可制造性設(shè)計(jì)-促進(jìn)生產(chǎn)力的強(qiáng)大工具

2013-05-14 by:廣州有限元分析、培訓(xùn)中心-1CAE.COM 來(lái)源:仿真在線

來(lái)源:設(shè)計(jì)創(chuàng)新
關(guān)鍵字:DFM 可制造性分析設(shè)計(jì)
“DFM”- 一個(gè)由三個(gè)字母組成的縮寫,其意義依據(jù)你在設(shè)計(jì)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(yè),有幾種力量正在推動(dòng)著可制造性設(shè)計(jì)(DFM)的進(jìn)程,其中最常見的三種為:

· 新技術(shù)帶來(lái)的零件密度的增加

· 縮短設(shè)計(jì)周期時(shí)間的需求

· 外包及海外制造模式的實(shí)行

要求設(shè)計(jì)更小更輕,同時(shí)又要擁有更多功能的不斷增加的需求為我們帶來(lái)了新的印刷電路板制作技術(shù),如順序迭構(gòu),嵌入式被動(dòng)及主動(dòng)零件類的設(shè)計(jì),以及零件封裝技術(shù)的創(chuàng)新如Micro-BGA、CSP和POP。所有這一切都使PCB設(shè)計(jì)、制作及組裝變得更加復(fù)雜化。

縮短“產(chǎn)品上市時(shí)間”是一項(xiàng)緊迫的需求。由于PCB設(shè)計(jì)的反復(fù)可能導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期平均增加幾個(gè)星期,從而拖延了產(chǎn)品的上市時(shí)間,因此將可制造性問(wèn)題(導(dǎo)致設(shè)計(jì)反復(fù)的重要原因之一)在PCB設(shè)計(jì)時(shí)間盡早消除有絕對(duì)的必要性。

一般人認(rèn)為,DFM只是簡(jiǎn)單地在PCB CAD 系統(tǒng)上執(zhí)行一些基本的錯(cuò)誤檢查,來(lái)確定在PCB 制作時(shí)線路不會(huì)短路,或確保在PCB組裝時(shí)零件不會(huì)相互干涉。

而實(shí)際上,DFM結(jié)果意味著設(shè)計(jì)已經(jīng)得到最大程度的優(yōu)化,從而確保產(chǎn)品可以按最高效的方式制作、組裝及測(cè)試 – 消除可能導(dǎo)致額外時(shí)間及成本的多余工藝。一個(gè)全面優(yōu)化的設(shè)計(jì)甚至?xí)紤]到產(chǎn)品的制造良率。

現(xiàn)在讓我們退一步看看,用戶在PCB設(shè)計(jì)時(shí)想利用可制造性設(shè)計(jì)(DFM)流程達(dá)到什么效果。

一個(gè)普遍接受的觀點(diǎn)是產(chǎn)品的設(shè)計(jì)對(duì)制造周期及單位產(chǎn)品成本具有重大且可測(cè)量的影響。換句話說(shuō),不好的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致更長(zhǎng)的制造時(shí)間及更高的成本。針對(duì)無(wú)時(shí)不在的降低成本及縮短產(chǎn)品上市時(shí)間的壓力,實(shí)施DFM的最終目標(biāo)是要達(dá)成具成本效益的制造。這將通過(guò)保持高良率(低廢品)及最少的設(shè)計(jì)改版而實(shí)現(xiàn)。同時(shí),我們還需要認(rèn)識(shí)到DFM的應(yīng)用使得工藝能力得到了全面的發(fā)揮,如通過(guò)新技術(shù)的應(yīng)用 – 將設(shè)計(jì)從兩塊PCB集中到一塊PCB上,從而既節(jié)省了時(shí)間,又節(jié)約了成本。

DFM的使用不僅僅是回答“這個(gè)設(shè)計(jì)可以制造嗎”,而更是回答“這個(gè)設(shè)計(jì)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(gè)新產(chǎn)品導(dǎo)入(NPI)流程鏈的一種作業(yè)邏輯思考。它不是一種事后產(chǎn)生的想法或是設(shè)計(jì)完成后的額外補(bǔ)充。是的,確實(shí)存在那些可以被認(rèn)定為DFM工具的獨(dú)立應(yīng)用軟件,但總的來(lái)講,可制造性設(shè)計(jì)(DFM)工具必須被嵌入到所有工具里,并通過(guò)對(duì)必要規(guī)則的事先定義及在整個(gè)工具鏈中執(zhí)行這些規(guī)則來(lái)獲得確保。許多PCB設(shè)計(jì)工具通過(guò)一個(gè)以規(guī)則為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原理來(lái)符合這一模式,設(shè)計(jì)工具或者直接按照規(guī)則執(zhí)行,或者至少可以做到規(guī)則檢查。

制造(或生產(chǎn))需要被劃分為幾個(gè)主要部份 – 各個(gè)部份具有顯著且獨(dú)立的內(nèi)容,分別稱為PCB制作、組裝及測(cè)試。

PCB 制作包含與印刷電路板裸板生產(chǎn)的所有相關(guān)步驟(包含確保良品的測(cè)試和驗(yàn)證)。

組裝是把所需的零件置放到裸板上的一個(gè)過(guò)程,它也可能包括系統(tǒng)組裝(例如將PCB組裝到一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)而成為一個(gè)完整的產(chǎn)品)。

