DFM技術(shù)在PCB設(shè)計(jì)中的應(yīng)用_高都電子PCB技術(shù)中心_pcb學(xué)院P

摘要：面對(duì)電子產(chǎn)品向小型化、高密度和高速度發(fā)展，PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度大大增加，如何有效地對(duì)復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的質(zhì)量控制是我們面臨的一個(gè)課題。闡述了引入VALOR的Trilogy 5000軟件后，對(duì)產(chǎn)品PCB設(shè)計(jì)的全流程進(jìn)行DFM（可制造性分析技術(shù)）應(yīng)用的過(guò)程，并與傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)和檢查方法進(jìn)行了比較。該P(yáng)CB設(shè)計(jì)審查機(jī)制可協(xié)助設(shè)計(jì)、工藝、制造和質(zhì)量檢查人員進(jìn)行產(chǎn)品全生命周期過(guò)程的質(zhì)量控制，作為PCB設(shè)計(jì)完成到投產(chǎn)前進(jìn)行自動(dòng)評(píng)審的有力工具，它提高了PCB設(shè)計(jì)的一次成功率，縮短了產(chǎn)品的研制周期。 

　　隨著電子產(chǎn)品的高速發(fā)展，PCB設(shè)計(jì)中已大量選用BGA、QFP、PGA和CSP等高集成度器件，PCB的復(fù)雜程度也大大增加，隨之而來(lái)的PCB的設(shè)計(jì)和制造難、測(cè)試?yán)щy、焊接不良、器件不匹配和維修困難等生產(chǎn)問(wèn)題。這樣導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品工期延誤，研制周期加長(zhǎng)，成本增大，產(chǎn)品返修率高，并且產(chǎn)品可能存在質(zhì)量隱患。這樣的產(chǎn)品同時(shí)更無(wú)法滿足軍工產(chǎn)品時(shí)間短、高可靠和高穩(wěn)定性的要求。 

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)過(guò)程中，我們通過(guò)對(duì)VALOR軟件Trilogy 5000 DFM功能的應(yīng)用，引入“可制造性設(shè)計(jì)”理念，將產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量重心前移。在設(shè)計(jì)階段融入制造規(guī)則，建立新的PCB設(shè)計(jì)流程，如圖1所示。以減少設(shè)計(jì)的變更帶來(lái)的周期延長(zhǎng)，保證生產(chǎn)質(zhì)量和效率。在制造前期解決或發(fā)現(xiàn)所有可能的質(zhì)量隱患，將產(chǎn)品研制的迭代次數(shù)降到最低，減少成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。也使得產(chǎn)品質(zhì)量與所用的設(shè)計(jì)軟件無(wú)關(guān)，與設(shè)計(jì)人員的水平無(wú)關(guān)，讓企業(yè)進(jìn)入規(guī)范化管理。 

 1、DFM技術(shù)概念 

　　

DFM技術(shù)，即可制造性技術(shù)，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技術(shù)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(wèn)題并加以解決。 

　　2、DFM軟件應(yīng)用 

　　Trilogy 5000 DFM分析主要包括光板制造設(shè)計(jì)分析、裝配分析和網(wǎng)表分析等。 

　　2.1分析準(zhǔn)備 

　　DFM的分析準(zhǔn)備工作是非常重要的，是所有分析的基礎(chǔ)，也是DFM分析是否能夠進(jìn)行下去的前提。以下五項(xiàng)就是主要的準(zhǔn)備工作。 

　　2.1.1通過(guò)EDA工具輸出PCB設(shè)計(jì)所生成的ODB++數(shù)據(jù) 

　　ODB++數(shù)據(jù)是業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)格式，它將傳統(tǒng)的加工裝配數(shù)據(jù)如PCB的網(wǎng)絡(luò)信息、層疊關(guān)系、元件信息、提供給廠家的印制板加工信息、物料信息、各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)包括貼片程序和測(cè)試程序等集中在一起。通過(guò)EDA設(shè)計(jì)工具中嵌入的ODB++數(shù)據(jù)生成器來(lái)產(chǎn)生。為VALOR Trilogy 5000 DFM提供完善和真實(shí)的檢查依據(jù)。 

