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【摘 要】随着当今社会对航空类电子产品的需求不断增长，PCB设计也呈现出高密度、高复杂度的发展趋势，与此同时，航空类电子产品生产工艺势必面临更大的挑战。在生产前端通过DFM审查可以及时排查设计中的工艺不符合项并进行更改，可以大大缩短生产周期，提高产品交付率，保证产品质量。文章主要论述了DFM审查在电子装联中的应用，根据实际案例分析DFM审查对提高产品质量所起到的作用。
【关键词】DFM;电子装联;PCB;质量控制
【中图分类号】TP311.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）04-0079-03
1 概述
设计和制造是产品生命周期中最重要的两个环节，随着电子产品的高速发展，PCB设计已经开始大量选用高集成器件，同时PCB元件密度也逐步增加，传统上设计和工艺是两个独立的环节，前期只关注设计速度及产品功能的实现，随着产品复杂程度逐渐增加，设计的可制造性问题也变得更加复杂。由于前期设计环节未考虑制造要求，因此在后期电装过程中会出现无MARK点、器件干涉、器件与焊盘不匹配、装配困难、BGA维修空间不足等问题，追求设计速度反而导致产品的交付日期延长、成本增加、产品出现质量问题及返修工作量增加等一系列问题，无法满足航空类产品高可靠性和高稳定性的要求。
2 DFM技术简介
面向制造的设计（Design for Manufacturability，DFM），即在产品设计时就考虑制造的可能性、高效性和经济性，它为设计与工艺建立了沟通渠道，在设计与工艺的协同的情况下，可以更早地发现设计中的可制造性问题，能够显著地降低成本，缩短产品的生产周期，提高产品竞争力。1949年，Henry Ford发现在设计时未考虑可制造性和可装配性，导致产品制造成本很高。应用DFM技术后，大大降低了产品的成本，缩短了设计制造同期。20世纪90年代形成“DFM技术”的概念，DFM技术主要经历了经验方法、定量评估方法、基于特征的DFM方法、人工智能DFM方法4个阶段 [1]。
3 DFM软件在电子装联中的应用
随着电子行业的高速发展，PCB产品的生命周期越来越短，随之而来的一些公司研发出了专门应用于DFM审查的软件。DFM审查软件的出现提高了设计与工艺的沟通效率，同时使DFM审查的结果更加具象化，通过DFM软件生成审查报告，更能全面清晰地对PCB设计进行分析及考量。本文的案例分析均使用望友公司研发的DFM审查软件，该软件包含PCB设计、CAD与Gerber数据输入、BOM数据解析输入管理、元器件3D实体模型库管理、实用设计与制造工艺数字化规则灵活管理、PCB裸板设计缺陷分析、组装制造与工艺数字仿真分析、测试装配虚拟分析、评分、仿真结果输出等系统模块;通过运用3D数字建模技术，打造百万容量的三维器件模型数据库，并结合1 500多条行业和国际国家标准规则，设计人员在制造前进行3D仿真分析评审，提前发现元器件组装及焊接过程可能带来的设计缺陷及工艺隐患问题，以便及早平衡产品功能与制造要求，形成最优化的基板设计及最佳制造工艺路线筹划。
DFM分析软件主要包含裸板分析、装配分析，本文仅对装配分析的应用进行阐述。DFM审查的前期准备主要包含元件库的建立、DFM审查规则的建立、BOM清单的获取及ODB++文件的获取。
3.1 元件库的建立
元件库为三维模型，通过查看元器件手册，获取元件的外形尺寸、规格型号、封装类型及制造商等信息，利用DFM软件建库工具输入元件信息，即可生成具带有以上信息的三维元器件模型，图1所示为一个QFN封装器件的三维元件模型，元件库的建立需要尽可能的精确，主要包含器件本体的尺寸（长、宽、高），以及器件引脚的尺寸和跨距，同时在元器件建库的时候就应该考虑器件尺寸误差的问题，例如轴向通孔器件，查看器件手册会发现器件本体直径可能有最大值、最小值及均值，需要使用哪一个值进行建模是需要认真考虑的问题，同样对于通孔器件引脚的建模也存在这样的問题。DFM审查中根据BOM清单匹配到元件库中对应的元件，即可直观地查看元器件与设计焊盘的匹配情况。元件库的建立是一个的累积的过程，在后续DFM审查应用中需要不断地对元件信息进行完善与更正，保证DFM审查的效率与准确性。QFN封装器件的三维模型如图1所示。
