可制造性分析软件的应用

可靠性杂坛 2019-12-04 14:23

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一、应用背景

21世纪初，SMC/SMD的使用率迅速增加到95%以上，BTC元器件将大量使用；以SMT为主流的混合组装技术将是21世纪初我国电子装备电路组装的主要形式，不仅DIP和SMC/SMD混合组装，而且将会出现DIP、SMC/SMD和倒装片在同一电路板上组装，在一些先进的电子装备中将应用把CSP装于MCM上，再进行3D组装的3D+MCM先进组装技术。

国内外正在研究开发基于Web的板级电路CAD/CAPP/CAM/CAT设计、工艺、制造、测试的4C一体化技术。美国IBM公司已经开发出应用于板级电路的设计、组装、组装测试、质量监控、物料追踪管理及虚拟工厂等贯穿整个生产流程的集成应用软件。

目前军工行业正处于快速发展时期，任务重、要求高，能否高品质、准交期地完成军品从设计到制造交付任务已经成为军工企业面临的主要挑战，这种挑战正在对军工企业的核心能力提出更高的要求。航空、航天、船舶、兵器、核工业等领域所研制的各类军品几乎都属于复杂产品，并由此导致产品的开发、试制、试验、生产、维护等过程都非常复杂。

军工产品能否研制成功，会更明显地依赖于军工企业针对此类产品在专业业务流程、工具、知识、规范和专业参考数据等方面的积累状况，这些无疑是构成军工企业核心能力的关键。

军工电子产品是军工装备的核心控制系统，如制导系统、姿态控制系统、时序控制系统、电源配电系统、飞行操纵系统、仪表显示系统、高频通信系统、高频导航系统、惯导导航系统、推进系统、电力系统等。其主要特点为“多品种，小批量，变批次”，是一种高柔性的定制型生产模式。同时，军工电子产品对质量要求极为严苛，注重对“高质量，高可靠”品质的追求，避免任何可能的“归零”风险。因此，其生产工艺过程较为复杂及严格，生产相关要素相互影响频繁，并对各方面指标形成一定的影响。

美国知名行业研究机构 Wohlers Associates 公司的报告分析指出，80%的品质缺陷问题是在设计工艺阶段导入的，研发产品过程的35%～50%的时间用在了重复设计和制造验证工作。

西方电子系统制造30多年高速发展的经验告诉我们，任何新技术的出现，都是伴随着工艺设计不断发展提高而更新换代的，而电子系统DFM可制造性工艺仿真技术已发展成为军工电子产品智能制造的核心技术。

军工制造业对DFM工艺审查技术的引进和推广，能够帮助其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，提高研制质量和效率，减少不必要的成本，缩短周期，应对“多品种，小批量，变批次”的挑战。

二、定义及其主要特点

可制造性分析，即可制造性审查技术，是指设计师在一组工具和相关知识库的帮助下，在产品设计阶段就评估出产品的可制造性，并在保证产品功能和质量的前提下修改设计，使产品的设计满足制造工艺的要求，具有良好的可制造性。DFM主要解决采用人工方式对产品的研制效率、成本、可制造性等方面进行分析。

传统人工审查既拖延了型号项目的项目进度，又不能在设计的早期就考虑产品的可制造性、成本等方面的约束问题。

DFM技术在电子产品研制流程中增加了三条反馈环，并前置于PCBA制造中的试制反馈和电子产品成品在使用过程中的质量反馈，主要特点如下。

①设计与可制造性的同步。设计人员在进行PCBA布线设计时，就可以使用DFM对其产品进行可制造性分析，并修正相关缺陷。同时，也减少了设计人员因经验不足的局限性，提高了设计工作效率和一次成功率，避免后续调试中因设计错误的版本更改。

②工艺与设计的同步。DFM构建了设计与工艺的桥梁，使工艺可以提前介入设计中，并结合生产现状，将需要设计改进的具体问题有效地反馈给设计人员，实现PCB裸板的高质量工艺设计。

③物料、工艺与设计的同步。DFM可以将物料的有效BOM和设计文件的兼容性进行核对，并对PCBA进行模拟仿真装配，完成传统工艺审查中不可能完成的工作。为下一个阶段的生产制造提供最准确、最有效的数据。

其流程对比如图1所示。

图1　传统人工审查流程与DFM流程对比

在军工电子产品的研制过程中应用DFM技术，可以改变传统的研制模式，让工艺人员在型号产品设计阶段充分参与，通过可制造性分析规则，快速智能地发现制造中可能存在的问题，从而可以做出预见性的决策，大幅提高装备的研发水平，达到产品一次性制造成功、降低成本、缩短产品开发周期、提高装备质量的目的。

