面對電子產品向小型化、高密度和高速度發展，PCB設計的複雜程度大大增加，如何有效地對複雜PCB設計進行全面的質量控制是我們面臨的一個課題。闡述了引入VALOR的Trilogy 5000軟體後，對產品PCB設計的全流程進行DFM（可製造性分析技術）應用的過程，並與傳統的PCB設計和檢查方法進行了比較。該PCB設計審查機制可協助設計、工藝、製造和質量檢查人員進行產品全生命周期過程的質量控制，作為PCB設計完成到投產前進行自動評審的有力工具，它提高了PCB設計的一次成功率，縮短了產品的研製周期。
首先給大家推薦「全球首款國產專業DFM分析軟體」，這是免費使用，且能分析製造中的設計不足的軟體，很多工程師開始始人。
隨著電子產品的高速發展，PCB設計中已大量選用BGA、QFP、PGA和CSP等高集成度器件，PCB的複雜程度也大大增加，隨之而來的PCB的設計和製造難、測試困難、焊接不良、器件不匹配和維修困難等生產問題。這樣導致整個產品工期延誤，研製周期加長，成本增大，產品返修率高，並且產品可能存在質量隱患。這樣的產品同時更無法滿足軍工產品時間短、高可靠和高穩定性的要求。
在實際設計生產過程中，我們通過對VALOR軟體Trilogy 5000 DFM功能的應用，引入「可製造性設計」理念，將產品設計質量重心前移。在設計階段融入製造規則，建立新的PCB設計流程，如圖1所示。以減少設計的變更帶來的周期延長，保證生產質量和效率。在製造前期解決或發現所有可能的質量隱患，將產品研製的迭代次數降到最低，減少成本，提高產品的市場競爭力。也使得產品質量與所用的設計軟體無關，與設計人員的水平無關，讓企業進入規範化管理。
1、DFM技術概念
DFM技術，即可製造性技術，主要研究產品本身的物理設計與製造系統各部分之間的相互關係，並把它用於產品設計中以便將整個製造系統融合在一起進行總體優化。DFM技術可以降低產品的開發周期和成本，使之能更順利地投入生產。換而言之，DFM就是要在整個產品生命周期中及早發現問題並加以解決。
2、DFM軟體應用
Trilogy 5000 DFM分析主要包括光板製造設計分析、裝配分析和網表分析等。
2.1分析準備
DFM的分析準備工作是非常重要的，是所有分析的基礎，也是DFM分析是否能夠進行下去的前提。以下五項就是主要的準備工作。
2.1.1通過EDA工具輸出PCB設計所生成的ODB++數據
ODB++數據是業界標準的數據格式，它將傳統的加工裝配數據如PCB的網絡信息、層疊關係、元件信息、提供給廠家的印製板加工信息、物料信息、各種生產數據包括貼片程序和測試程序等集中在一起。通過EDA設計工具中嵌入的ODB++數據生成器來產生。為VALOR Trilogy 5000 DFM提供完善和真實的檢查依據。
2.1.2基於每個PCB設計的完整BOM清單
讀入BOM清單即是將PCB設計的BOM整理為VALOR Trilogy 5000系統可認的BOM形式，並對應每一個器件的廠家和VPL封裝庫。批量生產（傳統的PCB設計流程）在對應BOM清單時我們遇到的問題是，我們的 EDA工具自動產生的BOM與企業的物資採購系統一致，而物資採購系統為了可讀性，將所採購的國產器件的廠家名稱一欄，大多以中文形式體現，器件型號中一般也會帶有一些標註性的中文，這對於VALOR軟體中BOM清單的匹配來說，對應廠家這一環節是無法實現的。通過反覆的實驗，考慮到物料編碼是對應每一種器件的，不會發生不同器件用一個物料編碼的情況，具有唯一性。所以在BOM解讀時我們就將物料編碼的屬性設為MPN（Manufactor Part Number廠家編號），而將廠家和器件型號兩欄的屬性設為Describe（描述），將本單位的代號屬性設置為Manufactor（廠家），所有的器件型號對應的廠家只有一個，就是本單位的代號。這樣實施以後，大大簡化了對應BOM清單的步驟，而且巧妙地避免了對應廠家時產生的廠家名稱不準確和中文不識別等諸多一直困擾我們的問題。
讀入BOM的過程，可以驗證PCB設計BOM清單的準確性，並較早發現PCB設計中所用的封裝與元器件的實際器件庫不匹配的現象，並生成檢查結果的報告，這對於PCB設計來說是一個很好的先期檢查過程。如果企業的BOM格式是一定的，就可以通過製作模板來再次簡化讀入BOM的過程。
2.1.3建立基於企業物料編碼的VPL實際封裝庫
