摘要:
随着电子行业产品竞争的不断加剧，人们对如何控制制造成本倾注了极大的关注，因为成本控制关系到一家企业的生命力是否长久。制造设计(DFM)是指通过对产品制造过程进行深入的分析，对涉及制造过程的六大环节予以认真的考虑，通过它们达到最大限度地节省成本费用的目的。本文试图就这一主题进行介绍。
关键字:制造设计(DFM); 电子组装; 成本费用
制造设计（design for manufac turing 简称DFM）对于原始设备制造商（Original Equipment Manu facturer简称OEM）和电子制造服务商(Electronics Manufacturing Servi ces 简称EMS)来说是非常关键的。据有关的资料介绍，就设计方面的重复修正来说，一项令人吃惊的统计结果显示：为了能够达到完美的纠正效果，高达50%的产品需要进行修正。各种情况都有可能引起时间和金钱的浪费。但这里许多公司会犯错，其中包括错误地选择了制造伙伴。
对于一个产品来说其生命周期包括三个阶段：研究和开发（R&D）、大规模生产制造和后期制造。在R&D阶段包括开始设计、确定材料清单、开发能够满足设计的制造方法，以及将相关信息传输给合同制造商以满足大规模生产的需要。但往往在R&D团队和合同制造商之间没有多少合作发生。于是，一些满足制造的设计因素常常会在产品的生命周期中被忽略掉。
对DFM有一个简明的定义：“在产品的设计期间，对所确定的制造方式带来的长期影响进行审视。”如果能够在产品生命周期的早期对包括DFM在内的因素进行检查，以及分析它们是如何影响产品成本的，对一家公司来说是很有益处的。现在让我们看一下DFM所涉及到的主要六个元素中所包含的细节，它们分别是：原始设计、保障设计、装配设计、测试设计、维修性设计和环境设计。
1、 原始设计(Design for sou-rcing 简称 DFS）
绝大多数产品所使用的设计和制造是在一家相同的公司中完成的。因此在生产人员和设计工程师之间的沟通交流是相当简单的。也可以说正是这种交互影响形成了在产品生命周期早期的DFM基本形态。但随着现在采用外包形式的不断增加，设计工程师只有很少的机会与制造团队相互交流。采购部门往往会被隔离在外，没有相互之间的协同互动。一个工程师或者采购员在R&D阶段决定采购哪种元器件，往往仅根据元器件是否符合设计的规范要求，以及是否能快速地采购到。如果产品的数量很少，采用这种方法是合理的，但是如果要求大规模生产的话，还应该考虑一下其它的因素。
原始设计需要答复买什么、去哪里买、买多少和什么时候买的问题。一般来说EMS公司对其供应商是很熟悉的，它知道哪一家供应商能够提供所需的产品数量，并能及时地将它们交付到制造产品的不同场所。一家大型的EMS公司采购的数量会很大，所以可以获取大批量采购打折扣的优惠。因为他们使用了数百万的元器件，他们知道哪一家供货商的产品质量最佳，在各种不同的状态下面，在各种各样的设计中，什么样的产品会表现的最好。大型的EMS公司一般会建有数据库，追踪特定的元器件，了解它们对DFM方面会产生如何的影响。
DFM可能会对采购的时间产生很大的影响。对于一项新产品设计来说开始的两年可能会在R&D和准备大规模产品生产的日子中度过。在设计阶段的开头时期，工程师或者采购人员会选择合适的电子元器件、材料、基板、机箱、连接器，以及其它搭建新产品的部件。考虑重点包括在设计的结束阶段这些传统的东西中的一部分是否会被淘汰？它们是否属新型的以及是否可能会遇到可制造性和可获性问题？什么样的产品可能是处在原理样机阶段？能否通过供货商进行数据测试？或者在两年以内是否准备采用？EMS公司在设计阶段的早期可能会被这些问题所纠缠。
如果EMS的工程师和采购员能够在新产品设计的早期阶段就开展这方面的工作，就可能会预先考虑到采购的问题。全球化的制造厂商从供货商处获取的价格以及获取产品的强大能力，对于从事研发的人员来说，是无法比拟的。他们早期就能够察觉对具体商品的未来需求，这将有助于帮助他们和他们的客户筹划采购策略，从优选的供货商处获得稳定的货源。当为了满足大规模生产而准备材料和元器件采购的时候，可以充分利用采购策略，EMS公司能够节省下达到高达50%的成本费用，这主要取决于具体的商品。
2、保障设计（Design for logi stics简称DFL）