　　2.1.2基于每個(gè)PCB設(shè)計(jì)的完整BOM清單 

　　讀入BOM清單即是將PCB設(shè)計(jì)的BOM整理為VALOR Trilogy 5000系統(tǒng)可認(rèn)的BOM形式，并對(duì)應(yīng)每一個(gè)器件的廠家和VPL封裝庫(kù)。批量生產(chǎn)（傳統(tǒng)的PCB設(shè)計(jì)流程）在對(duì)應(yīng)BOM清單時(shí)我們遇到的問(wèn)題是，我們的 EDA工具自動(dòng)產(chǎn)生的BOM與企業(yè)的物資采購(gòu)系統(tǒng)一致，而物資采購(gòu)系統(tǒng)為了可讀性，將所采購(gòu)的國(guó)產(chǎn)器件的廠家名稱一欄，大多以中文形式體現(xiàn)，器件型號(hào)中一般也會(huì)帶有一些標(biāo)注性的中文，這對(duì)于VALOR軟件中BOM清單的匹配來(lái)說(shuō)，對(duì)應(yīng)廠家這一環(huán)節(jié)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，考慮到物料編碼是對(duì)應(yīng)每一種器件的，不會(huì)發(fā)生不同器件用一個(gè)物料編碼的情況，具有唯一性。所以在BOM解讀時(shí)我們就將物料編碼的屬性設(shè)為MPN（Manufactor Part Number廠家編號(hào)），而將廠家和器件型號(hào)兩欄的屬性設(shè)為Describe（描述），將本單位的代號(hào)屬性設(shè)置為Manufactor(廠家)，所有的器件型號(hào)對(duì)應(yīng)的廠家只有一個(gè)，就是本單位的代號(hào)。這樣實(shí)施以后，大大簡(jiǎn)化了對(duì)應(yīng)BOM清單的步驟，而且巧妙地避免了對(duì)應(yīng)廠家時(shí)產(chǎn)生的廠家名稱不準(zhǔn)確和中文不識(shí)別等諸多一直困擾我們的問(wèn)題。 

　　讀入BOM的過(guò)程，可以驗(yàn)證PCB設(shè)計(jì)BOM清單的準(zhǔn)確性，并較早發(fā)現(xiàn)PCB設(shè)計(jì)中所用的封裝與元器件的實(shí)際器件庫(kù)不匹配的現(xiàn)象，并生成檢查結(jié)果的報(bào)告，這對(duì)于PCB設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很好的先期檢查過(guò)程。如果企業(yè)的BOM格式是一定的，就可以通過(guò)制作模板來(lái)再次簡(jiǎn)化讀入BOM的過(guò)程。 

　　2.1.3建立基于企業(yè)物料編碼的VPL實(shí)際封裝庫(kù) 

　　通過(guò)查閱器件手冊(cè)，利用VALOR Trilogy 5000的建庫(kù)工具PLM來(lái)建立每一個(gè)器件的實(shí)際封裝庫(kù)。VPL庫(kù)包含制造商的品牌、規(guī)格型號(hào)和元器件的實(shí)際封裝尺寸。VPL庫(kù)不同于PCB設(shè)計(jì)的封裝庫(kù)，是描述元器件實(shí)際尺寸的三維立體元器件封裝庫(kù)。 

　　在VPL封裝庫(kù)的命名上我們采用VPL默認(rèn)的命名方法，但在這個(gè)封裝的屬性中加入U(xiǎn)_PCB_PACKAGE屬性，將這個(gè)屬性的值寫入EDA的封裝名稱。這樣做的好處是：在DFM分析時(shí)點(diǎn)擊要關(guān)注的器件，可以很直觀地看到這個(gè)器件所對(duì)應(yīng)的EDA封裝名稱，便于有問(wèn)題的封裝定位和查看，節(jié)省了時(shí)間。 