通過查閱器件手冊，利用VALOR Trilogy 5000的建庫工具PLM來建立每一個器件的實際封裝庫。VPL庫包含製造商的品牌、規格型號和元器件的實際封裝尺寸。VPL庫不同於PCB設計的封裝庫，是描述元器件實際尺寸的三維立體元器件封裝庫。
在VPL封裝庫的命名上我們採用VPL默認的命名方法，但在這個封裝的屬性中加入U_PCB_PACKAGE屬性，將這個屬性的值寫入EDA的封裝名稱。這樣做的好處是：在DFM分析時點擊要關注的器件，可以很直觀地看到這個器件所對應的EDA封裝名稱，便於有問題的封裝定位和查看，節省了時間。
VPL封裝庫的建立是一個慢慢積累的過程，可以先從電阻和電容建起，利用VALOR公司提供的COPYPART軟體，將一種封裝的電阻或電容整理到一個Excel表中，通過批處理運行，可以將所有表中器件的VPL封裝庫一次性建好。一般單位的EDA封裝庫裡的幾千種封裝，其中三分之二應該都是電阻和電容組成，如果通過上述方法，將電阻和電容先建立好，為VPL庫的建立奠定堅實的基礎和信心；其次就應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製板在做可裝配分析後，投產的印製板至少不會出現不可用的情況；再其次應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製板投板的一次成功率，如果因為封裝錯誤導致貴重器件在裝配過程中遭到破壞，對企業來說將是一個不小的損失。再下來建立常用器件的VPL庫，隨著VPL庫的慢慢充實，VPL庫逐漸建立起來，這樣大多數印製板就可以進行可裝配性分析了。
2.1.4定義器件的屬性
作為所有檢查的依據，ERF規則管理庫的建立是至關重要的。在實際設計生產中，我們匯集了印製板生產廠家的製造規範，並對設計單位的設計規範及生產工藝規範進行了整理，逐條分析比對，建立了符合本單位的ERF規則管理庫，並在實踐中對它逐步完善。ERF規則管理庫包括光板分析規則管理庫和裝配性分析規則管理庫。
2.2可裝配性設計
在印製板的PCB布局基本完成的情況下：
1）導入ODB++數據；
2）導入該設計的BOM清單；
3）調用與已建立的物料編碼相對應的VPL實際封裝庫及ERF裝配性分析規則管理庫；
4）根據不同的印製板裝配要求，設置相應的裝配工藝，並對印製板劃分出工藝區域；
5）定義器件屬性；
6）進行裝配性檢查，生成了可視化圖形，並自動生成可裝配性分析報告。
可裝配性檢查包含了元器件封裝檢查、標識點檢查、元件分析、焊盤分析、焊盤和引腳對應關係分析、測試點分析及模板開口分析等檢查。上述檢查項目都包含子項目，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等。通過檢查，可以看出元件與PCB焊盤不匹配、元件碰撞幹涉和元件焊接不良等問題。
隨著PCB設計的複雜度越來越高，一塊印製板會含有上千個器件，插裝器件和表貼器件都分布的十分密集，在印製板布局布線完成後，要對這上千種器件的絲印進行調整，也是一個不小的工作量，而這種繁雜的工作難免會出現位號放的位置不合理甚至顛倒的情況。而普通的EDA設計軟體是不提供這種問題的檢查項的，所以一旦這種問題發生以後，往往在印製板加工和器件安裝後，經過調試才能夠發現。給後期的裝配和調試帶來了很多麻煩，耽誤了產品的研發進度，帶來了經濟損失。通過元件分析，圖2所示的位號錯位的問題就會很輕易地被檢查出來。替代了PCB設計人員的人工檢查過程，提高了效率，也為我們的PCB設計質量提供了保證，該項檢查對我們的PCB設計是非常有意義的。
圖2位號錯位
元件間距分析為我們PCB設計時經常遇到的器件間距過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ERF和器件屬性的對應表來設置。我們通過調用VPL庫，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，導致過波峰焊時由於兩器件高度不一，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。該項檢查尤為重要，在PCB設計中元器件封裝對應錯誤或者封裝庫建立錯誤直接導致加工好的印製板無法使用，只好重新生產。這不僅浪費成本，降低了效率，更是失去了市場的競爭力。
