DFX技術(shù)與電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)

2004年5月B版

摘  要:　本文主要通過對(duì)電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的的一些問題的觀察和分析，結(jié)合DFX技術(shù)的特點(diǎn)，主要介紹了DFM技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與電子裝配中的應(yīng)用；強(qiáng)調(diào)通過DFX與電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的結(jié)合，將有助于提高產(chǎn)品投入市場(chǎng)的效率，有效減少因產(chǎn)品設(shè)計(jì)不合理和不可靠給市場(chǎng)的拓展和產(chǎn)品發(fā)展?jié)摿淼膲毫Α?/P>

關(guān)鍵詞:　電子產(chǎn)品設(shè)計(jì);  DFX;   DFM

引言

　　進(jìn)入上個(gè)世紀(jì)90年代以來，電子領(lǐng)域的發(fā)展日新月異，各種產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)以及市場(chǎng)的推廣進(jìn)入了一個(gè)全新的時(shí)期。電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)師正面臨著比以往更艱巨的挑戰(zhàn)：客戶要求產(chǎn)品價(jià)格更低、產(chǎn)品質(zhì)量更高同時(shí)交貨周期更短。如何更快地去設(shè)計(jì)更多功能、更小體積、性價(jià)比更高、能夠最大程度滿足客戶需求的產(chǎn)品成為各電子設(shè)計(jì)師努力追求的目標(biāo)。

　　但由于長(zhǎng)期以來的思維和操作定式，產(chǎn)品在開發(fā)與制造環(huán)節(jié)之間始終存在“間隙”，設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品往往面臨(1)不符合制造能力的要求，從而需要大量維修工作，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量低下，產(chǎn)品設(shè)計(jì)需求多次修改；(2)產(chǎn)品根本無法制造，設(shè)計(jì)人員必須另起爐灶、從頭開始，浪費(fèi)了大量的人力、物力，嚴(yán)重削弱了企業(yè)在同行業(yè)中的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力；(3)產(chǎn)品可靠性差，客戶投訴多，售后服務(wù)投入大，企業(yè)入不敷出，產(chǎn)品生命周期縮短，最終導(dǎo)致企業(yè)無以為繼。

DFX/DFM技術(shù)

　　種種問題，都與產(chǎn)品的可制造性聯(lián)系在一起，這是現(xiàn)代電子產(chǎn)品和設(shè)計(jì)中必須考慮的重要因素。眾所周知，設(shè)計(jì)階段決定了一個(gè)產(chǎn)品約80%左右的制造成本。根據(jù)對(duì)國(guó)內(nèi)外企業(yè)的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，凡是企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)持續(xù)力好，成果轉(zhuǎn)化能力強(qiáng)，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，必然與企業(yè)對(duì)研發(fā)的觀念和推行的保障體系相關(guān)，最關(guān)鍵的問題在于企業(yè)是否有一套針對(duì)新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)研究。DFX工程技術(shù)是世界上比較先進(jìn)的新產(chǎn)品開發(fā)可制造性分析技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)在歐美企業(yè)中應(yīng)用比較廣泛，在國(guó)內(nèi)則起步較晚，目前正在推廣之中。所謂DFX是Design for X(面向產(chǎn)品生命周期各/某環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì))的縮寫。 其中，X可以代表產(chǎn)品生命周期或其中某一環(huán)節(jié)，如裝配(M-制造，T-測(cè)試)、加工、使用、維修、回收、報(bào)廢等，也可以代表產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力或決定產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力的因素，如質(zhì)量、成本(C)、時(shí)間等等。包括：

DFP: Design for Procurement  可采購(gòu)設(shè)計(jì)

DFM: Design  for  Manufacture   可生產(chǎn)設(shè)計(jì)；

DFT: Design for Test  可測(cè)試設(shè)計(jì)；

DFD: Design for Diagnosibility  可診斷分析設(shè)計(jì)；

DFA: Design for Assembly 可組裝設(shè)計(jì)；

DFE: Design for Environment 可環(huán)保設(shè)計(jì)；

DFF: Design for Fabrication of the PCB  為PCB可制造而設(shè)計(jì)；

DFS: Design for Serviceability  可服務(wù)設(shè)計(jì)；

DFR: Design for Reliability  為可靠性而設(shè)計(jì)；

DFC: Design for Cost  為成本而設(shè)計(jì)