3.2 DFM审查规则的建立
在建立元件库之后，需要将PCB文件中的ODB++文件导入DFM审查软件，同时导入符合软件BOM清单格式的BOM表格，获取元件之后就可以将元件模拟安装在PCB上，后续通过调用规则库，对该PCB设计进行分析，不符合DFM审查规则的将作为问题输出形成报告。DFM审查规则对于审查的准确性及可靠性至关重要，需要根据企业产品特点及工艺技术现状，建立合适的DFM审查规则库，表1为电子装联中部分DFM审查内容。
3.3 BOM清单的获取
在DFM审查前期需要将设计的BOM清单整理成DFM软件认可的形式，主要的清单内容有元器件位号、型号、数量等，也可以通过软件设置适用于企业的BOM清单格式。读入BOM清单的过程中，DFM软件可以通过对比BOM清单及PCB文件，快速获取位号、数量不一致的元器件，主要包括有焊盘无器件、有器件无焊盘两种类型，有焊盘无器件位号为不装焊器件位号，有器件无焊盘主要包括设计遗漏或者该器件无须设计与引脚相对应的焊盘（如通过导线连接至印制板的器件），该类型问题需和设计进行确认，若无焊盘的器件通过导线与印制板进行连接，则该项问题报告可忽略，否则需要输出问题报告。
3.4 ODB++文件的获取
ODB++文件是由VALOR提出的一种双向传输文件，文件包含所有PCB设计、制造和装配方面的要求，是业界标准的数据格式 [2]，它通过EDA设计工具中嵌入的ODB++数据生成器产生。在使用DFM软件审查时，需先导入PCB相对应的ODB++文件。 4 DFM审查工艺不符合项案例分析
DFM审查的目的是在产品投产前及时发现设计的可制造性问题，加快产品生产周期及提高产品的生产质量，以下为使用望友公司研发的DFM审查软件在进行PCB的DFM审查时发现的部分工艺不符合项案例分析。
4.1 无MARK点
随着电子行业的发展，SMT器件逐渐成为PCB设计中的主要封装器件，因此双面回流焊接路线的PCB设计越来越多，对于这类PCB，SMT器件的焊接需要使用锡膏印刷机及贴片机，而目前市场上的锡膏印刷机及贴片机大多使用光学定位，定位点的存在可以使PCB能够准确地定位，从而保证每个贴片机能够准确地定位元器件，减少贴装后器件偏盘的问题，PCB设计需要至少提供1对不对称的MARK点供设备进行光学定位，同时MARK点的布置应该考虑在PCB上机器之后不会被遮挡，例如贴片机夹持宽度为4 mm，而MARK点的布置在夹持边之外，这个MARK点在实际贴装中便无法用于光学定位，为无效的MARK点，没有MARK点的PCB在电装过程中，会增加定位工作量，降低印刷机与贴片机的工作效率，同时印刷精度与贴片精度也会受到影响。针对一些对贴装精度要求更高的器件，例如BGA、LGA、DFP等重要器件，一般需要提供局部的MARK点。MARK的直径范围一般在0.1～0.3 mm，MARK点的周围必须有无其他电路特征的空余范围，范围区间至少为该MARK半径的2倍以上，这样可以保证PCB上布置的MARK点能够被设备识别。
4.2 BGA维修空间不足
目前，PCB设计呈高密集趋势发展，元器件布局更加紧凑，在DFM审查中会发现BGA器件与外围元器件距离不满足生产要求（如图2所示），生产要求BGA本体边缘与外围元器件至少保留2 mm的维修空间（维修空间根据企业产品特点及工艺现状进行设置），而实际D8位号与C776位号器件外边缘仅有1.6 mm，这种情况会给后续的返修工作增加难度及增加工作量，维修的时候需要使用小钢网印刷锡膏，若维修空间过小，会导致小钢网无法放置，此时就需要先去除BGA周边的器件，等BGA维修好之后再对周边器件进行补焊。如果两个BGA之间空间不足，BGA返修过程的加热、降温等操作会对周边BGA焊点造成不同程度的影响，有可能在维修的过程中周边的BGA形成缺陷焊点，导致重复交替的BGA进行返修。
