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November 9, 2020

可製造性設計 (DfM) 的最佳作法

製造面所引發的問題，是造成消費者退貨和企業於電子產業流失市占率的主要原因之一。失效的供應鏈和與設計相關的組裝電路板 (PCBA) 生產製造等問題，可能會對品牌商譽造成無法彌補的損害。因此，企業必須制定一個可製造性設計 (DfM) 規範以緩解這些問題。

DfM 確保透過降低瑕疵率和審查供應鏈品質和可靠度的最佳操作方式，來減少生產製造面的失誤 — —而最重要的是，確保在早期設計階段就實施此流程。

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什麼是可製造性設計?

可製造性設計 (DfM) 是確保設計可以由指定的供應鏈廠商，以瑕疵率最低的製程持續生產製造。忽略 DfM 的重要性，會導致於設計後期才發現生產製造面的問題，進而造成多次設計迭代及費用的增加。

一般的經驗法則是儘早實施 DfM。此一舉動可帶來好處，因為在前期花錢來解決後後的問題可以節省大量成本。

DfM 在設計過程中通常會被忽視，原因如下：

可靠性和生產問題
在設計過程中，如在晚期才得到解決
，則可能大量增加產生的成本

  •  
  • 對供應鏈缺乏洞察力。
  • 原始設備製造商 (OEM) 通常不會要求 DfM 提供任何建議或回饋，或者他們只有一份簡單的核對清單。
  • OEM 的 DfM 活動不是標準化的或分散型的。
     
 

可製造性設計：審查與驗證的最佳作法

1. 利用符合產業標準的設計規範

盡可能利用現有的產業標準 (IPC、JEDEC、ASTM、ISO) 是進行 DfM 審查的一個好的起點。這些標準在多種狀況下都是經過驗證的。其提供對 PCB 和 PCBA 之標準設計作法和可靠度測試的資料參考。

IPC 標準和測試方法的範例，包括：

  •  
  • IPC-2221- 印製電路板設計的通用標準
  • IPC-A-600 印刷電路板的可接受性
  • IPC-A-610 電子組件的可接受性
  • IPC J-STD-001D - 焊接電氣和電子組件的要求
  • IPC-7095 BGA 的設計和實施組裝
  • J-STD-020D.01：IPC/JEDEC 聯合標準，用於非密封型固相表面黏著裝置的濕度/回焊敏感度分類
  • IPC-TM-650：測試方法手冊
    • 第 1.0 節：報告與測量分析方法
    • 第 2.1 節：視覺測試方法
    • 第 2.2 節：維度測試方法
    • 第 2.3 節：化學測試方法
    • 第 2.4 節：機械測試方法
    • 第 2.5 節：電氣測試方法
    • 第 2.6 節：環境測試方法
     
  •  
 

請記住，這些標準可能會較為保守，因此特別針對您設計，將其相關問題納入考量是很重要的。在整個過程中與您的供應商溝通。協作是至要關鍵 — 您應該邀請來自設計、製造、品質、可靠度和採購團隊的代表人員參與 DfM 之流程。
 

2. 進行正式的設計審查

在您工作流程中實施 DfM 後的下一步就是啟動正式的設計審查。此可委外或由內部團隊執行，但執行審查的設計團隊應與製造商完全切割。

設計審查機制將協助評估產品、系統或應用程式，並確保每個元件皆符合產業標準。這是一個關鍵步驟，以確保您在原型製作之前建構有效的產品，並成功開發您的設計。這可節省業務資源、降低成本，最重要的是，可以加快產品上市時間。
 

3. 使用模擬和設計軟體

在某些情況下可以利用模擬，以對與回流後可製造性相關的故障原因有更好的了解。電路電性測試 (ICT) 是一種透過模擬進行評估的測試，用來於 PCBA 製造期間進行瑕疵檢查。在某些情況下，ICT 可能會導致電路板過度彎曲並造成元件故障。

像 Ansys Sherlock 之類的工具可以執行電路電性測試分析 (ICT)，以評估具有過度應力風險的元件，然後快速比較 PCB 設計或 ICT 測試變更。例如調整測試點位置、減少測試點負載和位移，或新增或移動電路板支援以查看電路板上的哪些元件在 ICT 期間面臨的風險最大。

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Ansys Sherlock 分析顯示 PCB 上的 4 個電阻，
在連接器插入時存有嚴重過度應力的風險

另一個可使模擬發揮其效能的情境，就是 DfM 過程中的軟硬板結合技術，該技術用於設計許多具有彎曲或小型的消費電子產品，例如智慧型手機和筆記型電腦。此技術通常具有更多製造步驟，且難以進行設計變更。在此狀況下，可以使用模擬來確定潛在的故障風險，並最佳化您的產品設計。

軌跡建模 (trace modeling) 為 Sherlock 中的新增功能，對於模擬軟硬板結合技術特別有用。此技術可讓您對電路板各層中的單個銅跡線進行建模。利用軌跡建模，您可先建構幾何體，再分配材料和網格。這類似於 Ansys Mechanical 中可用的映射材料屬性 (trace mapping)。這兩個功能都非常適合擷取 PCB 的小細節以進行模擬。

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4. 執行材料和流程審核

作為 DfM 流程的最後一步 — —對您的 PCB 製造商、其代工合約製造商 (CM) 及其供應商進行審核非常重要，尤其是在進行大規模生產之前，進行現場審核以審查其材料和流程。

供應商評估等服務可以評估供應商的元件和技術，確保其符合產業標準，並確認您的產品不會因生產製造面的失誤而出現可靠度問題。

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