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[导读]长久以来,设计和生产制造的衔接性一直是电子制造行业面临的主要问题,表现为:一方面,电子产品研发工程师,特别是硬件开发人员普遍存在对制造工艺技术不熟悉,可制造性概念比较模糊,导致设计出的产品不具备可生产性,需要多次反复改板,影响了产品的上市日期,甚至影响产品的质量和可靠性;另一方面,工艺过程中75%的缺陷来自于设计,然而工艺工程师对这些设计缺陷难以辨别,试图采取很多的工艺措施来解决这类问题,结果浪费了大量时间,问题也不能从根本上解决。

智能制造源于人工智能的研究。一般认为智能是知识和智力的总和,前者是智能的基础,后者是指获取和运用知识求解的能力。智能制造应当包含智能制造技术和智能制造系统,智能制造系统不仅能够在实践中不断地充实知识库,具有自学习功能,还有搜集与理解环境信息和自身的信息,并进行分析判断和规划自身行为的能力。

长久以来,设计和生产制造的衔接性一直是电子制造行业面临的主要问题,表现为:一方面,电子产品研发工程师,特别是硬件开发人员普遍存在对制造工艺技术不熟悉,可制造性概念比较模糊,导致设计出的产品不具备可生产性,需要多次反复改板,影响了产品的上市日期,甚至影响产品的质量和可靠性;另一方面,工艺过程中75%的缺陷来自于设计,然而工艺工程师对这些设计缺陷难以辨别,试图采取很多的工艺措施来解决这类问题,结果浪费了大量时间,问题也不能从根本上解决。

而DFM技术在辅助产品开发以高效率、高质量、低成本上著称,其卓越表现越来越受电子企业的青睐。

认识DFM

什么是DFM?

百度百科给出的DFM定义为:DFM,英文Design for manufacture首字母的缩写,译为面向制造的设计,是指产品设计需要满足产品制造的要求,具有良好的可制造性、使得产品以最低的成本、最短的时间、最高的质量制造出来。

设计与制造是产品生命周期中最重要的两个环节,而并行工程要求在产品开始设计时就考虑产品的可制造性和可装配性等因素,DFM是并行工程的核心技术,其目的是在设计阶段就充分考虑下有制造环节的可行性问题。

DFM有多重要?一个没有运用DFM技术的单纯产品设计完成,然后召集各路工程师商讨制造可行性,结果结构工程师认为产品外形限制,密封无法实现,散热无法实现;电子工程师认为外壳上音频输出孔的位置要修改,否则找不到可匹配的元器件;塑料工程师认为产品外壳设计成这样,模具结构和动作太复杂,没法生存;机加工工程师认为该产品的特征是倾斜的,刀具无法进去加工;质量工程师认为这个零件无法确定基准面,测量尺寸无从下手;成本工程师认为设计预估不足,预算大幅超支……没有经历过DFM的新产品设计方案,恐怕都会经历上述各个部门的质疑。

DFM在电子制造行业的发展

DFM技术发展到今天,其内涵也得到了很大的扩展,很多电子制造公司将DFM分化为DFF(Design for Fabrication电路板裸板设计)、DFA(Design for Assembly装配性设计)、DFT(Design for Testability测试性设计)、DFR(Design for Reliability可靠性设计)。

其中,DFF用于PCB板生产前的分析,目的是检查PCB的设计是否符合裸板生产的要求,如内部走线的合理性、各条走线的相互关系、走线布置的合理性;DFA用于元器件的焊接和装配分析,目的是检查设计是否满足贴片标准、焊接及组装的工艺要求;DFT主要用于单板的测试点的设计,这些测试点是以后的电气高度和功能测试的需要,目的在于达到所有产品的电气性能完好、免去事后引线的麻烦;DFR主要用于对系统和结构进行可靠性分析和预测,即在现有元器件水平上,从设备或系统的总体设计、元器件选用、降额设计、热设计、稳定性设计、电磁兼容设计、耐环境设计、工艺设计以及维修性设计等方面采取措施,在重量、体积、性能、费用、研发时间等因素的综合权衡下,实现设备或系统既定的可靠性指标。

由此可见,在电子制造行业,DFM不再是一个孤立的设计任务,而是贯穿于成本管理、整个系统的配合、PCB裸板测试、元器件的组装工艺、产品质量检验和生产线的制造能力等各个环节的综合考量。

