可制造性设计让您在产品制造之前提前解决 PCB 设计中的问题

许多人认为可制造性设计 (DFM) 工具是近年来才发展起来的。虽然现在的DFM 工具已经发展的非常先进，但其实自印刷电路板 (PCB) 出现以来，针对 PCB的 DFM 检查便一直存在。本文将介绍 DFM 的演变历程，以及为什么说DFM工具是当今和未来 PCB设计与制造的“必备” 工具——因为它能让您在设计期间提前发现并解决问题，而不是等到产品到制造商处才发现问题，如果不能提前发现问题，往往会导致 PCB 无法制造，甚至造成 PCB 改版。

自 20世纪 50年代以来，印刷电路板便开始广泛被用来连接电子元器件。这里有一个小问题：第一款用于 PCB 设计的 DFM 软件是什么？答案是：放大镜（图1）。是的，一个高功率放大镜，因为在当时以及接下来 40 年的大部分时间里，PCB 都是使用色带在麦拉片上设计的，后面才通过曝光显影的方式来制造电路板。

当时 DFM 的检查过程是：将薄膜放置在灯光台上，使用一个在玻璃透镜上蚀刻了测量线的放大镜，来检查图形尺寸、线宽和间距。如果薄膜有多余的图形，则用 Xacto 刀将其刮掉。如果有空隙，则用黑色标记笔来填充。那个年代的 PCB设计相对简单。基本都是 10 mil 的线宽线距。双面 PCB是常态。当时通过人工的方式进行 DFM 检查是完全可行的。

但那些日子已经远离我们而去。现在的PCB 层数通常有 8 到10 层，甚至多达 64层。更多普遍的技术包括：Buildup 技术与激光微孔（堆叠微孔和交错微孔） 、嵌入式器件（含无源和有源器件） 以及复杂的柔性板和刚柔结合板。随着制造和组装要求的提升，大多数研发公司已经

无法通过自身能力进行DFM 检查，所以在多数情况下，DFM 这项工作都被交给制造商来完成。

复杂的柔性板和刚柔结合板。随着制造和组装要求的提升，大多数研发公司已经无法通过自身能力进行图 1. 用于早期 DFM 检查的放大镜。 

DFM 检查，所以在多数情况下，DFM 这项工作都被交给制造商来完成。

图 1. 用于早期 DFM 检查的放大镜。

图 2. 电子产品的工作速率持续呈现指数级增长。

以前只有微波工程师才会接触到的高频电路，已经开始普遍在各个行业内出现（参见图 2）。频率的提升带来了新的问题，包括：信号完整性、电源完整性、串扰和辐射等问题。因此，随着速率的提升，多层板的叠层设计也变得越来越重要，必须经过仔细分析，才能避免上述信号问题。

随着软件技术的提升，DFM 软件被研发出来，用来分析和定位 PCB 设计中的可制造性问题。在早期，主要的DFM 检查项目为：线间距、线宽和安装孔位置等基本物理要求。

为了将新产品能快速推向市场，现代的前沿 DFM 软件集成了更丰富的功能。DFM 软件经过进化，现已成为新产品导入 (NPI)不可或缺的一部分。如今，NPI软件横跨设计和制造领域，用于优化 PCB 的整体可制造性。NPI 软件可以集成 PCB 制造和组装过程中的相关要求和知识，而这些知识可以在设计、制造、组装和测试的整个过程中被使用。

采用 DFM 更佳实践的设计人员发现，借助 NPI 软件嵌入的 PCB 制造和组装方面的知识，他们可以在产品的初始设计阶段，就开始对产品进行可制造性优化。透过 NPI软件了解制造商的工艺所面临的挑战和存在的局限性，然后帮助研发人员做出最有利于提升公司竞争力的折衷决策，这一点非常重要。

如图 3 中的示例所示，最理想的智能 DFM 软件通常要包括一个系统，用于自动地判定所分析的单板的类型并智能地分配相应的检查规则。只有当软件高度自动化，才能将一系列的设计和工艺要求准确的应用于 DFM分析，消除容易混淆的软件配置和参数给使用人员带来的困扰。

