生产设计

概述 可制造性设计（Design for Manufacturing，DFM），它主要是研究产品本身的物理特征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，使之更规范，以便降低成本，缩短生产时间，提高产品可制造性和工作效率。 核心 可制造性设计的核心是在不影响产品功能的前提下，从产品的初步规划到产品的投入生产的整个设计过程进行参与，使之标准化、简单化，让设计利于生产及使用。减少整个产品的制造成本（特别是元器件和加工工艺方面）。减化工艺流程，选择高通过率的工艺，标准元器件，选择减少模具及工具的复杂性及其成本。 过程方法 引入可制造性设计，首先要认识到它的必要性，特别是生产和设计部门这两方面的领导更要确信DFM的必要。只有这样，才能使设计人员考虑的不只是功能实现这一首要目标，还要兼顾生产制造方面的问题。这就是讲，不管你设计的产品功能再完美、再先进，但不能顺利制造生产或要花费巨额制造成本来生产，这样就会造成产品成本上升、销售困难、失去市场。 其次，统一设计部门和生产部门之前的信息，建立有效的沟通机制。这样设计人员就能在设计的同时考虑生产过程，使自己的设计利于生产制造。 第三，选择有丰富生产经验的人员参与设计，对设计成果进行可制造方面的测试和评估，辅助设计人员工作。最后，安排合理的时间给设计人员，以及DFM工程师到生产第一线了解生产工艺流程及生产设备，了解生产中的问题。以便更好、更系统地改善自己的设计。 寻求建立DFM规范 DFM文件应结合本公司的生产设计特点、工艺水平、设备硬件能力、产品特点等进行合理的制订。这样，在进行设计时，选择组装技术就要考虑当前和未来工厂的生产能力。从工业造型创意设计方面做出独特的思路，根据人体工程学原理设计出合理又实用的产品。这些文件可以是很简单的一些条款，进而也可以是一部复杂而全面的设计手册。另外，文件必须根据公司生产发展进行适时维护，以使其能更准确地符合当前设计及生产需求。 建立DFM检查表 在对产品设计进行策划的同时，根据公司DFM规范文件建立DFM检查表。检查表是便于系统、全面地分析产品设计的工具，其应包括检查项目、关键环节的处理等。从内容上讲主要包含以下信息： a． 产品信息、数据（如电路原理图、PCB图、组装图、CAD结构文件等内容）。 b． 选择生产制造的大致加工流程：AI、SMT、波峰焊、手焊等。 c． PCB尺寸及布局。 d． 元器件的选择和焊盘、通孔设计。 e． 生产适用工艺边、定位孔及基准点的设计。 f． 执行机械组装的各项要求。 DFM报告 DFM报告是反映整个设计过程中所发现的问题。这个类似于ISO91中的审核报告，主要是根据DFM规范文件及检查表，开具设计中的不合格项。其内容必须直观明了，要列出不合格理由，甚者可以给出更正结果要求。其报告是随时性的，贯穿于整个设计过程。 DFM测试 进行 DFM设计的结果，会对生产组装影响多大，起到了什么样的作用。这就要通过DFM测试来进行证实。DFM测试是由设计测试人员使用与公司生产模式相似的生产工艺来建立设计的样品，这有时可能需要生产人员的帮助，测试必须迅速准确并做出测试报告，这样可以使设计者马上更正所测试出来的任何问题，加快设计周期。 DFM分析评价 这个过程相当于总结评审。一方面评价产品设计的DFM可靠程度，另一方面可以将非DFM设计的生产制造与进行过DFM 设计的生产制造进行模拟比较。从生产质量、效率、成本等方面分析。得出做DFM的成本节约量，这个对在制订年度生产目标及资金预算上起到参考资料的作用，另一方面也可以增强领导者实施DFM的决心。 DFM DFM不是单纯的一项技术，从某种意义上，它更象一种思想，包含在产品实现的各个环节中。 PCB设计 ，作为设计从逻辑到物理实现的最重要过程，DFM设计是一个不可回避的重要方面。