　　這里的設(shè)計(jì)不僅僅指產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，也指產(chǎn)品開發(fā)過程和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，不但要考慮功能和性能要求, 而且要同時(shí)考慮與產(chǎn)品整個(gè)生命周期各階段相關(guān)的因素。包括制造的可能性、高效性和經(jīng)濟(jì)性等。其目標(biāo)是在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下縮短開發(fā)周期降低成本。這是一項(xiàng)設(shè)計(jì)中的并行工程。DFX的出現(xiàn)有其深刻的歷史背景，這是由于當(dāng)前電子產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈，如何使產(chǎn)品快速進(jìn)入市場(chǎng)、適應(yīng)短生命周期產(chǎn)品的要求，是一種產(chǎn)品能否取得市場(chǎng)份額的關(guān)鍵因素。DFX技術(shù)就是在這樣一個(gè)環(huán)境中應(yīng)運(yùn)而生。DFX的含義即是從產(chǎn)品的概念開始，考慮其可制造性和可測(cè)試性，使設(shè)計(jì)和制造之間緊密聯(lián)系、相互影響，從設(shè)計(jì)到制造一次成功。這種設(shè)計(jì)概念及設(shè)計(jì)方法可縮短產(chǎn)品投放市場(chǎng)的時(shí)間、降低成本、提高產(chǎn)量。以往，公司通常的做法是：新產(chǎn)品從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)乃至交付用戶使用的過程總是從一個(gè)部門提交到下一個(gè)部門，這種過程是一個(gè)順序工程。出于各環(huán)節(jié)串行，生產(chǎn)準(zhǔn)備只能在設(shè)計(jì)完全結(jié)束后起動(dòng)，延長(zhǎng)了產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，喪失了占領(lǐng)市場(chǎng)的機(jī)會(huì).更嚴(yán)重的是設(shè)計(jì)與制造的嚴(yán)重分離,產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)部門沒有及時(shí)吸收制造和工程部門對(duì)新產(chǎn)品的改進(jìn)意見，致使產(chǎn)品試生產(chǎn)時(shí)才發(fā)現(xiàn)問題反復(fù)修改或帶著某種缺陷交給用戶,造成開發(fā)成本增加，時(shí)間延長(zhǎng)，質(zhì)量降低。如果能夠排除設(shè)計(jì)、制造和維修之間的溝通障礙，在設(shè)計(jì)階段就解決可制造性(DFM)、可測(cè)試性(DFT)等技術(shù)問題，將通常在制造階段才暴露出來的問題提前在設(shè)計(jì)階段加以解決，就可以省去多次的改版和不必要的設(shè)計(jì)更改，從而大大降低成本。