如圖4所示，灰色框為VPL庫的實際器件大小，對比下方黑色PCB設計數據，很明顯封裝的焊盤設計不合理，焊盤焊接部分預留太短，且焊盤寬度不夠，容易導致焊接過程中虛焊。
通過可裝配性分析的應用，提高了PCB設計的準確性。由於我們在ERF規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回溝通的次數，提高了效率和印製板投產的一次成功率。
圖4焊盤設計不合理
2.3網表分析
在PCB布局布線完成的情況下，提取設計時所生成的ODB++數據，進行網表分析。通過對比標準網路，網路完整性的設計錯誤（開路或短路）會很直接地在圖形中標識出來。即使電源地的開路和短路也可以通過轉換成Pin-Point的檢查模式精準地報告出來。該項功能可以幫助PCB檢查人員發現因為經驗不足造成的PCB檢查不全面的問題，使PCB檢查人員可以在產品投入生產前驗證最終的設計數據完整性。
2.4光板分析
依據ERF的光板分析規則管理庫，提取PCB設計所生成的ODB++數據，進行PCB光板可製造性檢查。PCB光板分析主要包括鑽孔分析、信號分析、電源地層分析、阻焊分析和絲印分析等。
由於不同的PCB設計人員設計的水平和方法不同，所以在PCB設計過程中，由於經驗的不同，導致設置布局布線的規則不同，設計的質量也有很大的差別，如何使送到加工廠家前的PCB質量受到控制，我們將所有的設計要求和規範，通過設置ERF光板分析規則管理庫的形式，體現在光板分析的各項檢查中。
例如在PCB設計中，隔熱花盤的大小要根據不同電源地的功率要求來設置，如果隔熱花盤太小或者堵塞，就會造成焊接時散熱太快、可焊性差和連接無法滿足功率要求等問題。但是PCB設計軟體只要達到連接線寬要求是不提示錯誤。
如圖5所示，是隔熱花盤太小的情況，光板分析會根據ERF規則的設置檢查，分級提示，是否滿足了散熱和連接功率的要求，避免了因經驗等因素造成的錯誤。
圖5隔熱花盤太小
另外，我們的PCB設計工具只提供印製線與焊盤之間的檢查項，並不提供印製線與阻焊之間距離的檢查。如圖6所示，光板分析後，能夠發現印製線與阻焊過近的問題，避免了生產出的印製線漏銅，而銅氧化後會直接影響信號的質量。這些長時間使用後才可能暴露出來的質量問題，也是我們PCB檢查時應該考慮的。
圖6制線與阻焊過近
光板分析中，如果將每一個檢查步驟拷貝製作成檢查表（Checklist），便可簡化各項檢查的操作，還可以指定快捷鍵，按一個按鍵就能夠進行光板分析，大大減少了檢查的工作量。
2.5軟體的同步
一旦EDA資料庫被閱讀成ODB++，Trilogy 5000就可以提供智能圖形連接到EDA工具中。利用軟體設置的快捷鍵，設計人員可從Trilogy5000畫面直接同步到EDA工具上顯示的同一圖框及位置，這為我們在EDA工具方便快捷地找到錯誤點，提供了很大的便利。
3、DFM軟體與PCB設計軟體規則檢查功能的區別
DFM軟體工具是基於實際生產規則進行的，而PCB設計軟體的檢查只基於設計規則，是兩個不同領域的工具。
PCB設計軟體內的分析一般應用於設計部門，在
設計後端對數據進行檢驗，確保無違反電氣規則的問題出現，側重於邏輯功能的實現；DFM則應用於工藝部門和生產裝配部門，確保設計數據滿足所有加工製造、裝配和測試的要求。
PCB設計軟體中相關模塊光板可製造性分析的功能相對簡單，規則不夠豐富，如可裝配性分析和可測試性分析等工具都不具備。
4、結論
DFM軟體為我們提供了全面的PCB設計自動化評審方案，使我們的產品更加規範化，即使是不同的PCB設計軟體，不同經驗的PCB設計人員設計出來的產品，質量都得到了保證。使得工藝評審並行參與到產品設計的各個階段，在設計階段解決和發現所有可製造性質量隱患，大大提高了我們的PCB設計質量。印製板的加工、工藝管理及電裝工藝效率大幅度提升，產品的質量得到了提高，降低了產品的成本和研製周期，增加了產品的競爭力。
此外，DFM軟體的應用，也有利於流程的標準化，通過DFM的規範，將設計和製造部門有機地聯繫起來，同時達到生產測試設備的標準化。基於目前的產品製造外包的趨勢，將能夠實現產品技術的專業化轉移，有利於企業實現更大的發展。
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