　　VPL封裝庫(kù)的建立是一個(gè)慢慢積累的過(guò)程，可以先從電阻和電容建起，利用VALOR公司提供的COPYPART軟件，將一種封裝的電阻或電容整理到一個(gè)Excel表中，通過(guò)批處理運(yùn)行，可以將所有表中器件的VPL封裝庫(kù)一次性建好。一般單位的EDA封裝庫(kù)里的幾千種封裝，其中三分之二應(yīng)該都是電阻和電容組成，如果通過(guò)上述方法，將電阻和電容先建立好，為VPL庫(kù)的建立奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)和信心；其次就應(yīng)該建立一些重要器件如接插件和CPU等器件，這樣做可以保證每塊印制板在做可裝配分析后，投產(chǎn)的印制板至少不會(huì)出現(xiàn)不可用的情況；再其次應(yīng)該建立較為貴重的器件的VPL封裝，這樣保證了含有貴重器件印制板投板的一次成功率，如果因?yàn)榉庋b錯(cuò)誤導(dǎo)致貴重器件在裝配過(guò)程中遭到破壞，對(duì)企業(yè)來(lái)說(shuō)將是一個(gè)不小的損失。再下來(lái)建立常用器件的VPL庫(kù)，隨著VPL庫(kù)的慢慢充實(shí)，VPL庫(kù)逐漸建立起來(lái)，這樣大多數(shù)印制板就可以進(jìn)行可裝配性分析了。 

　　2.1.4定義器件的屬性 

　　作為所有檢查的依據(jù)，ERF規(guī)則管理庫(kù)的建立是至關(guān)重要的。在實(shí)際設(shè)計(jì)生產(chǎn)中，我們匯集了印制板生產(chǎn)廠家的制造規(guī)范，并對(duì)設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)規(guī)范及生產(chǎn)工藝規(guī)范進(jìn)行了整理，逐條分析比對(duì)，建立了符合本單位的ERF規(guī)則管理庫(kù)，并在實(shí)踐中對(duì)它逐步完善。ERF規(guī)則管理庫(kù)包括光板分析規(guī)則管理庫(kù)和裝配性分析規(guī)則管理庫(kù)。 

　　2.2可裝配性設(shè)計(jì) 

　　在印制板的PCB布局基本完成的情況下： 

　　1）導(dǎo)入ODB++數(shù)據(jù)； 

　　2）導(dǎo)入該設(shè)計(jì)的BOM清單； 

　　3）調(diào)用與已建立的物料編碼相對(duì)應(yīng)的VPL實(shí)際封裝庫(kù)及ERF裝配性分析規(guī)則管理庫(kù)； 

　　4）根據(jù)不同的印制板裝配要求，設(shè)置相應(yīng)的裝配工藝，并對(duì)印制板劃分出工藝區(qū)域； 

　　5）定義器件屬性； 

　　6）進(jìn)行裝配性檢查，生成了可視化圖形，并自動(dòng)生成可裝配性分析報(bào)告。 

　　可裝配性檢查包含了元器件封裝檢查、標(biāo)識(shí)點(diǎn)檢查、元件分析、焊盤分析、焊盤和引腳對(duì)應(yīng)關(guān)系分析、測(cè)試點(diǎn)分析及模板開口分析等檢查。上述檢查項(xiàng)目都包含子項(xiàng)目，如元件分析包含有元件間距、元件方向、元件高度、元件絲印和元件禁布區(qū)等。通過(guò)檢查，可以看出元件與PCB焊盤不匹配、元件碰撞干涉和元件焊接不良等問(wèn)題。 

　隨著PCB設(shè)計(jì)的復(fù)雜度越來(lái)越高，一塊印制板會(huì)含有上千個(gè)器件，插裝器件和表貼器件都分布的十分密集，在印制板布局布線完成后，要對(duì)這上千種器件的絲印進(jìn)行調(diào)整，也是一個(gè)不小的工作量，而這種繁雜的工作難免會(huì)出現(xiàn)位號(hào)放的位置不合理甚至顛倒的情況。而普通的EDA設(shè)計(jì)軟件是不提供這種問(wèn)題的檢查項(xiàng)的，所以一旦這種問(wèn)題發(fā)生以后，往往在印制板加工和器件安裝后，經(jīng)過(guò)調(diào)試才能夠發(fā)現(xiàn)。給后期的裝配和調(diào)試帶來(lái)了很多麻煩，耽誤了產(chǎn)品的研發(fā)進(jìn)度，帶來(lái)了經(jīng)濟(jì)損失。通過(guò)元件分析，圖2所示的位號(hào)錯(cuò)位的問(wèn)題就會(huì)很輕易地被檢查出來(lái)。替代了PCB設(shè)計(jì)人員的人工檢查過(guò)程，提高了效率，也為我們的PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量提供了保證，該項(xiàng)檢查對(duì)我們的PCB設(shè)計(jì)是非常有意義的。 

