DFX和DFM技术原理及与产品设计相结合的应用案例研究

DFX和DFM技术原理及与产品设计相结合的应用案例研究发表时间：2012/4/19来源：万方数据关键字：DFX技术DFX应用案例并行工程信息化调查找茬投稿收藏评论好文推荐打印社区分享本文介绍了DFX技术出现的背景，DFX/DFM技术及其在电子产品设计与制造中的作用，并重点分析了DFM技术和产品设计相结合的应用。引言进入上个世纪90年代以来，电子领域的发展日新月异，各种产品的设计开发以及市场的推广进入了一个全新的时期。电子产品设计师正面临着比以往更艰巨的挑战：客户要求产品价格更低、产品质量更高同时交货周期更短。如何更快地去设计更多功能、更小体积、性价比更高、能够最大程度满足客户需求的产品成为各电子设计师努力追求的目标。但由于长期以来的思维和操作定式，产品在开发与制造环节之间始终存在“间隙”，设计出来的产品往往面临：(1)不符合制造能力的要求，从而需要大量维修工作，导致产品质量低下，产品设计需求多次修改；(2)产品根本无法制造，设计人员必须另起炉灶、从头开始，浪费了大量的人力、物力，严重削弱了企业在同行业中的竞争实力；(3)产品可靠性差，客户投诉多，售后服务投入大，企业入不敷出，产品生命周期缩短，最终导致企业无以为继。DFX/DFM技术种种问题，都与产品的可制造性联系在一起，这是现代电子产品和设计中必须考虑的重要因素。众所周知，设计阶段决定了一个产品约80%左右的制造成本。根据对国内外企业的调查可以发现，凡是企业产品开发持续力好，成果转化能力强，产品质量稳定，必然与企业对研发的观念和推行的保障体系相关，最关键的问题在于企业是否有一套针对新产品设计开发的产业化技术研究。DFX工程技术是世界上比较先进的新产品开发可制造性分析技术。这项技术在欧美企业中应用比较广泛，在国内则起步较晚，目前正在推广之中。所谓DFX是DesignforX(面向产品生命周期各/某环节的设计)的缩写。其中，X可以代表产品生命周期或其中某一环节，如装配(M-制造，T-测试)、加工、使用、维修、回收、报废等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成本(C)、时间等等。包括：DFP：DesignforProcurement可采购设计DFM：DesignforManufacture可生产设计DFT：DesignforTest可测试设计DFD：DesignforDiagnosibility可诊断分析设计DFA：DesignforAssembly可组装设计DFE：DesignforEnvironment可环保设计DFF：DesignforFabricationofthePCB为PCB可制造而设计DFS：DesignforServiceability可服务设计DFR：DesignforReliability为可靠性而设计DFC：DesignforCost为成本而设计这里的设计不仅仅指产品的设计，也指产品开发过程和系统的设计。在产品设计时，不但要考虑功能和性能要求，而且要同时考虑与产品整个生命周期各阶段相关的因素。包括制造的可能性、高效性和经济性等。其目标是在保证产品质量的前提下缩短开发周期降低成本。这是一项设计中的并行工程。DFX的出现有其深刻的历史背景，这是由于当前电子产品市场竞争越来越激烈，如何使产品快速进入市场、适应短生命周期产品的要求，是一种产品能否取得市场份额的关键因素。DFX技术就是在这样一个环境中应运而生。DFX的含义即是从产品的概念开始，考虑其可制造性和可测试性，使设计和制造之间紧密联系、相互影响，从设计到制造一次成功。这种设计概念及设计方法可缩短产品投放市场的时间、降低成本、提高产量。以往，公司通常的做法是：新产品从设计到生产乃至交付用户使用的过程总是从一个部门提交到下一个部门，这种过程是一个顺序工程。出于各环节串行，生产准备只能在设计完全结束后起动，延长了产品开发时间，丧失了占领市场的机会.更严重的是设计与制造的严重分离,产品设计和开发部门没有及时吸收制造和工程部门对新产品的改进意见，致使产品试生产时才发现问题反复修改或带着某种缺陷交给用户,造成开发成本增加，时间延长，质量降低。如果能够排除设计、制造和维修之间的沟通障碍，在设计阶段就解决可制造性(DFM)、可测试性(DFT)等技术问题，将通常在制造阶段才暴露出来的问题提前在设计阶段加以解决，就可以省去多次的改版和不必要的设计更改，从而大大降低成本。DFM技术即可制造性分析技术是DFX中的一个重要部分，在电子设计及电子装配制造上的应用尤为广泛。在《加工与制造工程师手册》一书中作者WilliamH.Cubberly和RamanBakerjian对此作了如下解释：“DFM主要研究产品本身的物理设计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。DFM可以降低产品的开发周期和成本，使之能更顺利地投入生产。”