DFM在機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用

劉驍

摘要：本文綜述了DFM在機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用，并總結(jié)7三個(gè)實(shí)際案例。利用DFM技術(shù)，一次成型設(shè)計(jì)難度較高，但規(guī)避了多次修改設(shè)計(jì)與生產(chǎn)試制的風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程結(jié)合DFM設(shè)計(jì)，才能真正實(shí)現(xiàn)高可靠性機(jī)載嵌入式計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)制造。

關(guān)鍵詞：DFM DFX嵌入式計(jì)算機(jī)DFA DFT

1.引言

電子產(chǎn)品日新月異，嵌入式航空計(jì)算機(jī)產(chǎn)品也面臨快速的更新?lián)Q代。如何在新材料、新工藝層出不迭的環(huán)境下設(shè)計(jì)制造出既符合用戶的成本、功能、周期等外在及短期需求，又能符合用戶的使用、維護(hù)、可靠性需求等內(nèi)在及長(zhǎng)期需求，這就是DFX需要解決的問(wèn)題。

DFX是一種方法和思路，并不拘泥于某種特定的流程。需要企業(yè)自己參考先關(guān)成熟經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行消化吸收及剪裁，并制定出適合自己的流程與辦法。

過(guò)去二十年前，“可制造性設(shè)計(jì)”開(kāi)始普及，融入了DFX的先進(jìn)航空計(jì)算機(jī)制造技術(shù)，是包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)的DFM、DFA、DFR和DFE等工藝性要求，人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)等加工制造諸多元素的優(yōu)化和控制以及對(duì)應(yīng)環(huán)境的防護(hù)措施等全部加工制造和管理技術(shù)的綜合集成技術(shù)。

很多航空電子企業(yè)，一般都著眼于產(chǎn)業(yè)鏈的后端，實(shí)際缺少了DFX的部分。這樣必然會(huì)為產(chǎn)品的可制造、可維護(hù)、可測(cè)試、甚至于產(chǎn)品本身的可靠性等關(guān)鍵特性埋藏隱患。

電子制造自動(dòng)化的基礎(chǔ)是信息化，信息化的基礎(chǔ)是大數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)是標(biāo)準(zhǔn)化，標(biāo)準(zhǔn)化的基礎(chǔ)是規(guī)范化。只有實(shí)現(xiàn)了企業(yè)規(guī)范化才能實(shí)施DFX和構(gòu)建CBB（共享基礎(chǔ)模塊）。

要做好DFX，關(guān)鍵在于規(guī)范、管理和評(píng)審。要建立適應(yīng)先進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展需求的面向設(shè)計(jì)的規(guī)范，面向工藝制造的規(guī)范和面向物料工藝質(zhì)量控制的規(guī)范，要建立適應(yīng)先進(jìn)生產(chǎn)力發(fā)展需求的工藝管理體系和評(píng)價(jià)制度，以便為DFX的實(shí)施提供強(qiáng)有力的業(yè)務(wù)支持。

2.關(guān)于DFM

DFM作為DFX的重要組成部分，主要包含了兩部分內(nèi)容：一是可制造性設(shè)計(jì)，二是可制造性分析。

其中可制造性分析雖然可以用軟件替代人工工藝審查和分析，但屬于滯后型設(shè)計(jì);可制造性設(shè)計(jì)是一種并行設(shè)計(jì)，不體現(xiàn)在后續(xù)設(shè)計(jì)的工藝性審查中，而是從產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)人手，從前端主動(dòng)鍥人設(shè)計(jì)。

再實(shí)施電路可制造性設(shè)計(jì)中，最為重要的是構(gòu)建面向整個(gè)電子設(shè)備的DFM平臺(tái)。構(gòu)建該平臺(tái)需要完備的數(shù)據(jù)庫(kù)，良好的信息化輔助，專業(yè)的工藝規(guī)劃與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)，強(qiáng)大的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與優(yōu)化團(tuán)隊(duì)，專門的維護(hù)用戶界面團(tuán)隊(duì)。以上幾點(diǎn)缺一不可。

構(gòu)建DFM應(yīng)用平臺(tái)，不僅僅是擁有DFM軟件、專業(yè)工具軟件、信息系統(tǒng)和DFM管理規(guī)則，更為關(guān)鍵的是設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)和工藝團(tuán)隊(duì)雙方的信息交換。需要建立專門的數(shù)據(jù)庫(kù)、資料模型和應(yīng)用界面，把工藝制造方的數(shù)據(jù)反饋給設(shè)計(jì)方，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)可制造性設(shè)計(jì)較差的部分設(shè)計(jì)進(jìn)行強(qiáng)制化修正。

3.設(shè)計(jì)流程中的DFM

一臺(tái)嵌入式航空計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)過(guò)程一般需要經(jīng)歷以下流程。

一般廠所對(duì)于航空計(jì)算機(jī)的工藝設(shè)計(jì)理解為最后一個(gè)環(huán)節(jié)“編制制造工藝”。但現(xiàn)實(shí)情況是，往往等到這個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)了問(wèn)題，為時(shí)已晚。于是就有了下一輪迭代。通過(guò)迭代設(shè)計(jì)進(jìn)行勘誤、工藝優(yōu)化。