圖2位號(hào)錯(cuò)位 

元件間距分析為我們PCB設(shè)計(jì)時(shí)經(jīng)常遇到的器件間距過(guò)近的檢查提供了方法。不同元器件之間的間距要求是不同的，高度也不同，可以通過(guò)ERF和器件屬性的對(duì)應(yīng)表來(lái)設(shè)置。我們通過(guò)調(diào)用VPL庫(kù)，分析各類元件的不同間距是否符合要求。如圖3所示，兩元器件間距太近，導(dǎo)致過(guò)波峰焊時(shí)由于兩器件高度不一，矮元件管腳上錫不足，可造成空焊或虛焊。 

圖3 兩元器件間距太近 

　　元件封裝分析，主要是檢查PCB上元器件封裝的正確性。該項(xiàng)檢查尤為重要，在PCB設(shè)計(jì)中元器件封裝對(duì)應(yīng)錯(cuò)誤或者封裝庫(kù)建立錯(cuò)誤直接導(dǎo)致加工好的印制板無(wú)法使用，只好重新生產(chǎn)。這不僅浪費(fèi)成本，降低了效率，更是失去了市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力。 

　　如圖4所示，灰色框?yàn)閂PL庫(kù)的實(shí)際器件大小，對(duì)比下方黑色PCB設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，很明顯封裝的焊盤設(shè)計(jì)不合理，焊盤焊接部分預(yù)留太短，且焊盤寬度不夠，容易導(dǎo)致焊接過(guò)程中虛焊。 

　　通過(guò)可裝配性分析的應(yīng)用，提高了PCB設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。由于我們?cè)贓RF規(guī)則中融入了加工廠家的許多加工要求，所以也就減少了與加工廠家的來(lái)回溝通的次數(shù)，提高了效率和印制板投產(chǎn)的一次成功率。 

　圖4焊盤設(shè)計(jì)不合理 

2.3網(wǎng)表分析 

　　在PCB布局布線完成的情況下，提取設(shè)計(jì)時(shí)所生成的ODB++數(shù)據(jù)，進(jìn)行網(wǎng)表分析。通過(guò)對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)路，網(wǎng)路完整性的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤（開路或短路）會(huì)很直接地在圖形中標(biāo)識(shí)出來(lái)。即使電源地的開路和短路也可以通過(guò)轉(zhuǎn)換成Pin-Point的檢查模式精準(zhǔn)地報(bào)告出來(lái)。該項(xiàng)功能可以幫助PCB檢查人員發(fā)現(xiàn)因?yàn)榻?jīng)驗(yàn)不足造成的PCB檢查不全面的問(wèn)題，使PCB檢查人員可以在產(chǎn)品投入生產(chǎn)前驗(yàn)證最終的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)完整性。 

　　2.4光板分析 

　　依據(jù)ERF的光板分析規(guī)則管理庫(kù)，提取PCB設(shè)計(jì)所生成的ODB++數(shù)據(jù)，進(jìn)行PCB光板可制造性檢查。PCB光板分析主要包括鉆孔分析、信號(hào)分析、電源地層分析、阻焊分析和絲印分析等。 

　　由于不同的PCB設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)的水平和方法不同，所以在PCB設(shè)計(jì)過(guò)程中，由于經(jīng)驗(yàn)的不同，導(dǎo)致設(shè)置布局布線的規(guī)則不同，設(shè)計(jì)的質(zhì)量也有很大的差別，如何使送到加工廠家前的PCB質(zhì)量受到控制，我們將所有的設(shè)計(jì)要求和規(guī)范，通過(guò)設(shè)置ERF光板分析規(guī)則管理庫(kù)的形式，體現(xiàn)在光板分析的各項(xiàng)檢查中。 

　例如在PCB設(shè)計(jì)中，隔熱花盤的大小要根據(jù)不同電源地的功率要求來(lái)設(shè)置，如果隔熱花盤太小或者堵塞，就會(huì)造成焊接時(shí)散熱太快、可焊性差和連接無(wú)法滿足功率要求等問(wèn)題。但是PCB設(shè)計(jì)軟件只要達(dá)到連接線寬要求是不提示錯(cuò)誤。 