换而言之，DFM就是要在整个产品生命周期中及早发现问题并加以解决。通过这一方法降低成本、缩短产品投入市场的时间、提高产品质量、提高产品的可制造性、缩短生产时间、提高工作效率。根据HP公司对产品设计与成本之间的关系的调查数据表明：产品总成本的60％取决于最初的设计，75％的制造成本取决于设计说明和设计规范，70~80％的生产缺陷是由于设计原因造成的，可见，在产品的设计阶段进行可制造性分析，对于提高设计产品的可靠性、稳定性，增强产品开发的竞争实力具有举足轻重的作用。DFM技术在电子产品设计与制造中的突出作用在于：第一，有利于流程的标准化，通过DFM规范，将设计和制造部门有机地联系起来，同时达到生产测试设备地标准化；第二，有利于技术转移，基于目前的产品制造外包趋势(OEM/EMS),DFM技术有助于各方拥有共同的技术沟通语言，能够实现产品技术的专业化转移，以便迅速在世界各地组织生产，有利于企业实现全球化策略；第三，降低新技术引进成本，减少测试工艺开发的庞大费用；第四，节约成本，改善供货能力，有效利用资源，低成本、高质量、高效率地制造出产品；第五，提前对产品开发进行验证，减少投产后出现各种产品设计更改；最后，DFM对于日益复杂的PCB/SMT技术的挑战，具有相当良好的适应能力。DFM技术和产品设计相结合的应用DFM技术在电子设计及电子装配制造上的应用主要通过一定的规范和流程，辅以专业化工具来实现的，图1表述的就是运用DFM技术、运用专业化工具协同PCB设计的一个例子，我们可以看到，在电子产品的设计中，布线、器件安排都得到了DFM技术的支持和反馈，最后得到的是“RIGHT-FIRST-TIME”制造，即第一次投入批量生产的产品就是设计正确而且合理的产品，拥有相当高的一次成品率。图1运用DFM技术和专业化工具协同PCB设计实例DFM按时间可划分为四个阶段，分别为协作性设计(CollaborativeDesign)、综合分析(Compreh-ensiveAnalysis)、试制前分析(BasicPre-ReleaseAnalysis)和试制后分析(Post-ReleaseReview).不同阶段的实施对产品设计和生产成本的影响也是不同的。协作性设计阶段是分析所有设计要素，贯穿整个设计过程，与设计同步开始；综合分析是在设计周期的早期阶段，综合设计、成本、质量的要求，寻找最合理的设计平衡点；试制前分析，主要在试制之前检查设计内容，从DFM、DFT(ICT)和设计文件方面检查产品设计的合理性；试制后分析主要指试制后的反馈，将试制中发现的问题总结并反馈给设计师，以便在可行的范围内及时更新设计，提高产品的可制造性，但毕竟已是亡羊补牢。总体来说，DFM阶段越早，发现的问题就越容易解决，带来的损失也就越小。比如，图2的设计，是在SMT焊盘中存在的通孔设计，这在规范上是需要加以避免的，它将引起SMT器件焊点的不良率，直接造成产品故障。如果在试制中发现，再去修改设计，时间和材料上的浪费显而易见。图2在SMT焊盘中存在的通孔设计示意图再比如，器件在PCB上的方向和不同器件互相之间间隔的设定(见图3)，对产品在制造过程中出现故障的几率也起到相当重要的作用。如果器件排布的方向与工艺走向不符，如果小器件被大器件所遮蔽，那么这些器件必然会发生“合理”的故障。图3器件在PCB上的方向和不同器件互相之间间隔的设定同样，焊盘与板边的临界分析、测试点到裸铜的距离分析、焊盘到焊盘的距离分析(见图4－6)都是电子装配产品制造中重要的考虑因素，遵循DFM规则必然带来可以预见的产品收益，反之则是预见的产品损益。图4焊盘与板边的临界分析图5测试点到裸铜的距离分析图6焊盘到焊盘的距离分析以上只是举了DFM分析技术在实际上的一些应用，虽然只是功能上的“冰山一角”，但相信我们也能体会到DFM技术在设计中的重要性，DFM技术的应用的确能够帮助产品设计抓住投入制造的关键因素，从根本上解决了设计产品到投入制造的原有瓶颈，有效提高了设计人员的工作效率，减少了产品开发的成本，并尽可能延长了产品的生命周期。结语通过无数次的分析和测试，DFM技术在以下几个方面体现出巨大的效益：(1)新产品开发时间缩短，反复次数减少。(2)新产品的工艺质量和产品质量提高。(3)减少制造时间和生产成本。(4)新产品正式投产后能很快达到成熟的生产期。它通常应用在对PCB的设计工艺性、结构件的设计工艺性、整机的装配工艺性、可测试性设计和成本方面的分析上，具有软件模拟的功能，实时性强，具有实际指导意义。它可以解决诸如设计问题、器件选用、布线、共面性、合理布局等方面的实际问题，也可以对制造过程中的故障率，测试覆盖率等作出预测。有报道称，美国在“新一代制造计划”中指出未来的制造模式将是：批量小、质量高、成本低、交货期短、生产柔性、环境友好。这对于习惯于计划预制、批量生产的企业来说，无疑具有相当大的挑战性。DFX/DFM技术的引进和推广，能够帮助企业从设计开始就具备现代制造理念，一切从可制造性原理出发，减少不必要的成本，使企业应对挑战、把握未来成为可能。