　　DFM技術(shù)即可制造性分析技術(shù)是DFX中的一個(gè)重要部分，在電子設(shè)計(jì)及電子裝配制造上的應(yīng)用尤為廣泛。在《加工與制造工程師手冊(cè)》一書中作者William H.Cubberly和Raman Bakerjian對(duì)此作了如下解釋："DFM主要研究產(chǎn)品本身的物理設(shè)計(jì)與制造系統(tǒng)各部分之間的相互關(guān)系，并把它用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)中以便將整個(gè)制造系統(tǒng)融合在一起進(jìn)行總體優(yōu)化。DFM可以降低產(chǎn)品的開發(fā)周期和成本，使之能更順利地投入生產(chǎn)。"換而言之，DFM就是要在整個(gè)產(chǎn)品生命周期中及早發(fā)現(xiàn)問題并加以解決。通過這一方法降低成本、縮短產(chǎn)品投入市場(chǎng)的時(shí)間、提高產(chǎn)品質(zhì)量、提高產(chǎn)品的可制造性、縮短生產(chǎn)時(shí)間、提高工作效率。根據(jù)HP公司對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與成本之間的關(guān)系的調(diào)查數(shù)據(jù)表明：產(chǎn)品總成本的60％取決于最初的設(shè)計(jì)，75％的制造成本取決于設(shè)計(jì)說明和設(shè)計(jì)規(guī)范，70~80％的生產(chǎn)缺陷是由于設(shè)計(jì)原因造成的，可見，在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段進(jìn)行可制造性分析，對(duì)于提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性，增強(qiáng)產(chǎn)品開發(fā)的競(jìng)爭(zhēng)實(shí)力具有舉足輕重的作用。DFM技術(shù)在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造中的突出作用在于：第一，有利于流程的標(biāo)準(zhǔn)化，通過DFM規(guī)范，將設(shè)計(jì)和制造部門有機(jī)地聯(lián)系起來，同時(shí)達(dá)到生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備地標(biāo)準(zhǔn)化；第二，有利于技術(shù)轉(zhuǎn)移，基于目前的產(chǎn)品制造外包趨勢(shì)(OEM/EMS),DFM技術(shù)有助于各方擁有共同的技術(shù)溝通語言，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)的專業(yè)化轉(zhuǎn)移，以便迅速在世界各地組織生產(chǎn)，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)全球化策略；第三，降低新技術(shù)引進(jìn)成本，減少測(cè)試工藝開發(fā)的龐大費(fèi)用；第四，節(jié)約成本，改善供貨能力，有效利用資源，低成本、高質(zhì)量、高效率地制造出產(chǎn)品；第五，提前對(duì)產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行驗(yàn)證，減少投產(chǎn)后出現(xiàn)各種產(chǎn)品設(shè)計(jì)更改；最后，DFM對(duì)于日益復(fù)雜的PCB/SMT技術(shù)的挑戰(zhàn)，具有相當(dāng)良好的適應(yīng)能力。

DFM技術(shù)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)相結(jié)合的應(yīng)用

　　DFM技術(shù)在電子設(shè)計(jì)及電子裝配制造上的應(yīng)用主要通過一定的規(guī)范和流程，輔以專業(yè)化工具來實(shí)現(xiàn)的，圖1表述的就是運(yùn)用DFM技術(shù)、運(yùn)用專業(yè)化工具協(xié)同PCB設(shè)計(jì)的一個(gè)例子，我們可以看到，在電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，布線、器件安排都得到了DFM技術(shù)的支持和反饋，最后得到的是“RIGHT-FIRST-TIME"制造，即第一次投入批量生產(chǎn)的產(chǎn)品就是設(shè)計(jì)正確而且合理的產(chǎn)品，擁有相當(dāng)高的一次成品率。

　　DFM按時(shí)間可劃分為四個(gè)階段，分別為協(xié)作性設(shè)計(jì)(Collaborative Design)、綜合分析(Compreh-ensive Analysis)、試制前分析(Basic  Pre-Release Analysis)和試制后分析(Post -Release Review). 不同階段的實(shí)施對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本的影響也是不同的。協(xié)作性設(shè)計(jì)階段是分析所有設(shè)計(jì)要素，貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程，與設(shè)計(jì)同步開始；綜合分析是在設(shè)計(jì)周期的早期階段，綜合設(shè)計(jì)、成本、質(zhì)量的要求，尋找最合理的設(shè)計(jì)平衡點(diǎn)；試制前分析，主要在試制之前檢查設(shè)計(jì)內(nèi)容，從DFM、DFT(ICT)和設(shè)計(jì)文件方面檢查產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性；試制后分析主要指試制后的反饋，將試制中發(fā)現(xiàn)的問題總結(jié)并反饋給設(shè)計(jì)師，以便在可行的范圍內(nèi)及時(shí)更新設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的可制造性，但畢竟已是亡羊補(bǔ)牢。