面向制造的DFM解决方案

Mentor Valor NPI

电子行业的新产品在导入的时候,常常面临制造过程中的高报废率、低产率,满足不了交货期要求,产品可靠性问题,数据准备时间太长,为解决问题点而维持了大量的人力,客户要求提供DFM问题反馈服务等诸多问题与挑战。由于传统DFM设计流程的局限性,始终无法很好地解决这些问题,而Mentor Graphics基于自身超过15年的电子产品研发设计经验,提出基面向制造的DFM解决方案——Mentor Valor NPI,该解决方案在产品生命周期的早期确定并实施工程变更,可显著节省新产品投入市场所需要的成本和时间。

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▲图1 电子制造业NPI面临的问题与挑战

在新产品导入的过程中,会涉及DFM验证和DFM反馈的环节,DFM验证是为了验证设计数据是否适合制造过程及约束条件,为简化实际生产的工艺流程做准备。而Valor NPI解决方案可识别设计文件中可能影响量产、成本及可靠性的DFM问题点,验证CAD数据和制造BOM的匹配性,分析验证所有替代料的可替代性,提供快速的自动化平板设计及优化功能,并且能执行拼板级的DFM分析。此外,Valor NPI解决方案拥有强大的数据综合处理能力,可服务于整个生产流程,目前已经有超过1000套的安装量,服务于业界各种用户,适用于各种CAD设计流程。

Valor NPI在制造流程中的应用

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▲图2 NPI过程中的DFM

Valor NPI在制造流程中的应用众多,如在PCB Layou设计过程中执行DFM分析、优化反馈,确保设计符合制造商的生产能力;在产品模型接口阶段,集中属性管理使得NPI流程更高效,可快速启动DFM综合分析;在DFM分析阶段,支持装配分析、裸板分析、柔板/硬板结合版分析、微孔分析、拼板分析、基本分析等各种检查规则。

亮点一:装配DFM分析

在装配DFM分析阶段,Mentor Valor NPI解决方案有非常显著的优势,包括400多种装配DFM检查规则;早期识别出影响量产、成本及可靠性的DFM问题点;与客户反馈可能引起产品报废或增加额外成本的问题点;通过Valor元件库识别设计文件中的可焊接性缺陷。

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▲图3 装配DFM分析

亮点二:拼板设计

在拼板设计阶段,Mentor Valor NPI解决方案能轻松、快捷、优化创建装配拼板及裸板拼板;可综合考虑拼板尺寸、轨道宽度、预留宽度、开槽宽度、单板数量及元件干涉;可自动对任意形状的PCB单板进行最优拼板,包括自动填铜、加定位孔、光学点、坏板标记、定位标记、文字、条码、邮票孔、V形槽、开槽;此外,还能精确计算板材利用率,以降低成本。

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▲图4 拼板设计

亮点三:拼板级DFM分析

在拼板级DFM分析阶段,Mentor Valor NPI解决方案拥有超过35条的拼板级DFM检查规则,能及时识别引起报废或额外增加成本的问题点,同时能进行任意形状单板的装配拼板。

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▲图5 拼板级DFM分析

Mentor Valor NPI的价值

在电子产品开发过程中运用DFM的优势不言而喻,如保证选择的元器件能够满足本公司或外协厂家组装工艺的要求;保证设计出的PCB满足PCB供应商的制造能力、成品率和效率的要求;保证设计出的组装工艺路线高效、可靠、低成本,降低产品试制中出现的DFM问题数,PCBA的组装直通率达到公司的期望水平;保证元器件的布局和PCB的布线满足DFM设计规则要求等。

实际上,与行业的其他厂商的同类产品相比,Valor DFM用户在解决DFM问题方面具有明显的竞争优势,表现为减少产品化时间;避免出现大的制造问题;提高产量、增强产品可靠性;加快产品上市等。

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▲图6 Valor与其他同类产品比较

(绿色代表Valor,蓝色代表其他厂商)

 

笔者认为,DFM作为设计与制造协同的桥梁,其应用和实施将越来越成熟,同时,越来越多的企业也将受益于DFM。如果设计工程师在产品设计开始阶段就运用DFM技术,针对设计结果的可制造性分析制造过程,不仅可将下游环节约束施加于设计过程,还可以将产品可制造性检测中得到的加工难点向下游进行信息预发布,以使相关环节提前开展准备,避免牵一发而动全身。

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