三、意义

1.加强设计验证，提高产品加工良率

电子设计可制造的分析软件将大部分PCB工艺与生产装配问题杜绝在设计的前端，大大减少了由于装配问题引发的反复迭代，造成设计周期的拖延，DFM可制造性分析软件可以帮助我们完善设计阶段的可制造性分析，解决新产品设计缺陷检查分析。

通过软件的分析，可以大大提升产品的可制造性，减少因设计缺陷导致的产品质量隐患及后续产品维修，从而将大部分PCB工艺问题与生产装配问题杜绝在设计的前端，同时提高DFM检查的效率，节省人力成本，并将原来需要花费数天的可制造性分析时间缩短至数小时。

2.完善设计平台

引入的设计平台包含原理图设计、元器件中心库管理、PCB设计、约束管理中心、信号完整性仿真、文档管理等，但还缺少一个电子设计可制造DFM软件。因此，引入DFM软件才能使设计与验证形成闭环，以确保设计即正确，从流程上缩短设计周期，并保证产品可靠性。同时专业的DFM分析软件不需要技术人员具备多方面的丰富经验，完全可以依靠详细的分析规则来弥补经验上的不足。

四、应用

1.电子产品质量关联要素分析

电子产品质量取决于设计质量和制造质量，设计质量的高低与设计工艺（可制造性设计）密切相关，制造质量的高低取决于制造工艺和物料质量；而设计工艺（可制造性设计）、制造工艺和物料质量则取决于工艺质量的技术基线，即工艺方案（规范、管理和评审），如图2所示。

图2　电子产品质量关联要素

图3说明，设计是产品质量的源头，是工艺的输入；要做好DFX，关键在于规范、管理和评审，即要建立适应先进生产力发展需求的面向设计的规范，面向工艺制造的规范和面向物料工艺质量控制的规范，要建立适应先进生产力发展需求的工艺管理体系和评价制度，以便为DFM的实施提供强有力的业务支持。

图3　设计是产品质量的源头，是工艺的输入

2.影响PCBA工艺质量的因素

图4从设计因素、工艺因素、物料因素和现场因素四个层面分析了影响工艺质量的因素，而其中设计因素是源头。

图4　PCBA设计是影响工艺质量的源头

3.PCBA设计要素

PCBA设计要素包括：工艺路线、PCB叠层、PCB尺寸、结构/拼板/工艺边要求、基准点要求、元器件布局要求、布线要求、回流焊/波峰焊/手工焊要求、压接要求、插装要求、孔径设计要求、阻焊设计要求、表面处理要求、测试要求、丝印设计要求、产品特性要求、输出工艺文件要求及其他特殊设计要求等。

五、同类产品总体分析比较

目前从软件技术本身角度出发，推荐的DFM软件在市面上主要有以色列Valor公司的可制造性分析软件和西安顺星公司的可制造性分析软件。

1.以色列Valor公司可制造性分析软件介绍

以色列Valor公司的可制造性分析软件包括CAD设计（DFM），电路板检查和工程制造（CAM），装配检查和新产品导入（NPI）的DFM分析软件，如图3-17所示，从而实现了基于Web的板级电路CAD/CAPP /CAM/CAT的4C一体化技术。

图5　Valor公司的DFM分析软件

1）Valor公司提供PCB的可制造性分析解决方案。

Valor公司提供PCB的可制造性分析解决方案如图6所示，其核心是用DFM分析软件代替人工工艺审核，把设计数据输入到工艺规则库进行可制造性分析、可测试性分析和可组装性分析。

图6 Valor公司提供PCB的可制造性分析解决方案

2）设计流程的改进。

由于导入了DFM分析软件，使得设计流程由传统的串行设计改为并行设计，如图7所示。

图7　应用DFM分析软件后改串行设计为并行设计

3）为解决三个维度的问题提供完善的解决方案

三个维度完善的解决方案如图8所示。

图8　三个维度完善的解决方案

4）Enterprise 3000 DFX解决方案。

Enterprise 3000 DFX解决方案如图9所示。

图9　Enterprise　3000　DFX解决方案

5）真实元器件库VPL

建立真实元器件库及焊盘数据库是实施DFM分析的关键，Enterprise 3000能提供40 000 000个以上的元器件数据，但购置软件时只免费提供2000个。

6）ERF规则管理

建立ERF库（包括设计规则和工艺规则）是实施DFM分析的关键。Valor公司的ERF库以IPC-SM-782，IPC-7351，IPC-7525，IPC-TM-650，IPC-610F为依据。

