可制造性设计DFM概念

1、可制造性设计DFM概念1.4.1 可制造性设计概念为什么现今的管理对设计师在这方面的表现特别重视呢？主要是因为设计是整个产品寿命的第一站。在效益学的观点上来说，问题越早发现就能够越早解决，其成本效益也就越高，问题对公司造成的损失也就越低。在电子生产管理上，曾有学者做出这样的预测，即在每一个主要工序上，其后工序的解决成本费用为前一道工序的10倍以上。例如设计问题如果在试制时才给予更正，其所需要将会较在设计时解决高出超过10倍，而如果这设计问题没法在试制时解决，当它流到再下一个主要工序的批量生产时，其解决费用就可能高达100倍以上。此外，对于设计造成的问题，即使公司拥有最好的设备和工艺知识，也未必

2、能够很完善的解决。所以基于以上的原因，把设计工作做好是门很重要的管理。所谓把设计做的好，这里指的是包括产品功能、性能、可制造性和质量等各方面。当前技术的快速发展，如芯片集成、电子组装、材料、生产设备和管理技术等方面快速发展使得电路板组装密度越来越高，电子产品亦向微型化、低价格、多功能方向发展，这就导致制造对设计的依赖越来越强。 不论公司从事的是什么样的产品，不论设计师面对的顾客是内部或是外部顾客，对设计师的要求都可说是一致的。他们的要求都离开不三方面。即优良或至少满意的品质、相对较低的成本（或价格）、和有较短而及时的交货期。而身为一代的设计师，其职责已不是单纯的把产品的功能和性能设计出来那么简

3、单，而是必须对以上所提到的三方面负责，并做出贡献。 目前在工业界里，几乎没有人不谈品质管理的。先进管理观念强调，品质不是制造出来的，而应该是设计出来的。这观念有其重要的地方，是使用用户从以往较被动的关注点（生产线上）移到较主动的关注点（设计上）。但说法不够完善。严格和具体来说，品质既不是生产来的，也不是单靠设计来的，而应该是配合来的。好的品质是通过良好的设计（配合工艺和生产能力的设计），优良的工艺调制，和生产线上的工艺管制而获得的。而这三者又是需要有良好的品质管理理念、知识、系统和制度来确保的。在确保产品高而稳定的品质、高生产效率和低生产成本、以及准确的交货时间，我们的生产线必须要有一套所谓的

4、坚固工艺（Robust Process）。而坚固工艺是必须通过设计、工艺能力、各设备性能之间的完好配合才能实现的。所谓坚固工艺，是指其对外界各种影响它表现的因素的灵敏度很低。也就是说，对这些因素的大变化，其整体效果还是稳定不变或只限于合格范围内的变动。坚固的工艺是相对的，所以一套设计规范也是有其针对性的。它在某一生产环境下（设备、管理、材料、工艺能力、品质标准）也许是坚固的，但在另一个环境下却可能变得不坚固。因此，设计的好与不好，也是有它的特定性。用户必须了解和牢记这一点。1.4.2 DFM涉及的内容DFM涉及的内容有以下一些方面，热对产品的影响器件特性可检查和可测试性对环境的高度适应能力（稳

5、定性）耐腐蚀性可制造性、可维修性防静电能力对DFM/DFT/DFR/DFA等的要求，给设计人员增加了压力，对于相关不确定的问题，可求助于工艺或相关人员。产品设计要素有如下一些方面，不同的产品有不同的考虑重点DFV价格设计Design for Value (performance / price ratio)DFR可靠性设计(Design for Reliability)DFM可制造性设计(Design for Manufacturability)DFA 可装配性设计(Design for Assembly)DFT 可测试设计(Design for Testability)DFS 可维护性设计(

6、Design for Servicability) 各设计阶段考虑因素亦有所不同，设计者应明白在设计中应考虑何种内容。设计步骤和内容 注意点电路 DFV, DFM, DFT, DFRPCB DFA, DFM, DFT, DFR, DFS 热设计 DFREMC, EMI, ESD DFT, DFR机械设计 DFV, DFA, DFM, DFT, DFR, DFS软件 DFT, DFS材料选择 DFA, DFM, DFT, DFR, DFS封装及包装 DFA, DFR优良制造性的标准从2方面来定义。一是产品的可制造性，包括高的生产效率、产品的高稳定性、生产线可接受的缺陷率几方面的定义；另一方面是产