保障设计会涉及到海内和海外，在总的经营成本费用之中，可能会有非常大的变化。在设计阶段所作的决策可能会导致在保障方面额外的节省或者支出。它所起到的作用究竟有多么大？生产和采购的时间表是否富有灵活性？有多少零部件或者子系统需要购买？它们分别从多少地方和多少供货商手中购得？产品的尺寸大小是多少？是否具有模块化性能？
组装设计会对保障要求的形式产生冲击，反之亦然。这也是为什么制造厂商将化费大量时间进行探讨的地方。产品将会在什么地方装船？保障工作要求采用什么型式的规划工作？产品应该借助卡车、铁路、轮船还是飞机进行装运？全球化的EMS供应商在目标市场上面与地方运输公司相互合作方面具有丰富的经验，可以通过地方政府和地区当局进行关税和税费的减免，这样将有助于确定在最具有成本竞争力的地方采购和制造产品。EMS公司一般也能够协调所有的采购资源和整合工作、以及处理好保障工作中的难题，从而使得每件产品的价格具有相当的竞争力。
3、 装配设计（Design for ass embly简称DFA）
使得装配工艺过程合理化可以省下成千上百的成本费用并能节省时间，以及提高质量、可靠性、生产率和产量。EMS公司往往会拥有一个很大的信息数据库，它包含了高水平装配设备的工作能力、现代化电子产品生产线的各个方面的信息，以及为了优化生产工艺流程所配备的系统。
设计师们常常会用手工操作的设备生产出样板，尤其是当制造外包和公司内制造能力受到限制或者根本没有的时候更是如此。然而，用手工设备制造的样板，当将其转换到自动化的设备上面实施生产的话往往会遇到问题。设计师常常着眼于利用周边的手工设备进行开发，而对未来所采用的自动化设备却没有更多的考虑。但只是因为利用手工设备进行装配的工艺获得了成功，并不能够就此认定该工艺就能够充分地适用于自动化的生产。在实施工艺操作的时候，还必须考虑其它的一些设计因素。举例来说，观测系统需要合适的基准，以确保它们能够准确的定位和安装元器件，元器件既要适合于现在的手工操作方式，也要适应未来大规模的生产。在准备满足大规模生产制造以前，不良的装配设计将可能会导致需要采用大量的操作步骤，以及化费大量的成本费用在生产流程和材料支出上面。
从原理样机的装配和正式生产时的装配进行相互比较，可以看出在DFA考虑方面有着很大的差异。针对每一个要求有着不同的设计技巧和设备使用考虑。如果没有采用正确的方式，成本费用会不断上升，而排除生产过程中出现的故障将同样会增加成本费用。在原理样机阶段，电路板的电连接和功能是否正确比起可测试性来说更为重要。而在生产制造阶段，对于制造准则而言，为了使生产能够平稳转换和达到完美的效果，必须着眼于所采用的加工手段。
一个成功的DFA在很大程度上面要依赖于多个团队的交互影响。设计、制造、装配和采购团队分别影响到既定的产品生产方式，这必须准确地转换为详细的生产计划。设计工程师必须完全了解装配方面的关键内容，同样，装配工程师也必须认识项目的设计细节。这些团队需要了解特定的工作范围，这样才能使得装配工作和测试工作很顺畅地进行转换。相关人员也需要预先考虑一些问题，这些问题有可能在生产过程中和生产现场出现，应该能够很迅速地解决掉这些问题。
OEM和EMS一起可以共同联手从各自的角度出发创建出许多有效的装配环境。DFA是朝向将设备的允许误差和限制条件所造成的问题降低到最小程度直至消除的第一步。通过DFA可以在OEM和EMS供应商之间建立起基本的和必要的沟通。其目标在于交换有价值的设计信息，从OEM供应商处获得信息反馈，从而能有效地解决在产品设计开始阶段可能会出现的问题。
作为DFA中的重要一部分，EMS供应商应该促进OEM供应商完成首件商品的检定。它不仅提供对设计理念的考证，同样也是为了证实没有令人十分头痛的元器件贴装问题。
开始阶段应该将目光聚焦在关键的贴装设备上面，确定哪些贴装设备是很关键的，因为在一般情况下面它们都是不会轻易改变的。当实施贴装的时候，人们无法随意变更贴装设备，那就只有动元器件的脑筋了。因此对于一家OEM供应商来说具有DFA的专门知识是非常有价值的。
通过DFA工程师们可以实施有效的元器件替换，以建立起一个顺畅的装配工艺流程。举例来说，如果一个连接器突出电路板边缘25.4mm是不能够被接受的话，它就可能会被另外一个仅突出边缘12.7mm的连接器所替代。结果，替代的产品可能很方便的通过所用的装配设备，不会形成需要专门的和成本昂贵的手工焊接操作。