7）BOM和AVL数据的智能输入。

为了做好可制造性分析，需要输入BOM和AVL数据，如图10所示。

图10　BOM和AVL数据的智能输入

8）BOM&CAD的校验及元器件封装的验证。

BOM&CAD的校验及元器件封装验证如图11所示。

图11　BOM&CAD的校验及元器件封装的验证

9）裸板可制作性分析。

Valor公司的可制造性分析软件可以对PCB裸板进行可制作性分析，如焊盘间距的大小、印制导线的宽窄、电源/地层的分析等。

10）PCB可组装性分析——DFA：基准点和回流焊焊盘分析。

Valor公司的可制造性分析软件可以对PCBA进行可组装性分析，分析PCBA的基准点和回流焊焊盘设计的正确性和可制造性。例如，识别基准点距印制电路的距离是否过近、识别基准点是否被误印焊膏、元器件两端的焊盘是否一致、焊盘与元器件实物是否相匹配，等等。

11）PCB可组装性分析——DFA：通孔插装和波峰焊元器件间距分析。

Valor公司的可制造性分析软件可以对PCBA进行可组装性分析，分析PCBA的通孔插装和波峰焊元器件间距正确性和可制造性。例如，插装元器件背面是否有SMD/SMC存在、应用波峰焊工艺有没有设计导流盘、元器件之间的距离是否符合最小电气间隙和工艺要求，等等。

12）PCB可测试性分析——DFT。

按图12所示对PCBA进行可测试性分析。

图12　可测试性分析

13）PCB可组装性分析之孔的分析。

Valor公司的可制造性分析软件可以对PCB上的孔进行分析，如通孔与焊盘的关系、盲孔埋孔的设计、阻焊和微孔的设计，以及导体图形的设计等。

14）与EDA工具同步检查。

Valor公司的可制造性分析软件可以按图13所示实现EDA的图像实时同步检查。

图13　实现EDA的图像实时同步检查

15）输出产品的3D图。

Valor公司的软件在对PCB/PCBA进行可制造性分析后以3D方式检查设计有无生产、测试方面的问题，验证是否可维修，验证AOI和AXI问题。输出IDF文件给机械CAD，以进行空间干涉分析。图14所示是Valor公司软件输出的产品3D图。

图14　Valor公司软件输出的产品3D图

16）输出HTML格式的DFX格式。

Valor公司的可制造性分析软件输出HTML格式的DFX格式，包括可自定义的企业模板，自定义输出内容，修改报告背景，提供详细的报告资料，含类型、位置、坐标、真实图片、错误信息、修改等级、状态追踪以及时间等。

17）根据DFX报告实现在EDA中的同步修改。

Valor公司的可制造性分析软件可以根据DFX报告实现在EDA中的同步修改。

18）以色列Valor公司可制造性分析软件应用情况。

以色列Valor公司可制造性分析软件开发于20年前，已经在国外包括Intel、SONY、EPSON、TOSHIBA、NOKIA、Canon、Panasonic等三四十家公司和国内包括华为、中兴、Haier、上海贝尔、TCL、大唐电信、Hisense及CETC-7、CETC-10、CETC-14、CETC-26、CETC-30、CETC-32、CETC-38、CETC-41和CETC-54等企业应用。

19）Valor公司可制造性分析软件存在的问题。

①以色列Valor公司的可制造性分析软件是20年前开发出来的，我国首先使用该软件的是深圳华为公司。20年使用情况表明，各研究所和电子公司的使用情况并不理想，究其原因：Valor公司可制造性分析软件与我国在接口上不十分理想。

a） Enterprise 3000可制造性分析软件和印制电路板Trilogy 5000可装配性分析软件支持IPC标准，与我国航天/航空标准（QJ/HB）尚存在一定差距。

b）提供的标准元器件品种十分有限，一般提供2000个品种；超过上述品种就要支付十分昂贵的费用。

c）Enterprise 3000 DFM分析软件和Trilogy 5000 DFA分析软件没有EMC功能。

d）很多军工研究所单位，研发的计算机不能上外网，其他软件实际在研究所无法真正被完全使用。DFM要实现全面细致分析，必须配合真实元器件库。而Valor元器件库是年租形式，而且使用时需连接Internet；部分电子企业的元器件大部分是国内元器件（60%元器件必须本土化），而Valor元器件针对国内元器件包含较少，这样会导致装配板的可行性检查无法使用。

②要用好DFM分析软件关键在于二次开发。

要建立适合本企业的元器件标准库，要建立元器件的焊盘数据库，要建立工艺规则库。国内使用该软件研究所和电子公对DFM重视不足，投入的人力十分有限；软件的二次开发，如元器件标准库建库、焊盘数据库的建库及工艺规则的确定普遍做得不好，不能满足科研生产的需求。