4.3 SOP器件引脚后端到焊盘距离不足
对于SOP封装器件，IPC-7351标准中要求SOP器件的引脚后端到焊盘的距离应该保持在0.25～0.45 mm [3]，而图3中N6位号器件引脚后端到焊盘的距离为0 mm，导致在焊接时焊料没有爬锡空间，不能满足扁平鸥翼形引线根部最小填充的要求 [4]，形成缺陷焊点。
4.4 SMD器件引脚与焊盘跨距不一致
如图4所示，SMD器件引脚内跨距为1 mm，而焊盘设计内跨距为1.5 mm，PCB设计的焊盘间距过大，元器件可焊端与焊盘不能完全匹配，焊接过程中会产生立碑、移位、虚焊等缺陷，降低产品一次性焊接合格率，增加回流焊后的维修工作。
5 结语
本文主要論述了DFM审查在电子装联中的应用，以及根据实际案例分析DFM审查对于提高产品质量的作用。目前，随着航空类电子产品需求量的增加，研发设计到生产交付的流程也逐步加快，产品周期变短，若前期只关注研发设计速度，而未对设计的可制造性进行把关，势必大量的设计问题会在产品初样生产过程中暴露，此时再对设计资料进行修改会延长产品交付周期、增加生产成本，因此在产品投产之前进行DFM审查是很有必要的。DFM审查建立了设计与工艺的沟通渠道，在产品投产之前发现设计的可制造性问题，能够缩短设计更改流程，同时提高电子产品的交付率及产品质量。
参 考 文 献
[1]宋玉银，蔡复之.DFM技术综述[J].智能制造，1996（3）：6-8.
[2]陈正浩.电子装联可制造性设计[J].电子工艺技术，2006，
27（3）：177-180.
[3]IPC-7351，Generic Requirements forSurface Mount Design and Land Pattern Standard[S].
[4]IPC-610，电子组件可接受性[S].
[5]江平.DFM软件的应用性研究[J].电子工艺技术，2008，
29（6）：331-333.
[6]李晓麟.印制板电路组件装焊工艺与技术[M].北京：电子工业出版社，2011.
【关键词】DFM;电子装联;PCB;质量控制
【中图分类号】TP311.1 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）04-0079-03
1 概述
设计和制造是产品生命周期中最重要的两个环节，随着电子产品的高速发展，PCB设计已经开始大量选用高集成器件，同时PCB元件密度也逐步增加，传统上设计和工艺是两个独立的环节，前期只关注设计速度及产品功能的实现，随着产品复杂程度逐渐增加，设计的可制造性问题也变得更加复杂。由于前期设计环节未考虑制造要求，因此在后期电装过程中会出现无MARK点、器件干涉、器件与焊盘不匹配、装配困难、BGA维修空间不足等问题，追求设计速度反而导致产品的交付日期延长、成本增加、产品出现质量问题及返修工作量增加等一系列问题，无法满足航空类产品高可靠性和高稳定性的要求。
2 DFM技术简介
面向制造的设计（Design for Manufacturability，DFM），即在产品设计时就考虑制造的可能性、高效性和经济性，它为设计与工艺建立了沟通渠道，在设计与工艺的协同的情况下，可以更早地发现设计中的可制造性问题，能够显著地降低成本，缩短产品的生产周期，提高产品竞争力。1949年，Henry Ford发现在设计时未考虑可制造性和可装配性，导致产品制造成本很高。应用DFM技术后，大大降低了产品的成本，缩短了设计制造同期。20世纪90年代形成“DFM技术”的概念，DFM技术主要经历了经验方法、定量评估方法、基于特征的DFM方法、人工智能DFM方法4个阶段 [1]。
3 DFM软件在电子装联中的应用