　　總體來說，DFM階段越早，發(fā)現(xiàn)的問題就越容易解決，帶來的損失也就越小。比如，圖2的設(shè)計(jì)，是在SMT焊盤中存在的通孔設(shè)計(jì)，這在規(guī)范上是需要加以避免的，它將引起SMT器件焊點(diǎn)的不良率，直接造成產(chǎn)品故障。如果在試制中發(fā)現(xiàn)，再去修改設(shè)計(jì)，時(shí)間和材料上的浪費(fèi)顯而易見。

　　再比如，器件在PCB上的方向和不同器件互相之間間隔的設(shè)定(見圖3)，對(duì)產(chǎn)品在制造過程中出現(xiàn)故障的幾率也起到相當(dāng)重要的作用。如果器件排布的方向與工藝走向不符，如果小器件被大器件所遮蔽，那么這些器件必然會(huì)發(fā)生“合理”的故障。

　　同樣，焊盤與板邊的臨界分析、測(cè)試點(diǎn)到裸銅的距離分析、焊盤到焊盤的距離分析(見圖4－6)都是電子裝配產(chǎn)品制造中重要的考慮因素，遵循DFM規(guī)則必然帶來可以預(yù)見的產(chǎn)品收益，反之則是預(yù)見的產(chǎn)品損益。

　　以上只是舉了DFM分析技術(shù)在實(shí)際上的一些應(yīng)用，雖然只是功能上的“冰山一角”，但相信我們也能體會(huì)到DFM技術(shù)在設(shè)計(jì)中的重要性，DFM技術(shù)的應(yīng)用的確能夠幫助產(chǎn)品設(shè)計(jì)抓住投入制造的關(guān)鍵因素，從根本上解決了設(shè)計(jì)產(chǎn)品到投入制造的原有瓶頸，有效提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，減少了產(chǎn)品開發(fā)的成本，并盡可能延長(zhǎng)了產(chǎn)品的生命周期。

結(jié)語

　　通過無數(shù)次的分析和測(cè)試，DFM技術(shù)在以下幾個(gè)方面體現(xiàn)出巨大的效益：(1)新產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間縮短，反復(fù)次數(shù)減少。(2)新產(chǎn)品的工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量提高。(3)減少制造時(shí)間和生產(chǎn)成本。(4)新產(chǎn)品正式投產(chǎn)后能很快達(dá)到成熟的生產(chǎn)期。它通常應(yīng)用在對(duì)PCB的設(shè)計(jì)工藝性、結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)工藝性、整機(jī)的裝配工藝性、可測(cè)試性設(shè)計(jì)和成本方面的分析上，具有軟件模擬的功能，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，具有實(shí)際指導(dǎo)意義。它可以解決諸如設(shè)計(jì)問題、器件選用、布線、共面性、合理布局等方面的實(shí)際問題，也可以對(duì)制造過程中的故障率，測(cè)試覆蓋率等作出預(yù)測(cè)，

　　有報(bào)道稱，美國(guó)在"新一代制造計(jì)劃"中指出未來的制造模式將是：批量小、質(zhì)量高、成本低、交貨期短、生產(chǎn)柔性、環(huán)境友好。這對(duì)于習(xí)慣于計(jì)劃預(yù)制、批量生產(chǎn)的企業(yè)來說，無疑具有相當(dāng)大的挑戰(zhàn)性。DFX/DFM技術(shù)的引進(jìn)和推廣，能夠幫助企業(yè)從設(shè)計(jì)開始就具備現(xiàn)代制造理念，一切從可制造性原理出發(fā)，減少不必要的成本，使企業(yè)應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)、把握未來成為可能?！?/P>

參考文獻(xiàn)

1．David G. Ullman, The Mechanical Design Process, New York: McGraw-Hill Inc., 1993,

2．Design for Manufacturability (DFM) Guidelines, Alcatel , August 2003

3．特雷西.泰勒(美)，為制造著想的設(shè)計(jì)(DFM, Design For Manufacture)

4．IPC-D-279 standard, Design Guidelines for Reliable Surface Mount Technology Printed Board Assemblies