有时候为了使DFA工作更加完善，非关键性的贴装也可能会产生变化。例如：在许多情形下面，DFA专家会推荐让某些元器件在PCB上面进行移位，使得它更容易装配。有时候新方法可能会导致要重新安排元器件的贴装。举例来说，为了改善热耗散，垂直装配的散热器与水平安装的散热器相比较，可以增加散热面积。
对于一家OEM供应商来说进行DFA的其它好处是在规划和设计阶段，创建一个初始的一次性的工程(nonre curring engineering简称NRE)投资。稳健的NRE希望有DFA专门知识作保证，举例来说，对于月产量500至1000件的情况下，有助于确保提高25 到 30%以上的装配生产率。
如果忽视了这些初始规划工作，就有可能招致随后的装配问题产生以及相关成本费用的增加。举例来说，EMS供应商接受了一块PCB的装配定单，上面有三个存在问题的连接器需要实施贴装。在装配工作实施期间，需要进行修改以消除问题，要将那三个连接器从PCB的某个位置转换到另外一个位置上面。为了解决这个问题需要开展一系列的工作，其中包括布线的变更、PCB的制造和装配图的变更，所有成本和时间都被无谓地消耗掉了。在该例子中所有额外的成本可能的范围会从数百元到数千元不等，这主要取决于方案的复杂程度。
相反，如果预先进行了NRE投资，加强了DFA方面的工作，所化费的费用可能会有数千元钱或上万元，但这与在装配期间，可能会发生的不良设计所造成的危害相比较，只是很小的一个比例。举例来说，对于手工装载来说，如果每块PCB上能够节省下20到30分钟，将远远大于补偿初始的NRE费用。
人们会发现对装配设备来说，那些设计不良的电路板往往会来自于缺乏经验或者未经培训的技术人员之手，也可以说缺少DFA方面的考虑。因此，元器件没有被正确地安置在PCB上面，或者因为会与设备的边缘部分相碰，结果导致了元器件或者PCB的损坏。不管是这二种情形中的哪一项，这些失误都会招致装配时间的浪费以及相关的成本损失。
处于边缘处的元器件也可能会面临问题。举例来说，一块PCB上具有60个引脚针的SMT边缘连接器，它要求与贴装设备的每侧围栏之间的间隙最小为19.05mm，而对于设备来说却仅有12.7mm。现在，可靠性成了问题，因为60％的SMT引脚针可能会没有正确地安装到电路板上面。这种装配问题可能会在质量检测阶段被检测发现出来，通过测量将可以正确的处理它，但是却因此使生产时间耽误了并且也会增加成本费用。
当这种类型的问题被检测出来的时候，就需要采用返修处理，以及进行手工贴装操作。这些额外的工作也可能会导致出错，要求更加多的质量检测时间、更多的成本费用。因此，不良的设计会大幅度地增加成本费用。允许有问题的设计进入或者通过装配操作是无法让人接受的，尤其是当生产数量非常大的时候，其所造成的损失会更加大，造成的后果也更严重。
其它导致成本费用增加的原因可能来自于加工出错误的夹具，或者用错了材料。无论是哪一种情况，都会造成时间和金钱的损失。如果生产出的夹具是错误的话，成本费用将会是正确的两倍。
通过有效的产品设计可以给OEM厂商带来竞争的优势。通过适当的DFA设计，可以达到更快捷的产品交付，如果采用了不适当的元器件，有时候可能会导致8到14周的产品交付推迟。此外，合理的DFA可以加速产品的装配过程，同时也可以使得返修和现场服务工作的开展变得非常容易。
合理的实施DFA起码可以节省OEM 10-30%的元器件拾取和贴装、测试以及调试时间，这样就可以转换为大量的成本节省。不良的产品设计或者采用了非标准的部件和工艺流程，将会化费非常多的设计和装配时间，在制造的时候产生更多的成本费用支出。相反来说，采用基于标准的、经实践证明可行的元器件和具有成熟工艺流程的DFA，将能够保持较低的生产成本和使得整个生产工艺流程变得更为流畅。
4、测试设计（Design for test 简称DFT）
通过合理的DFT，可以取得经济和技术上的优势。最重要和最明显的是可以对测试设备方面的投资降低到最低的程度。对于一台测试设备来说，因为它非常的专业化，所以往往会显得非常贵。DFT着眼于用来制造新产品的设备，排除替换测试的功能。对于DFT来说与财务成本密切相关联的事情是认真考虑一下现在己有的测试设备，能否可以重新改装和重新利用。由于对高技术产品实施测试是非常昂贵的一件事情，所以应对优化测试规程引起足够的重视。也许有些测试项目是不需要的，或者说可以采用其它较为便宜的方法来识别它是否满足可靠性的要求。EMS公司一般对实际会出现的测试失效现象，以及对在制造生产期间所产生的影响具有丰富的经验。通过将这些知识内容引入到R&D阶段，大量的测试时间可以被节省下来，而不会对产品的质量产生不利的影响。
