DFM在機載嵌入式計算機中的應(yīng)用

劉驍

摘要：本文綜述了DFM在機載嵌入式計算機中的應(yīng)用，并總結(jié)7三個實際案例。利用DFM技術(shù)，一次成型設(shè)計難度較高，但規(guī)避了多次修改設(shè)計與生產(chǎn)試制的風(fēng)險。通過產(chǎn)品設(shè)計流程結(jié)合DFM設(shè)計，才能真正實現(xiàn)高可靠性機載嵌入式計算機的設(shè)計制造。

關(guān)鍵詞：DFM DFX嵌入式計算機DFA DFT

1.引言

電子產(chǎn)品日新月異，嵌入式航空計算機產(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、可靠性需求等內(nèi)在及長期需求，這就是DFX需要解決的問題。

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)驗對其進行消化吸收及剪裁，并制定出適合自己的流程與辦法。

過去二十年前，“可制造性設(shè)計”開始普及，融入了DFX的先進航空計算機制造技術(shù)，是包括產(chǎn)品設(shè)計的DFM、DFA、DFR和DFE等工藝性要求，人、機、料、法、環(huán)、測等加工制造諸多元素的優(yōu)化和控制以及對應(yīng)環(huán)境的防護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，實際缺少了DFX的部分。這樣必然會為產(chǎn)品的可制造、可維護、可測試、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。只有實現(xiàn)了企業(yè)規(guī)范化才能實施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、管理和評審。要建立適應(yīng)先進生產(chǎn)力發(fā)展需求的面向設(shè)計的規(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)先進生產(chǎn)力發(fā)展需求的工藝管理體系和評價制度，以便為DFX的實施提供強有力的業(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，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;可制造性設(shè)計是一種并行設(shè)計，不體現(xiàn)在后續(xù)設(shè)計的工藝性審查中，而是從產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)人手，從前端主動鍥人設(shè)計。

再實施電路可制造性設(shè)計中，最為重要的是構(gòu)建面向整個電子設(shè)備的DFM平臺。構(gòu)建該平臺需要完備的數(shù)據(jù)庫，良好的信息化輔助，專業(yè)的工藝規(guī)劃與設(shè)計團隊，強大的產(chǎn)品設(shè)計與優(yōu)化團隊，專門的維護用戶界面團隊。以上幾點缺一不可。

構(gòu)建DFM應(yīng)用平臺，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)計團隊和工藝團隊雙方的信息交換。需要建立專門的數(shù)據(jù)庫、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)計方，從而能夠?qū)崿F(xiàn)對可制造性設(shè)計較差的部分設(shè)計進行強制化修正。

3.設(shè)計流程中的DFM

一臺嵌入式航空計算機的設(shè)計過程一般需要經(jīng)歷以下流程。

一般廠所對于航空計算機的工藝設(shè)計理解為最后一個環(huán)節(jié)“編制制造工藝”。但現(xiàn)實情況是，往往等到這個環(huán)節(jié)發(fā)現(xiàn)了問題，為時已晚。于是就有了下一輪迭代。通過迭代設(shè)計進行勘誤、工藝優(yōu)化。

使用ValorDFM等DFM分析工具加入設(shè)計后，則可以改變研制流程，在投入NRE（ 一次性工程費用）開展試制工作前即可完成設(shè)計迭代。流程范例見下圖。

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

常用的DFM設(shè)計在每個環(huán)節(jié)的介入方法：

1、需求分解：評估用戶對產(chǎn)品功能性能的具體要求，識別產(chǎn)品特殊工藝過程，并對元器件和原材料進行級別劃分，確定設(shè)計范圍。

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

3、LRU級功能設(shè)計：設(shè)計過程中考慮產(chǎn)品DFT（可測試性）。

4、電路設(shè)計：設(shè)計過程中考慮產(chǎn)品所選元器件封裝種類，識別設(shè)計電路中的THT、SMT及FPT器件（POPYBGAYWLPYuQFNYFinePitchConn.＼01005組件），考慮具體封裝實施電子裝聯(lián)時的工藝復(fù)雜度等問題。

5、PCB設(shè)計設(shè)計過程中考慮封裝匹配性、板級DFA（可組裝性）、板級DFT（可測試性），考慮PCB制造及PCBA電子裝聯(lián)過程中的工藝復(fù)雜度、可返工和可維修性等問題。

4.DFM設(shè)計實例

實例1：系統(tǒng)工藝設(shè)計階段排除機械安裝問題

原設(shè)計：由于PCBA中需要安裝大質(zhì)量濾波器，結(jié)構(gòu)設(shè)計師在機箱蓋板上設(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)計評審中，裝配工藝師發(fā)現(xiàn)問題，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)計階段通過分析DFA，在投產(chǎn)前修改了制造周期較長的結(jié)構(gòu)零件設(shè)計圖紙。降低了產(chǎn)品MTTR（平均修復(fù)時間）、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下圖。

實例2：PCB設(shè)計階段排除維修性問題

原設(shè)計：由于PCB板面積限制，兩個矩形連接器中間布有表貼阻容器件;為了讓同類信號印制板線走線長度相同，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)致兩個矩形連接器中間的表貼阻容器件無法維修;修改后將兩個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在回流焊時會先焊輔面再焊主面，但輔面如果出現(xiàn)大質(zhì)量元器件，會導(dǎo)致輔面已焊好器件脫落風(fēng)險;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)計評審時，電裝工藝師發(fā)現(xiàn)該設(shè)計不符合DFA要求在PCB投產(chǎn)前修改了PCB設(shè)計圖紙。降低了產(chǎn)品MTTR（平均修復(fù)時間）、重復(fù)制造成本。修改前、修改后的PCB_LAYOUT圖見下圖。

實例3：PCB設(shè)計階段排除脫焊問題

原設(shè)計：新設(shè)計PCB時選用了舊版的元器件封裝庫，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。其焊盤長度不夠?qū)е乱_焊接后“腳后跟”與焊盤無法形成足夠長的圓角，存在脫焊故障隱患。修改前的焊盤匹配圖形見下圖。

修改后：PCB工藝師在使用ValorDFM時發(fā)現(xiàn)問題，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下圖。

總結(jié)：PCB_LAYOUT設(shè)計工程師在PCB設(shè)計時使用ValorDFM進行焊盤匹配性分析，降低焊盤脫焊概率。

參考文獻

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