在PCB设计上，我们所说的DFM主要包括:器件选择、PCB物理参数选择和PCB设计细节方面等。 ​ 一般来说，器件选择主要是指选择采购，加工，维修等方面综合起来比较有利的器件。如:尽量采用SOP器件，而不采用BGA器件；采用器件pitch大的器件，不采用细间距的器件；尽量采用常规器件，而不用特殊器件等。器件的DFM选择，作为PCB设计人员需要和采购工程师、硬件工程师、工艺工程师等协商决定。 PCB设计的物理参数这个主要环节主要是由PCB设计人员来确定了。主要包括：板厚孔径比、线宽间距、层叠设计、焊盘孔径等的设置。这要求PCB设计人员必需深入了解PCB的制造工艺和制造方法，了解大多数板厂的加工参数，然后结合单板的实际情况来进行物理参数的设定，尽量增加PCB生产的工艺窗口，采用最成熟的加工工艺和参数，降低加工难度，提高成品率，减少后期PCB制作的成本和周期，即“不能杀鸡使用牛刀”也不能“杀牛使用鸡刀”。 在PCB设计细节上很多的情况就和设计工程师的水平和经验有很大的关系了。如:器件的摆放位置，间距，走线的处理，铜皮的处理等。这些参数需要长时间多项目的积累才能得到。一般来说，专业的设计由于接触到更多的要求PCB板厂和焊接加工厂，所以一般他们的设计参数能符合绝大多数板厂的要求，而不是仅符合某个厂的特定成本要求。 意义 降低成本、提高产品竞争力 低成本、高产出是所有公司永恒的追求目标。通过实施DFM规范，可有效地利用公司资源，低成本、高质量、高效率地制造出产品。如果产品的设计不符合公司生产特点，可制造性差，即就要花费更多的人力、物力、财力才能达到目的。同时还要付出延缓交货，甚者失去市场的沉重代价。 优化生产过程，提高生产效率 DFM把设计部门和生产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。 利于技术转移，加强公司协作 现在很多企业受生产规模的限制，大量的工作需外加工来进行，通过实施DFM，可以使加工单位与需加工单位之间制造技术平稳转移，快速地组织生产。可制造性设计的通用性，可以使企业产品实现全球化生产。 新产品开发及测试的基础 没有适当的DFM规范来控制产品的设计，在产品开发的后期，甚至在大批量生产阶段才发现这样或那样的组装问题，此时想通过设计更改来修正，无疑会增加开发成本并延长产品生产周期。所以新品开发除了要注重功能第一之外，DFM也是很重要的。 适合电子组装工艺新技术 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。 可行性研究报告 可行性研究报告是在招商引资、投资合作、政府立项、银行贷款等领域常用的专业文档，主要对项目实施的可能性、有效性、如何实施、相关技术方案及财务效果进行具体、深入、细致的技术论证和经济评价，以求确定一个在技术上合理、经济上合算的最优方案和最佳时机而写的书面报告。 （1)用于企业融资、对外招商合作的可行性研究报告。 这类研究报告通常要求市场分析准确、投资方案合理、并提供竞争分析、营销计划、管理方案、技术研发等实际运作方案 (2)用于国家发展和改革委（以前的计委）立项的可行性研究报告、项目建议书、项目申请报告。 该文件是根据《中华人民共和国行政许可法》和《国务院对确需保留的行政审批项目设定行政许可的决定》而编写，是大型基础设施项目立项的基础文件，发改委根据可研报告进行核准、备案或批复，决定某个项目是否实施。另外医药企业在申请相关证书时也需要编写可行性研究报告。 (3)用于银行贷款的可行性研究报告。 商业银行在贷款前进行风险评估时，需要项目方出具详细的可行性研究报告,对于国家开发银行等国内银行，若该报告由甲级资格单位出具，通常不需要再组织专家评审,部分银行的贷款可行性研究报告不需要资格，但要求融资方案合理，分析正确，信息全面。另外在申请国家的相关政策支持资金 、工商注册时往往也需要编写可研报告，该文件类似用于银行贷款的可研。 (4)用于境外投资项目核准的可行性研究报告、项目申请报告。 企业在实施走出去战略，对国外矿产资源和其他产业投资时，需要编写可行性研究报告或项目申请报告、报给国家发展和改革委或省发改委，需要申请中国进出口银行境外投资重点项目信贷支持时，也需要可行性研究报告和项目申请报告，详细规定>>。 (5)用于企业上市的可行性研究报告。 这类可行性报告通常需要出具国家发改委的甲级工程咨询资格。 (6)用于申请政府资金（发改委资金、科技部资金、农业部资金）的可行性研究报告。 这类可行性报告通常需要出具国家发改委的甲级工程咨询资格 常见问题及解决方案 一、在设计多层次板时，内层孔到导体的间距设计太小，不能满足生产厂家的制程能力。 后果： 造成内层短路。 原因： 1、设计时未考虑各项补偿因素。 2、设计测量时以线路的中心来测量 解决方案： 1、在设计内层孔到导体的间距时，应当考虑孔径补偿对间距的影响，一般孔径补偿大小为.1MM，单边增加了2MIL. 2、测量间距时应以线路的边到孔边来测量。 二、孔焊盘设计不够大，布线时没有考虑安全间距设置过小及螺丝孔到线或到铜皮的距离。 后果： 制造商在工程处理文件时无法修改，需要重新修改文件，降低了文件处理速度，也容易造成开短路现象。 解决方案： 1、设计文件时器件孔内径比外径最小大2MIL，过孔内径比外径最小大8MIL。 2、设计时考虑螺丝孔到线或到铜皮的距离保证12MIL以上，布线时可以在螺丝孔对应的地方的KEET OUT层画个比孔大12MIL以上的圆圈以防布线。 三、电地短路：电地短路对印制板来说是一个很严重的缺陷。 原因： 1、自定义的器件库SMT钻孔未删除。 2、定位孔隔离环设计不够大。 3、设计更改后未重新对电地进行处理（内层以负片的形式设计，网络无法检查）。 4、高频板手工加过孔时未对照其它层。 解决方法： 1、设计时对自定义同类型的元件进行确认，将贴片的孔设计为； 2、设计时控制定位孔的隔离环宽度在15MIL以上； 3、更改了外层的孔位一定要对内层重新铺铜； 4、高频板在加边缘过孔时过孔设计网络属性，如不侧设计属性的， 一定要打开其它层进行对照。 四、内层开路：内层开路是一个无法补救的缺陷。 原因： 1、内层孤岛，主要在内层以负片设计时，隔离盘太大，隔离盘围住了散热盘，使之与外无法连接。 2、隔离线设计时经过散热焊盘的孔，造成孔内无铜 3、隔离区过小，中间有隔离盘造成开路 4、内层线路离板边太近，叠边时造成开路。 解决方法： 1、设计时对过孔的放置时考虑位置的合理性。 2、设计时对隔离线的设计避开散热盘。 3、将隔离区放大，保证网络连接8MIL以上。 4、设计时不要将线条、孔、梅花焊盘太近板边，内层设计.5MM以外，外层.3-.4MM以外。 五、设计时对一些修改后残留下来的断线未进行去除。 后果： 影响后端制造商在工程制作对PCB的通断判定，造成进度延误。 解决方案： 1、设计时尽量避免断线头的产生。 2、对一些特意保留的断线头进行书面的说明。 六、铺铜设计时，文件大面积铺铜时使用的线条D码太小，还有将铜面铺成网格状时，将网格间距设计过小。 后果： 造成数据量大，操作速度缓慢，增加生产难度与影响产品外观。 解决方案： 1、铺铜时尽量选用8-1MIL的线来铺及避免重复铺铜。 2、铺网格时将网格间距最小设成8*8MIL，即8MIL的线，8MIL的间距。 3、尽量不要用填充块来铺铜。 七、槽孔漏制作与孔属性制作错误 原因： 1、设计孔层时，未对相对应的孔给予属性定义，特别是安装孔的设置。 2、槽孔的设计未设计在孔层上面或分孔图上，而设计在KEEPOUT层。 3、槽孔的标识与指示放置在无用层上。 解决方案： 1、孔设计时，对相应的孔给予属性定义，特别是安装孔与槽孔。 2、槽孔的设计防止放在KEEPOUT层。 3、对需标注的槽孔指示，尽量放置在分孔图层，指示清晰。 （特别注意PROTER与POWERPCB在槽孔设计的特殊性。） 八、机械加工问题：板外型、槽、非金属化孔的形状、尺寸错误。 原因： 1、禁止布线层（Keep Out) 与机械层的混用（Mechanical Layers)。 2、图形尺寸与标注不一致。 3、V_CUT存在拐弯设计。 4、公差标注不合理。 解决方法： 1、按功能正确使用层； 不要将PROTER与POWERPCB层设计定义混合。 2、图形尺寸与标注保持一致，提供正确的机械加工图纸。 3、V_CUT时保证V_CUT线为水平直线。 4、公差标注对超出常规要求的，应尽量单独指示。 5、对特殊外形要求的订单，尽量以书面的方式说明。 九、非金属化孔制作要求不明确，在钻孔刀具表要求做NPTH孔，但实际文件中又有电气连接，要求PTH孔，但在机械加工层相对应位置又画出圈圈，难以判断应以哪个为准。 原因： 1、设计方面的特殊要求 2、设计时对供应商的判定标准不清晰。 解决方法： 1、在钻孔刀具表正确标注NPTH，在线路层不放置焊盘或做挖空处理。 2、提供清淅明朗的机械加工艺图。 3、在书面中特殊注明。 4、多与制造商组织技术交流。 十、阻焊漏开窗：在线路板制作中偶然会出现IC脚、SMT以及相类似元件的散热块没有开窗的现象，测试点与器件孔未开窗等。 原因： 1、设计时PAD与VIA混淆； 2、设计时采用FILL元素填充，未在Solder masks加比线路层填充块大8MIL的FILL； 3、将应在Solder mask加的填充块加到了Paste masks层； 4、设计环境设置不当，（如设计时应将阻焊加大2-4MIL,误设计为减小)。 解决方法： 1、对孔的属性定义严格执行相关标准，以免阻焊制作过孔与器件孔无法区分。 2、对测试点的设置应单独起一个焊盘，避免与过孔相同的D码。 3、在提供GERBER文件时进行文件处理，提供GTP与GBP。 4、设计时对将需要散热与焊接的大块铜区，手工加上阻焊。 5、设计时严格执行层的放置规定，设置正确的设计环境。 其他相关 可制造性设计——医疗电子必须面对的问题 在日前召开的第三届中国国际医疗电子技术大会（CMET21）中，来自香港应用科技研究院的梁立慧博士为参会嘉宾带来了用于整合保健电子及消费性电子的先进封装技术，以及一种可以让工程师在制造之前发现设计问题的虚拟环境技术。 “在CMET21这两天的会议中，我们学到了很多关于微型化、智能化、柔性化以及模块化方面的技术，而我们现在要做的是将这些技术整合到一起，最终实现无处不在的医疗保健电子。”梁立慧博士在演讲中介绍，“比如我们研究院就设计出一款理想中的概念型产品——智能胶布，它看起来很像一个创口贴，但是通过集成 不同功能的模块可以实现不同的功能，如心电、血压、血糖、血氧之类数据的检测。”不过梁立慧也表示，如果要将上述概念产品变成现实，需要产业链中多个方面 的通力合作，如需要用到柔性PCB技术、柔性显示技术、微型元器件技术、POP以及裸晶的封装技术等等，另外还必须考虑到系统级封装的可靠性设计。 为 解决上述可制造性设计问题，香港应用科技研究院推出一种先进封装的虚拟制造和虚拟测试的技术。据梁博士的同事谢斌博士介绍，在设计一些新的产品时，可能会 产生很多意料之外的制造性问题。如果设计的不是很理想，或者各种材料的匹配不是很好，在后续的批量生产制造过程中会造成很多问题。如果这些问题等到批量生产时才发现，前面设计工程花费的大量人力、物力就等于白白浪费掉了，这对当前的工业界来说几乎是不可接受的。因此香港应用科技研究院把整个的工艺过程和大 量的实验进行了虚拟化，将其集成到了一套软件当中，工程师在设计产品时只需要将封装的设计参数：如几何尺寸、材料、工艺参数等等输入进去，软件就马上可以反馈出这个设计可能会有什么样的制造问题，会有什么可靠性的问题，这样就可以通过这套软件来反复修改。从而实现在不做任何实际生产的条件下，尽量保证设计 是没有制造性问题。