　　如圖5所示，是隔熱花盤太小的情況，光板分析會(huì)根據(jù)ERF規(guī)則的設(shè)置檢查，分級(jí)提示，是否滿足了散熱和連接功率的要求，避免了因經(jīng)驗(yàn)等因素造成的錯(cuò)誤。 

圖5隔熱花盤太小 

另外，我們的PCB設(shè)計(jì)工具只提供印制線與焊盤之間的檢查項(xiàng)，并不提供印制線與阻焊之間距離的檢查。如圖6所示，光板分析后，能夠發(fā)現(xiàn)印制線與阻焊過(guò)近的問(wèn)題，避免了生產(chǎn)出的印制線漏銅，而銅氧化后會(huì)直接影響信號(hào)的質(zhì)量。這些長(zhǎng)時(shí)間使用后才可能暴露出來(lái)的質(zhì)量問(wèn)題，也是我們PCB檢查時(shí)應(yīng)該考慮的。 

圖6制線與阻焊過(guò)近

光板分析中，如果將每一個(gè)檢查步驟拷貝制作成檢查表（Checklist），便可簡(jiǎn)化各項(xiàng)檢查的操作，還可以指定快捷鍵，按一個(gè)按鍵就能夠進(jìn)行光板分析，大大減少了檢查的工作量。 

　　2.5軟件的同步 

　　一旦EDA數(shù)據(jù)庫(kù)被閱讀成ODB++,Trilogy 5000就可以提供智能圖形連接到EDA工具中。利用軟件設(shè)置的快捷鍵，設(shè)計(jì)人員可從Trilogy5000畫面直接同步到EDA工具上顯示的同一圖框及位置，這為我們?cè)贓DA工具方便快捷地找到錯(cuò)誤點(diǎn)，提供了很大的便利。 

　　3、DFM軟件與PCB設(shè)計(jì)軟件規(guī)則檢查功能的區(qū)別 

　　DFM軟件工具是基于實(shí)際生產(chǎn)規(guī)則進(jìn)行的，而PCB設(shè)計(jì)軟件的檢查只基于設(shè)計(jì)規(guī)則，是兩個(gè)不同領(lǐng)域的工具。 

　　PCB設(shè)計(jì)軟件內(nèi)的分析一般應(yīng)用于設(shè)計(jì)部門，在 

　　設(shè)計(jì)后端對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，確保無(wú)違反電氣規(guī)則的問(wèn)題出現(xiàn)，側(cè)重于邏輯功能的實(shí)現(xiàn)；DFM則應(yīng)用于工藝部門和生產(chǎn)裝配部門，確保設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)滿足所有加工制造、裝配和測(cè)試的要求。 

　　PCB設(shè)計(jì)軟件中相關(guān)模塊光板可制造性分析的功能相對(duì)簡(jiǎn)單，規(guī)則不夠豐富，如可裝配性分析和可測(cè)試性分析等工具都不具備。 

    4、結(jié)論 

　　DFM軟件為我們提供了全面的PCB設(shè)計(jì)自動(dòng)化評(píng)審方案，使我們的產(chǎn)品更加規(guī)范化，即使是不同的PCB設(shè)計(jì)軟件，不同經(jīng)驗(yàn)的PCB設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)出來(lái)的產(chǎn)品，質(zhì)量都得到了保證。使得工藝評(píng)審并行參與到產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段，在設(shè)計(jì)階段解決和發(fā)現(xiàn)所有可制造性質(zhì)量隱患，大大提高了我們的PCB設(shè)計(jì)質(zhì)量。印制板的加工、工藝管理及電裝工藝效率大幅度提升，產(chǎn)品的質(zhì)量得到了提高，降低了產(chǎn)品的成本和研制周期，增加了產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。 

　　此外，DFM軟件的應(yīng)用，也有利于流程的標(biāo)準(zhǔn)化，通過(guò)DFM的規(guī)范，將設(shè)計(jì)和制造部門有機(jī)地聯(lián)系起來(lái)，同時(shí)達(dá)到生產(chǎn)測(cè)試設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化?；谀壳暗漠a(chǎn)品制造外包的趨勢(shì)，將能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)的專業(yè)化轉(zhuǎn)移，有利于企業(yè)實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)展。 

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