7、品的高可靠性的定义，如产品适应不同环境的变化的参数定义、产品的使用周期定义。工艺设计内容包括以下一些方面，从可制造性的角度看，设计人员应有所了解，从而在设计中灵活运用，更好的与工艺人员沟通。基本工艺路线的选取设备能力的考虑设备辅助工具的考虑工艺设计规范工艺参数的调制工艺管制及检验 15 产品可靠性151 可靠性概述1 可靠性的概念可靠性是指产品在规定的时间内和规定的条件下，完成规定功能的能力。可靠性的概念包含三层涵义：首先，产品的可靠性是以“规定的条件”为前提的。所谓“规定的条件”是指在规定的时内产品使用时的应力条件、环境条件和储存条件等，。规定条件不同，产品可靠性不同。例如，一般半导体器件使

8、用时的输出功率越小，其可靠性越高。又如，同一台电子设备在实验室中使用和在野外使用，可靠性相差很大，环境条件越恶劣，设备的可靠性越低。其次，产品的可靠性与“规定的时间”密切相关。一般说来，产品经过一个老化时间后，有一个较长时间的稳定使用期，以后，随着时间的推移，稳定性逐渐下降，可靠性降低。时间越长，可靠性越低。最后，产品的可靠性是用完成“规定的功能”来衡量的。这里所谓功能是指产品的全部功能，而不是其中一部分。产品只有完成规定的全部功能，才被认为是可靠的。可靠性是产品质量的一个重要方面，通常所说的产品质量好，包含两层意思：一是达到预期的技术指标，二是要在使用中很可靠。根据研究的具体对象，应对电子产

9、品的使用条件、使用时间、功能和失效做出具体规定。产品的可靠性是用概率来表示的。产品在使用过程中，常常因为各种偶然因素，如元件的突然损坏、应力（电负荷、温度、机械影响等）突变、维护或使用不当等的影响而失效，即某一具体产品的失效具有偶然性。但是，大量偶然事件中包含规律性是必然的。我们可以用概率的方法来表示随机事件发生的可能性大小。即我们虽无法确切地知道产品出现失效的时间，但我们可以求出产品在规定时间和条件下完成规定功能的可能性大小。2 可靠性的主要指标电子产品功能的发挥，在很大程度上取决于产品可靠性的高低。在可靠性理论中，描述可靠性的特征量有许多种，这里给出可靠性的最基本的几个指标。（1）可靠度（

10、正常工作概率） 可靠度是指产品在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率。显然，可靠度是可靠性的定量表示。通常用R(t)表示。R(t)= 100% （1.1）式中 R(t)产品在时间t内正常工作的概率； N试验样品数； n 规定时间t内的故障数；（N - n）规定时间t内仍然完好的产品数。可靠度的物理意义是：到某个试验期时，仍然完好的产品数与试验产品总数的比例，即完好产品（不失效）的概率。试验样品按规定抽取，不可能无穷多，有足够数量即可。在1.1式中，当t=0时，表示产品试验或工作初期，R(0)=1，表示产品全部完好；当t=，即产品试验或工作了无穷长时间， R()=0，表示产品全部达到寿命终止

11、期。显然，0R(t)1 ，R(t)越接近1，表示可靠度越大。（2）故障率 故障率是指产品在规定的条件和规定的时间内，失去规定功能的概率。通常用F(t)表示。 F(t)= 100% （1.2）F(t)越接近1，表示产品故障率越高。F(t)与R(t)是对立事件，二者的关系是： F(t)+R(t)=1 （1.3）（3）失效率（瞬时失效率） 失效率是指产品工作到t时刻后的一单位时间内的失效数与在t时刻尚能正常工作的产品数之比。用(t)表示，即 (t)= （1.4）式中 N试验样品数； t实验时的测试时间间隔，单位为小时（h） n(t)时间从0到t时的失效数； n(t+t)时间从0到（t+t）时的失效数

12、； n(t+t) n(t)t时刻后，在t时间间隔内的失效数； N n(t)时刻t时尚能正常工作的产品数。失效与产品的可靠度有密切联系。一般情况下，当为常数时，失效率与可靠度R(t)满足 R(t) = e-t （1.5）即失效率越低，可靠度越高。(t)用单位时间的百分数表示，用110-6/1000h（或110-9/h）作为失效率单位，即100万个元件工作1000小时后出现一个失效元件，称为1菲特。失效率等级划分如表1.3表示。（4） 平均寿命（平均正常工作时间）平均寿命是指产品正常工作的平均时间；对不可修复产品，是指产品失效前的平均工作或贮存时间；对可修复产品，平均寿命是指相邻两次故障间的平均时