2.西安顺星智能制造系统“C-MES”

针对Valor公司的可制造性分析软件存在的缺陷，我国一些企业正在进行积极地开发。例如，西安顺星智能制造系统“C-MES”和成都西南交大与常州奥施特公司、四川长虹精密电子科技有限公司合作开发出的电子产品EDA设计可制造性可视化检测系统AutoSMT-EDA2012。

顺星可制造性分析软件主要利用PCB设计数据与BOM数据，通过结合元器件实体库及丰富的行业设计和制造标准，在制造前软件智能化虚拟仿真分析，第一时间发现设计缺陷或隐患，最大化促使设计与制造工艺能力匹配，并快速产生可供设计部门及制造部门协同工作的可分享电子设计可制造分析报告。

应用该产品不仅可大幅缩短新产品设计和制造周期，同时可以充分提升制造品质及大幅节约新品制造成本。

1)顺星智能制造系统“C-MES”包括可制造性分析、工艺卡片制作和快速测试等六大智能工具。

2)顺星智能制造系统“C-MES”支持多种CAD数据格式。

3)顺星智能制造系统“C-MES”支持BOM自动导入和校验。

4)顺星智能制造系统“C-MES”内置20万个模型库，如图15所示。

图15　模型库

5)顺星智能制造系统“C-MES”实现了3D数据的转换，如图16所示。

图16　3D数据的转换

6)顺星智能制造系统“C-MES”内置有2000项检测规则。

支持包括IPC-7351、IPC-A-600、IPC-A-610、IPC-TM-650、IPC-2221、IPC-7095A和国内的行业规则。

7)顺星智能制造系统“C-MES”是一个贯穿设计到制造的智能系统。实施“C-MES”将缩短新产品设计和制造周期30%～50%，减少产品缺陷10%以上，提升产品可靠性，提升设计及制造效率30%以上，以及降低研发和制造成本10%以上。

8)顺星智能制造系统“C-MES”内虚拟配置生产工艺，如图17所示。

图17　虚拟配置生产工艺

9)顺星智能制造系统“C-MES”能解决生产特殊情况，如图18所示。

图18　解决生产特殊情况

10)顺星智能制造系统“C-MES”能自动生成企业的工艺卡片，如图19所示。

图19　自动生成企业的工艺卡片

11)顺星智能制造系统“C-MES”能提供内容丰富的专业分析报告，如图20所示。

图20　提供专业分析报告

12)顺星智能制造系统“C-MES”具有智能化的制作过程，能够配色自动设置、字体自动设置、形状/风格设定及放大等。

13)DFM分析软件用户试用效果。

a）易用性方面。

开始DFM分析软件觉得软件安装不容易上手，但按照指导书操作一两遍后发现，在安装和操作方面还比较容易掌握。

顺星可制造性分析软件的易用性较好，界面都是中文的，比较容易理解，操作简单，一段时间下来已经可以熟练掌握，包含DFM rule的编辑和实物库的建立，操作界面容易学习和接受。

b）使用顺星可制造性分析软件发现的PCB设计缺陷案例。

使用顺星可制造性分析软件验证了X 块PCB，发现了如下问题。

●电阻器的标号丝印排列交叉，可能导致无法正确识别对应的元器件。

●焊盘上打孔太多，可能导致焊接不良。

●元器件布局不符合实际生产工艺要求，可能导致元器件的焊接不良或损坏，或者无法自动化组装或手工焊接。

●元器件的FOOTPRINT设计不合理，可能导致元器件引脚焊接可靠性问题。

●阻焊设计不合理，可能导致元器件焊接不良。

●电路层线宽过小，可能导致PCB的线路产生电路板本身的开短路问题。

●孔的全面检查，避免孔设计的不合理从而影响产品的质量问题。

六、构建DFM平台

在实施电路可制造性设计中，十分重要的问题是要构建面向整个电子设备的DFM平台，如图21所示。

图21　面向整个电子设备的DFM平台

构建DFM应用平台，不仅是拥有DFM软件、专业工具软件、计算机、局域网、互联网、DFM/DFT规则，关键是要由设计和工艺双方对所交换的信息进行定义，建立相关数据库、资料模型和应用界面、减轻手工修正工作量，并把工艺制造方的数据反馈给设计方，从而实现对可制造性设计较差的部分进行强制化设计。

根据陈正浩编著的<高可靠性电子装备PCBA设计缺陷案例分析及可制造性设计>改编

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