图 3. 基于不同电路板要求自动匹配合适的规则。

同时，完美的 DFM软件既要能够支持对设计约束的检查，也要支持对各个制造商的能力的检查。只有这样，才能确保完整的 DFM 约束规则被应用于设计检查。同时，软件会基于多个分析限值来进行 DFM分析。分析结果将以图形方式报告，以展示制造商的 DFM要求，以及设计中哪些位置违反了这些要求。DFM 规则引擎会自动考虑制造公差，以确定设计是否真正违反了规则。所有这些，是可以利用 CAD 数据中集成的智能属性，结合 DFM 软件的智能算法来实现的。比如，软件会自动区分设计中的激光过孔与机械钻孔；自动识别设计中的测试点，并自动为元器件进行合理的元件类型分配。只要设计数据的属性设置正确，系统就能以更加自动化、更加智能和正确的方式执行 DFM 检查。

智能的 DFM 方法会考虑团队中所有人的需求。PCB 设计人员、制造工程师、电子制造服务 (EMS) 公司或合同制造商都能从这种方法中获益。PCB设计人员要求产品能满足所有内部设计和行业规范要求，并能兼顾其供应商的工艺能力。制造或 NPI 工程师，是设计和制造之间的技术联系人，需要依据不同加工工艺和供应商要求轻松评估产品的可制造性。相应的，EMS 也需要依据各个工厂之间的制造能力差异来评估可制造性，以确保制造能够顺利运行。

使用智能 CAD数据的附带好处是，采用基于 CAD特征形状算法的 DFM 系统，完成一次 DFM 分析通常只需要运行几分钟，而基于矢量数据的系统则可能需要运行数小时。

柔性板和刚柔结合板的 DFM 或多或少被人们所忽视。在所有电子公司中，将近 30% 的公司的产品组合中包含柔性板和刚柔结合板，因此有必要将其纳入 DFM 中。随着人们对消费电子和可穿戴柔性电子产品的需求不断增长，柔性板的 DFM 需求也在持续加速增长。与常规刚性板相比，柔性板和刚柔结合板的材料和制造工艺有所不同，DFM 工具必须支持这些不同需求。例如，能够自动识别折弯区域内的特征项或走线方向变化至关重要，在 Coverlay周围保持足够的间隙也是如此。同样显而易见的是，智能 DFM 系统必须能够区分刚性 PCB、柔性PCB 和刚柔结合 PCB。图 4 显示了刚柔结合设计一些独有的 DFM 检查要求。

另一个未得到大家关注的方面是叠层设计。对于高速电路板，不良的叠层设计可能产生信号完整性问题，此类问题可能要到产品进行功能测试时才会被发现，而此时发现问题将会面临高昂的维修成本。好的叠层设计软件不仅应具备信号完整性方面的分析能力，还应能够对叠层进行 DFM 检查。叠层软件更重要的方面是，应具有一个完整的叠层材料库，用于研发人员对叠层材料进行研究和比较，最终找到可满足性能要求的最经济的叠层材料。

如果能实现与设计流程并行的 DFM 分析，可以有效缩短研发周期，明显地增加公司的竞争优势。为使这一目标更加切实可行，DFM 软件需要能与 PCB 设计软件完美集成，使设计人员能够在其熟悉的 Layout 软件环境中运行 DFM 分析并查看 DFM 结果。如果等到下游人员在产品发布设计后才发现问题，就已远远跟不上要求。要想赢得市场先机，必须在上游就了解并解决存在的问题。

图 4. 与刚性 PCB 相比，刚柔结合 PCB 具有独特的要求。

Siemens 公司的 Valor NPI 软件能够使用专家级的 DFM系统进行自动 DFM 分析。根据不同单板类型，自动地调用相应的 DFM 规则，是执行高质量和高效DFM 的基础。Valor NPI 可以对设计数据进行分析，智能的确定单板类型，并自动完成相应的 DFM 规则匹配。例如，由于需要考虑蚀刻补偿，PCB 的铜厚在 PCB 制造相关的 DFM 分析中至关重要，如果 PCB 各层所用的铜厚有差异，最后的回蚀大小也存在差异，Valor NPI 可以自动识别铜厚并设置不同的检查要求。

通常，PCB内层和外层的铜厚会有所不同。内层如果采用 0.5 oz 的铜厚设计，3 mil 的走线间距是可以接受的，但同样的设计铜厚在外层，则需要更大的间距——使用 

0.5 oz 的铜厚，电镀后会达到 1 oz 的铜厚，这时外层至少需要 4mil 的走线间距。另外，与常规单次层压 PCB相比，多次层压 PCB 上的堆叠过孔需要使用不同的 DFM规则进行检查。

让 DFM 软件自动执行每一条规则，可以减少工程人员的工作量，并且为每个用户提供一致的 DFM 检查结果，无论其是否掌握专业的 DFM 知识。此外，Valor NPI 还可以执行完整的焊接分析，如图 5所示，以找到潜在的焊接性问题。