随着电子行业的高速发展，PCB产品的生命周期越来越短，随之而来的一些公司研发出了专门应用于DFM审查的软件。DFM审查软件的出现提高了设计与工艺的沟通效率，同时使DFM审查的结果更加具象化，通过DFM软件生成审查报告，更能全面清晰地对PCB设计进行分析及考量。本文的案例分析均使用望友公司研发的DFM审查软件，该软件包含PCB设计、CAD与Gerber数据输入、BOM数据解析输入管理、元器件3D实体模型库管理、实用设计与制造工艺数字化规则灵活管理、PCB裸板设计缺陷分析、组装制造与工艺数字仿真分析、测试装配虚拟分析、评分、仿真结果输出等系统模块;通过运用3D数字建模技术，打造百万容量的三维器件模型数据库，并结合1 500多条行业和国际国家标准规则，设计人员在制造前进行3D仿真分析评审，提前发现元器件组装及焊接过程可能带来的设计缺陷及工艺隐患问题，以便及早平衡产品功能与制造要求，形成最优化的基板设计及最佳制造工艺路线筹划。
DFM分析软件主要包含裸板分析、装配分析，本文仅对装配分析的应用进行阐述。DFM审查的前期准备主要包含元件库的建立、DFM审查规则的建立、BOM清单的获取及ODB++文件的获取。
3.1 元件库的建立
元件库为三维模型，通过查看元器件手册，获取元件的外形尺寸、规格型号、封装类型及制造商等信息，利用DFM软件建库工具输入元件信息，即可生成具带有以上信息的三维元器件模型，图1所示为一个QFN封装器件的三维元件模型，元件库的建立需要尽可能的精确，主要包含器件本体的尺寸（长、宽、高），以及器件引脚的尺寸和跨距，同时在元器件建库的时候就应该考虑器件尺寸误差的问题，例如轴向通孔器件，查看器件手册会发现器件本体直径可能有最大值、最小值及均值，需要使用哪一个值进行建模是需要认真考虑的问题，同样对于通孔器件引脚的建模也存在这样的問题。DFM审查中根据BOM清单匹配到元件库中对应的元件，即可直观地查看元器件与设计焊盘的匹配情况。元件库的建立是一个的累积的过程，在后续DFM审查应用中需要不断地对元件信息进行完善与更正，保证DFM审查的效率与准确性。QFN封装器件的三维模型如图1所示。
3.2 DFM审查规则的建立
在建立元件库之后，需要将PCB文件中的ODB++文件导入DFM审查软件，同时导入符合软件BOM清单格式的BOM表格，获取元件之后就可以将元件模拟安装在PCB上，后续通过调用规则库，对该PCB设计进行分析，不符合DFM审查规则的将作为问题输出形成报告。DFM审查规则对于审查的准确性及可靠性至关重要，需要根据企业产品特点及工艺技术现状，建立合适的DFM审查规则库，表1为电子装联中部分DFM审查内容。
3.3 BOM清单的获取
在DFM审查前期需要将设计的BOM清单整理成DFM软件认可的形式，主要的清单内容有元器件位号、型号、数量等，也可以通过软件设置适用于企业的BOM清单格式。读入BOM清单的过程中，DFM软件可以通过对比BOM清单及PCB文件，快速获取位号、数量不一致的元器件，主要包括有焊盘无器件、有器件无焊盘两种类型，有焊盘无器件位号为不装焊器件位号，有器件无焊盘主要包括设计遗漏或者该器件无须设计与引脚相对应的焊盘（如通过导线连接至印制板的器件），该类型问题需和设计进行确认，若无焊盘的器件通过导线与印制板进行连接，则该项问题报告可忽略，否则需要输出问题报告。
3.4 ODB++文件的获取
ODB++文件是由VALOR提出的一种双向传输文件，文件包含所有PCB设计、制造和装配方面的要求，是业界标准的数据格式 [2]，它通过EDA设计工具中嵌入的ODB++数据生成器产生。在使用DFM软件审查时，需先导入PCB相对应的ODB++文件。 4 DFM审查工艺不符合项案例分析
DFM审查的目的是在产品投产前及时发现设计的可制造性问题，加快产品生产周期及提高产品的生产质量，以下为使用望友公司研发的DFM审查软件在进行PCB的DFM审查时发现的部分工艺不符合项案例分析。
4.1 无MARK点