使用ValorDFM等DFM分析工具加入設(shè)計(jì)后，則可以改變研制流程，在投入NRE（ 一次性工程費(fèi)用）開(kāi)展試制工作前即可完成設(shè)計(jì)迭代。流程范例見(jiàn)下圖。

DFM設(shè)計(jì)理念需要在設(shè)計(jì)前端加人工藝設(shè)計(jì)，就可以避免設(shè)計(jì)迭代。在深層次理解用戶需求，結(jié)合六性設(shè)計(jì)原則后應(yīng)用DFM設(shè)計(jì)，還可以大幅提高產(chǎn)品MTBF（平均故障間隔時(shí)間），降低MTTR（平均修復(fù)時(shí)間）。

常用的DFM設(shè)計(jì)在每個(gè)環(huán)節(jié)的介入方法：

1、需求分解：評(píng)估用戶對(duì)產(chǎn)品功能性能的具體要求，識(shí)別產(chǎn)品特殊工藝過(guò)程，并對(duì)元器件和原材料進(jìn)行級(jí)別劃分，確定設(shè)計(jì)范圍。

2、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮產(chǎn)品DFA（可組裝性）。

3、LRU級(jí)功能設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮產(chǎn)品DFT（可測(cè)試性）。

4、電路設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮產(chǎn)品所選元器件封裝種類，識(shí)別設(shè)計(jì)電路中的THT、SMT及FPT器件（POPYBGAYWLPYuQFNYFinePitchConn.＼01005組件），考慮具體封裝實(shí)施電子裝聯(lián)時(shí)的工藝復(fù)雜度等問(wèn)題。

5、PCB設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮封裝匹配性、板級(jí)DFA（可組裝性）、板級(jí)DFT（可測(cè)試性），考慮PCB制造及PCBA電子裝聯(lián)過(guò)程中的工藝復(fù)雜度、可返工和可維修性等問(wèn)題。

4.DFM設(shè)計(jì)實(shí)例

實(shí)例1：系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)階段排除機(jī)械安裝問(wèn)題

原設(shè)計(jì)：由于PCBA中需要安裝大質(zhì)量濾波器，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師在機(jī)箱蓋板上設(shè)置了安裝孔，將濾波器螺接到蓋板上，但并未考慮PCBA中央被覆蓋的螺母如何安裝。修改后：系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)評(píng)審中，裝配工藝師發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，提出PCB靠近螺釘處應(yīng)留出直徑為20mm可供套筒伸入的安裝孔（mounting hole）。

總結(jié)：產(chǎn)品在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段通過(guò)分析DFA，在投產(chǎn)前修改了制造周期較長(zhǎng)的結(jié)構(gòu)零件設(shè)計(jì)圖紙。降低了產(chǎn)品MTTR（平均修復(fù)時(shí)間）、生產(chǎn)周期成本、重復(fù)制造成本。修改前、修改后的三維模型見(jiàn)下圖。

實(shí)例2：PCB設(shè)計(jì)階段排除維修性問(wèn)題

原設(shè)計(jì)：由于PCB板面積限制，兩個(gè)矩形連接器中間布有表貼阻容器件;為了讓同類信號(hào)印制板線走線長(zhǎng)度相同，大質(zhì)量表貼器件分布在PCB的TOP和BOTTOM兩面。

修改后：經(jīng)分析，矩形連接器高度20mm，距離為15mm，導(dǎo)致兩個(gè)矩形連接器中間的表貼阻容器件無(wú)法維修;修改后將兩個(gè)矩形連接器中間的表貼阻容器件移出，保證了產(chǎn)品維修性。經(jīng)分析，由于雙面貼裝的PCB在回流焊時(shí)會(huì)先焊輔面再焊主面，但輔面如果出現(xiàn)大質(zhì)量元器件，會(huì)導(dǎo)致輔面已焊好器件脫落風(fēng)險(xiǎn);修改后將大質(zhì)量器件盡量挪到了同一面。

總結(jié)：PCB布局設(shè)計(jì)評(píng)審時(shí)，電裝工藝師發(fā)現(xiàn)該設(shè)計(jì)不符合DFA要求在PCB投產(chǎn)前修改了PCB設(shè)計(jì)圖紙。降低了產(chǎn)品MTTR（平均修復(fù)時(shí)間）、重復(fù)制造成本。修改前、修改后的PCB_LAYOUT圖見(jiàn)下圖。

實(shí)例3：PCB設(shè)計(jì)階段排除脫焊問(wèn)題

原設(shè)計(jì)：新設(shè)計(jì)PCB時(shí)選用了舊版的元器件封裝庫(kù)，改封轉(zhuǎn)為鷗翼型封裝，符合GJB3243，但不符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)IPC7351B。其焊盤長(zhǎng)度不夠?qū)е乱_焊接后“腳后跟”與焊盤無(wú)法形成足夠長(zhǎng)的圓角，存在脫焊故障隱患。修改前的焊盤匹配圖形見(jiàn)下圖。

修改后：PCB工藝師在使用ValorDFM時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并在PCB投產(chǎn)前修改了該?dān)t翼型焊盤圖形的封裝圖形。消除了故障隱患。修改后的焊盤匹配圖形見(jiàn)下圖。

總結(jié)：PCB_LAYOUT設(shè)計(jì)工程師在PCB設(shè)計(jì)時(shí)使用ValorDFM進(jìn)行焊盤匹配性分析，降低焊盤脫焊概率。

參考文獻(xiàn)

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