測(cè)試包含ICT測(cè)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(yùn)行)以及功能測(cè)試(驗(yàn)證整塊板的運(yùn)行功能 – 它是否能實(shí)現(xiàn)所有的設(shè)計(jì)功能?)。測(cè)試內(nèi)容也包含目檢及維修/返修方面的問(wèn)題。

以上每個(gè)部份都有其特別的需求,必須考慮每個(gè)方面才能確保好的DFM結(jié)果。只用DFM 檢查PCB是否可以制作出來(lái),但接下來(lái)卻不能自動(dòng)組裝顯然是不行的 – 特別是當(dāng)你需要生產(chǎn)成千上萬(wàn)的板子時(shí)。

如果僅僅是確保設(shè)計(jì)不在制造時(shí)出錯(cuò),則漏掉了一個(gè)在制造時(shí)對(duì)時(shí)間及成本產(chǎn)生重大影響的主要因素。除了按照規(guī)格或規(guī)則(物件大小,間距,間隔等)檢查設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)容以外,也需要看看將設(shè)計(jì)制造出來(lái)所需要的工藝類型及數(shù)量。例如,如果設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)時(shí)只使用了一個(gè)插裝組件,他卻在制造鏈中立即自動(dòng)引入了一個(gè)或更多個(gè)額外工藝(例如自動(dòng)插件及波峰焊)- 這顯然會(huì)對(duì)每塊板的成本造成重大影響,通過(guò)使用同等功能的貼片組件代替則可以避免這樣的問(wèn)題發(fā)生。同樣,在設(shè)計(jì)中選用一個(gè)不能自動(dòng)插裝的“異形”零件將可能需要一個(gè)額外的手工組裝工站,而這種情形則可以通過(guò)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(shè)計(jì),都會(huì)導(dǎo)致工藝的增加以及更多出錯(cuò)的潛在因素,然而這些本是可以通過(guò)DFM分析得到避免的。

有兩種層級(jí)的DFM分析。第一種包含比較簡(jiǎn)單或“一般性”的測(cè)試(如那些對(duì)所有制造商都適用而不受制造商工藝能力影響的測(cè)試)。這一類別包括簡(jiǎn)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(cuò)(假設(shè)適當(dāng)?shù)囊?guī)則已被預(yù)先設(shè)定),但它們傾向于提供的是“最壞情況” 的結(jié)果,而沒有在如何更好的利用現(xiàn)有技術(shù)和工藝能力方面給予設(shè)計(jì)者足夠的幫助。

第二種層級(jí)的DFM分析要求對(duì)用到的工藝進(jìn)行詳細(xì)而準(zhǔn)確的模型化 – 如對(duì)實(shí)際零件形狀及置件設(shè)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(jí)的分析結(jié)果,需要依據(jù)特定制造商的生產(chǎn)能力來(lái)進(jìn)行工藝模擬 – 需要根據(jù)選定制造商的工藝能力來(lái)進(jìn)行PCB板制作檢查;組裝檢查需要知道可供使用的組裝設(shè)備包括哪些以及其設(shè)置。對(duì)測(cè)試、檢查及返修的設(shè)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(duì)那些并非在本廠制造的公司而言,因?yàn)橐獜耐饷娴暮贤圃焐?CEM)那里獲得這種詳細(xì)的工藝資料是不容易的。

另外,只參考設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)內(nèi)容并不能做到通盤考慮。對(duì)組裝設(shè)備的設(shè)置(將零件分配到料倉(cāng)),組裝產(chǎn)線上設(shè)備的順序,平衡產(chǎn)線以達(dá)到優(yōu)化的產(chǎn)出等等都是需要考慮的因素,這時(shí)必須用到軟件。盡管有些人可能認(rèn)為這些屬于生產(chǎn)規(guī)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(wù)的重要性,以及具備詳細(xì)的對(duì)組裝流程設(shè)置的知識(shí)如何能幫助設(shè)計(jì)者朝著設(shè)計(jì)出可以高效率制造的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方向邁進(jìn)。

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

因此必須同時(shí)運(yùn)用專業(yè)的分析工具來(lái)找出潛在的問(wèn)題,針對(duì)如何解決問(wèn)題提出建議并允許用戶對(duì)每一個(gè)規(guī)則沖突的相對(duì)影響進(jìn)行調(diào)整和取舍。

這些專業(yè)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(jìn)行配置以提供問(wèn)題的嚴(yán)重等級(jí),給予設(shè)計(jì)者或 NPI 工程師更準(zhǔn)確的信息。從而可以針對(duì)哪些問(wèn)題必須解決(如不可制造),哪些問(wèn)題最好能解決(在特別許可情況下可以制造),哪些問(wèn)題可以安全地被忽略(對(duì)制造/良率沒有影響)等等做出更加明智的決定。通過(guò)內(nèi)置的計(jì)算器,可以進(jìn)行多種多樣的替換工作以嘗試規(guī)則合法性。

總結(jié)來(lái)講:PCB可制造性設(shè)計(jì)分析(DFM 系統(tǒng))是一個(gè)促進(jìn)生產(chǎn)力的強(qiáng)大工具。它能促使你在毫無(wú)損失的情況下使設(shè)計(jì)更加小型化,降低產(chǎn)品上市時(shí)間并信心十足地在全球制造趨勢(shì)中獲利受益。如果不使用DFM,則你可能面臨高成本、高風(fēng)險(xiǎn)的巨大挑戰(zhàn)。

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

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