通過小心選用零件得到避免。在PCB制作部分,從雙面板到多層板,從貫孔到盲孔的設計,都會導致工藝的增加以及更多出錯的潛在因素,然而這些本是可以通過DFM分析得到避免的。

有兩種層級的DFM分析。第一種包含比較簡單或“一般性”的測試(如那些對所有制造商都適用而不受制造商工藝能力影響的測試)。這一類別包括簡單的零件形狀尺寸及間距檢查,使用二維置件形狀檢查零件布局等。雖然這些因素可以在一定程度上防止制造出錯(假設適當的規則已被預先設定),但它們傾向于提供的是“最壞情況” 的結果,而沒有在如何更好的利用現有技術和工藝能力方面給予設計者足夠的幫助。

第二種層級的DFM分析要求對用到的工藝進行詳細而準確的模型化 – 如對實際零件形狀及置件設備能力的考慮(可處理的零件類型、拾取頭/夾爪的幾何形狀、插件順序)。

然而,為取得好的第二層級的分析結果,需要依據特定制造商的生產能力來進行工藝模擬 – 需要根據選定制造商的工藝能力來進行PCB板制作檢查;組裝檢查需要知道可供使用的組裝設備包括哪些以及其設置。對測試、檢查及返修的設備能力也必須有更清楚的理解。要做到所有這些并不容易,特別是對那些并非在本廠制造的公司而言,因為要從外面的合同制造商(CEM)那里獲得這種詳細的工藝資料是不容易的。

另外,只參考設計數據內容并不能做到通盤考慮。對組裝設備的設置(將零件分配到料倉),組裝產線上設備的順序,平衡產線以達到優化的產出等等都是需要考慮的因素,這時必須用到軟件。盡管有些人可能認為這些屬于生產規劃,然而在好的DFM流程中這些都是必要的,它證明了如零件選擇等一些任務的重要性,以及具備詳細的對組裝流程設置的知識如何能幫助設計者朝著設計出可以高效率制造的產品設計方向邁進。

由于規則的數量及復雜度,要想使PCB CAD 工具能處理全部規則是不可能的,不管是以自動還是交互式的方法;特別是如果我們考慮散熱、信號完整性、電磁效應等等的檢查。

因此必須同時運用專業的分析工具來找出潛在的問題,針對如何解決問題提出建議并允許用戶對每一個規則沖突的相對影響進行調整和取舍。

這些專業工具提供的不僅僅是PCB CAD 工具通常只能提供的“可行/不可行”檢查

它們可以進行配置以提供問題的嚴重等級,給予設計者或 NPI 工程師更準確的信息。從而可以針對哪些問題必須解決(如不可制造),哪些問題最好能解決(在特別許可情況下可以制造),哪些問題可以安全地被忽略(對制造/良率沒有影響)等等做出更加明智的決定。通過內置的計算器,可以進行多種多樣的替換工作以嘗試規則合法性。

總結來講:PCB可制造性設計分析(DFM 系統)是一個促進生產力的強大工具。它能促使你在毫無損失的情況下使設計更加小型化,降低產品上市時間并信心十足地在全球制造趨勢中獲利受益。如果不使用DFM,則你可能面臨高成本、高風險的巨大挑戰。

作者:Paul Barrow – 華爾萊科技公司(Valor)DFM解決方案產品經理

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