而使用 Siemens 的 Z-planner Enterprise 软件，可以让高速 PCB 的叠层设计验证变得简单得多。与 Valor NPI 使用制造商工艺和能力数据来验证产品可制造性的方式相同，Z-planner Enterprise 使用制造商提供的材料特性和叠层经验来对叠层进行智能 DFM 检查（图 6）。利用超过150 个系列的 PCB材料库资源，设计人员可以对 PCB叠层材料进行选择、比较以及参数模拟，从而选择最具成本优势的同等性能材料。此外 Z-Planner Enterprise 还有一个向导，可供设计环节中的任何人使用，让设计人员可以根据实际叠层数据开展专业的叠层 DFM 分析。

图 5. Valor NPI 可以将焊接验证分析作为 DFM 检查的一部分来运行。

图 6. Z-planner Enterprise 确保叠层设计符合规范且可以轻松制造。

当然，Valor 在电子行业的进步不只是在 DFM 领域——Valor NPI软件也被用于设计和优化 PCB 拼板。许多公司的拼板设计流程效率低下，包括 SMT 拼板也是如此。通常，设计人员会使用 2D 机械制图的 CAD 软件来创建 SMT 拼板图纸。创建一份 SMT 拼板图纸并添加相应的注释和尺寸需要花费几个小时的时间，然后将其作为“哑巴” 图纸文件发送给 PCB 制造商——所谓的 “哑巴”图纸，意味着图纸文件无法包含 PCB制造商的 CAM 系统所需要的智能信息。相反，制造商必须使用其 CAM 软件重新创建拼板，并将图纸返回给设计人员以供批准。不用说，凭借如今的技术进步，这种层次的低效、冗余的沟通流程完全没有必要。

相反，设计团队可以直接使用 Valor NPI 软件轻松创建SMT 拼板，并创建所有拼板必备的元素——轨道边、定位孔、光学点以及 V 形槽等。Valor NPI还可以自动优化 SMT 拼板中的单板布局，提升拼板利用率，更大限度地降低制造材料成本（图7）。在降低电子产品的成本方面，减少制造材料成本可能常常被忽视。

我们对四个不同的客户设计进行过研究，发现拼板优化每年平均可帮客户节省 125,000 美元以上。如图 8 中的曲线所示，仅仅制造四块拼板就能节省上述成本。此外，对 SMT 拼板进行DFM 分析可以发现拼板阶段无法发现的潜在制造问题。以下是 DFM 能够发现的几个示例拼板问题：邮票孔过于接近 SMD焊盘，SMD 焊盘容易受应力而损伤或者超出 PCB边缘的器件遮挡了板边的光学点。

图 7.Valor NPI 可以优化制造和 SMT拼板。在本例中，以更高效的拼板组合方式将 PCB 互嵌在一起可以得到 20个SMT 拼板，而优化前的设计只能得到 12 个拼板。

最后，新产品导入涉及创建、验证生产数据包并将其交付给 PCB 板厂和 EMS 加工厂的整个过程。以前的生产数据，它是作为一个数据包交付的，其中包含下列数据的某种组合： 

图 8. 通过对实际客户的 PCB 拼板进行优化，结果显示优化后的拼板只需要 4 块的加工量就能实现成本节省。

奇怪的是，对于一个推动全球数字化的行业，PCB 生产却严重依赖于人工流程，PCB 生产数据依然需要通过非关联的 2D图纸和文档来传递。文档中无法用字段表示的内容如何传递？数据中故意短接的网络如何传递？数据中的网络属性如何传递？顶面阻焊层的颜色如何传递？使用 Valor NPI，可以让从研发到生产的数据传递完全数字化，不再需要包含多种非关联性的 2D 图纸和文档的数据包。

图 9. 以完全数字化的方式将数据从设计传递给制造。

电子行业有一条铁律：电子行业的发展永远不会因为任何人和任何公司而停止脚步。依赖人工的新产品导入流程将会影响公司在全球市场中的竞争能力。电子产品生产商如果不能充分利用 DFM 软件，提升新产品导入的效率，就会落后于竞争对手。

Valor NPI可以让设计人员在设计流程中并行地执行 DFM分析，并且能与 Layout 软件集成，提供最高效的设计到制造的新产品导入流程。通过最前沿的 DFM 软件，公司能够审视整个产品发布过程，包括 DFM、叠层、文档与信息交互，系统地简化从设计到制造的整个流程。