13、间。平均寿命可表达为： t=ti/N （1.6）式中 t平均寿命； ti试验样品数正常工作时间之和； N试验样品数（对可修复产品，N是试验样品中的维修总次数）。表1.3 失效率等级名 称符 号最大失效率(1/h)名 称符号最大失效率(1/h)亚五级Y310-5八 级B110-8五 级W110-5九 级J110-9六 级N110-6十 级S110-10七 级Q110-73 可靠性的分类（1）固有可靠性 固有可靠性是指产品的设计、制造时内在的可靠性。对电子产品来说，产品的复杂程度、电路和元器件的选择与使用、元器件的工作参数及其可靠度，以及机械结构和制造工艺等影响产品的固有可靠性。对于元器件来说，原

14、料品质、制造工艺、工作参数等影响固有可靠性。电子产品的固有可靠性在很大程度上依赖于元器件的可靠性。产品越复杂，所用元器件越多，产品固有可靠性越低。（2）使用可靠性 使用可靠性是指使用和维护人员对产品可靠性的影响。它包括使用与维护的程序是否正确、设备选用是否合理，操作方法是否得当以及其它人为的因素。使用可靠性在很大程度上依赖于使用设备的人。熟练而正确的操作，及时的维护和保养都能显著提高使用可靠性。（3）环境适应性 环境适应性是指产品所处的环境条件对可靠性的影响。提高设备的环境适应性，主要是对设备采取各种有效的防护措施。4 可靠性设计的基本原则（1）设计方案的简化 在满足产品性能的要求下，要尽量减

15、化设计方案，减少所用元器件的数目，选用可靠性高的元器件，尽可能降低元器件的使用应力强度（降额使用），这是提高电子产品可靠性的重要环节。在设计阶段一定要按可靠性要求进行设计。（2）注意可靠性与经济性的关系 产品的可靠性提高，将造成生产和科研费用增加，即生产成本提高，但使用和维修费用将随可靠性提高而降低，因此总的费用不一定增加。若降低产品可靠性，虽然研制、生产费用下降了，但其使用和维修费将上升，总费用仍有可能增加。（3）可靠性与可维修性 考虑电子产品可靠性设计时，还应考虑可维修（4）加工工艺的可靠性 工艺加工必须保证产品元器件在加工过程中，不致受到热力、机械的和电气的损伤，并严格按照工艺文件的要求

16、进行加工。应当把可靠性设计与加工的可靠性密切配合起来，以保证产品的质量要求。关于加工工艺的要求，在以后各章中均有涉及，在此不再赘述。（5）充分考虑元器件和产品的可靠性，适当采用余度设计和备份设计。152 元器件可靠性与产品可靠性1 元器件的可靠性元器件的可靠性通常用失效率来表征。实践发现，普通元器件和半导体元器件的失效规律不尽相同。（1）元器件的失效规律普通电子元器件的失效规律如图1.2所示，这就是常说的船形曲线或浴盆曲线，它分为三个阶段： 图1.2 典型普通元器件失效曲线在使用的早期，由于设计、制造上的缺陷而发生的失效叫做早期失效，对应的失效期为早期失效期。这个时期失效高，但随元件的工作时间

17、的增加而失效率迅速降低；在早期失效之后，进入偶然失效期，也称随机失效期。此时，失效率是常数，且较低，偶然失效期是元件使用的寿命期；在产品使用的后期，进入老化失效期，失效率迅速上升，产品报废。通过对原材料和生产工艺加强检验、质量控制和对元器件进行筛选老化，可以大大降低早期失效率。研究偶然失效期对实践指导最有意义，电子设备的所有元器件和组件都应工作在失效率较低的偶然失效期,尽量避免工作在耗损失效期。（2）一般元器件的可靠性通常用失效率表示。元器件工作在偶然失效期，其失效率为常数，由（1.5）式，其可靠度为：R(t)=e-t 元器件可靠性与使用条件有密切关系，使用条件包括工作环境条件和负荷条件。一般

18、说来，元器件所处的条件越恶劣，其失效率越高，因此，元器件一般都是降额使用，使其失效率降低，延长工作寿命，提高可靠性。所谓降额使用就是元器件的额定参数要高于使用参数。但并不是说所有元器件都是减额越多越好，如继电器减额则吸引力减少，氧化膜磨不掉，可靠性降低。所以降额使用要根据具体的元器件区别对待。2 系统可靠性一个复杂的系统可以由多个子系统或部件组成。而每一个子系统或部件又由多个元器件组成。我们可以根据元器件的可靠性求得系统可靠性，也可以根据系统可靠性分配各子系统的可靠性。串联系统设一个复杂的系统C，可以由多个子系统或部件A1A2A3An组成，只要任何一个Ai失效，则C失效；若要C可靠，则Ai 必须全部可靠。这样的系统C的可靠性为R(C)=R(A1)R(A2)R(A3)R(An)= （1.7）由于R(Ai)1，所以相乘项越多，则积越小，因此，为提