随着电子行业的发展，SMT器件逐渐成为PCB设计中的主要封装器件，因此双面回流焊接路线的PCB设计越来越多，对于这类PCB，SMT器件的焊接需要使用锡膏印刷机及贴片机，而目前市场上的锡膏印刷机及贴片机大多使用光学定位，定位点的存在可以使PCB能够准确地定位，从而保证每个贴片机能够准确地定位元器件，减少贴装后器件偏盘的问题，PCB设计需要至少提供1对不对称的MARK点供设备进行光学定位，同时MARK点的布置应该考虑在PCB上机器之后不会被遮挡，例如贴片机夹持宽度为4 mm，而MARK点的布置在夹持边之外，这个MARK点在实际贴装中便无法用于光学定位，为无效的MARK点，没有MARK点的PCB在电装过程中，会增加定位工作量，降低印刷机与贴片机的工作效率，同时印刷精度与贴片精度也会受到影响。针对一些对贴装精度要求更高的器件，例如BGA、LGA、DFP等重要器件，一般需要提供局部的MARK点。MARK的直径范围一般在0.1～0.3 mm，MARK点的周围必须有无其他电路特征的空余范围，范围区间至少为该MARK半径的2倍以上，这样可以保证PCB上布置的MARK点能够被设备识别。
4.2 BGA维修空间不足
目前，PCB设计呈高密集趋势发展，元器件布局更加紧凑，在DFM审查中会发现BGA器件与外围元器件距离不满足生产要求（如图2所示），生产要求BGA本体边缘与外围元器件至少保留2 mm的维修空间（维修空间根据企业产品特点及工艺现状进行设置），而实际D8位号与C776位号器件外边缘仅有1.6 mm，这种情况会给后续的返修工作增加难度及增加工作量，维修的时候需要使用小钢网印刷锡膏，若维修空间过小，会导致小钢网无法放置，此时就需要先去除BGA周边的器件，等BGA维修好之后再对周边器件进行补焊。如果两个BGA之间空间不足，BGA返修过程的加热、降温等操作会对周边BGA焊点造成不同程度的影响，有可能在维修的过程中周边的BGA形成缺陷焊点，导致重复交替的BGA进行返修。
4.3 SOP器件引脚后端到焊盘距离不足
对于SOP封装器件，IPC-7351标准中要求SOP器件的引脚后端到焊盘的距离应该保持在0.25～0.45 mm [3]，而图3中N6位号器件引脚后端到焊盘的距离为0 mm，导致在焊接时焊料没有爬锡空间，不能满足扁平鸥翼形引线根部最小填充的要求 [4]，形成缺陷焊点。
4.4 SMD器件引脚与焊盘跨距不一致
如图4所示，SMD器件引脚内跨距为1 mm，而焊盘设计内跨距为1.5 mm，PCB设计的焊盘间距过大，元器件可焊端与焊盘不能完全匹配，焊接过程中会产生立碑、移位、虚焊等缺陷，降低产品一次性焊接合格率，增加回流焊后的维修工作。
5 结语
本文主要論述了DFM审查在电子装联中的应用，以及根据实际案例分析DFM审查对于提高产品质量的作用。目前，随着航空类电子产品需求量的增加，研发设计到生产交付的流程也逐步加快，产品周期变短，若前期只关注研发设计速度，而未对设计的可制造性进行把关，势必大量的设计问题会在产品初样生产过程中暴露，此时再对设计资料进行修改会延长产品交付周期、增加生产成本，因此在产品投产之前进行DFM审查是很有必要的。DFM审查建立了设计与工艺的沟通渠道，在产品投产之前发现设计的可制造性问题，能够缩短设计更改流程，同时提高电子产品的交付率及产品质量。
参 考 文 献
[1]宋玉银，蔡复之.DFM技术综述[J].智能制造，1996（3）：6-8.
[2]陈正浩.电子装联可制造性设计[J].电子工艺技术，2006，
27（3）：177-180.
[3]IPC-7351，Generic Requirements forSurface Mount Design and Land Pattern Standard[S].
[4]IPC-610，电子组件可接受性[S].
[5]江平.DFM软件的应用性研究[J].电子工艺技术，2008，
29（6）：331-333.
[6]李晓麟.印制板电路组件装焊工艺与技术[M].北京：电子工业出版社，2011.