为了能够选择最好的测试设备来满足新产品的开发工作，DFT也必须关注于测试的设置成本。测试方面的工程师会认真审查夹具的型式，以及开发一个高效的和功能强大的测试程序。对于测试设计来说最后所形成的经济效果是能否降低总的测试时间。
对于DFT来说影响它的技术因素有：
● 加快测试所化费的时间速度
● 提高故障现象的检测能力
● 提供精确的诊断以满足失效分析的需要
● 简化维修
● 对测试步骤和用于昂贵测试的替换解决方法进行评估。
5、维修性设计（Design for repair简称DFR）
据有关资料的介绍（见参考文献1），需要进行维修的部件中有高达50%以上实际上是没有缺陷的。原因有无数个，有时候由所使用的设备决定一个部件是否有缺陷是不标准的。对于大规模生产来说完善的测试设备可能并不适合于维修功能的需要。DFR可以支持现有的简单硬件装置和软件的修改，以及失效分析和澄清失效信息。
DFR鼓励强化设计，所以可供替换的元器件可以被采用。强化设计的一个重要方面是模块化设计，在维修期间可以快速和简化拆卸操作。DFR也能够确保新产品可以很方便地借助于维修工具，以及采用具有可以很方便地确定位置的标签，在标签上面可以找到产品的型号、版本和制造日期。
一项意义重大但也是常常会被忽略掉的是DFR的好处在于利用维修数据来建立起维修计划，精选材料和在未来设计中对产品的选择。一些EMS公司在收集和分析维修数据方面具有特殊的技巧，并将其报告给它的客户。
DFR是制造设计中六元素中的其中之一。所有六项均会对此形成支持，在设计阶段的早期将一家EMS公司引入一起开展工作是非常有价值和有益的。
6、环境设计（Design for en-vironment简称DFE）
提到环境设计对一些人来说可能还是个新概念，但是其内容却相当简单。DFE是在产品的设计阶段对产品在生命周期内对环境系统的影响所作的考虑。DFE的目标是避免或者将产品在生命周期内的所有阶段对环境产生的不利影响降低到最小的程度。它所适用的范围包含从原材料的来源、设计所采用的元器件和产品制造中所遇到的每一件事情，以及它们的分布、使用和生命终结后的处置。
在2007年8月13日，对于所有的产品来说在DFE方面所做的工作，将成为关乎CE标识方面的要求。需要考虑的关键问题有：
● 对空气的散发
● 对水的排发
● 废物处置
● 材料的使用
● 能源的使用
● 水的利用
● 对自然环境的影响，包括植物、动物和生态系统。
● 对社会的影响因素，例如：噪声和产品是否会给人们带来令人讨厌的效果。
7、结束语
满足现代化大规模制造的制造设计等式可以用下面的方式进行表达：
制造设计＝原始设计＋保障设计＋装配设计＋测试设计＋维修性设计＋环境设计＋满足x的设计
即：DFM=DFS+DFL+DFA+DFT+DFR+满足x的设计
式中：X为确定所要求考虑的内容。
当在设计的早期阶段开展DFM方面的工作，所产生的效果是最为有效的，在这里设计团队中包含了制造团队，并将其作为设计平台的一个组成部分。 它涉及到在产品开发中的所有参与者，从原理设计一直到制造技术开发和产品生命周期的终结。这也意味着在设计阶段需要进行额外的投资考虑，但这是一项从最终所降低的总成本费用之内可以完全赚回来的投资。测试工作（全性能测试）和按规定形式封装，这样就能够保证最终产品所需要的性能，以及很经济地满足大规模自动化装配的需要。芯片规模或者芯片尺寸封装也必须符合现有工业标准的己经建立起来的物理规范的要求，以及完全与现有主流的SMT装配工艺相适应。另外，不像封装有许多可以的选择，绝大多数公司宁可选择一种封装形式，当焊料施加到电路板上去的时候，已经添加了环氧树脂底部填充材料（如同在处理倒装芯片和绝大多数刚性封装结构时一样）以满足可靠性的目标要求。引脚键合μBGA封装符合JEDEC Level1的规范要求，可以适应少量潮湿，以及因为它所具有柔性化结构，所以不需要采用环氧树脂底部填充，甚至于在绝大多数恶劣环境下也是如此。
参考文献
[1]. Petra Ebner Practical Steps to Reduce Total Cost of Ownership, Circuits Assembly, December 2006.
[2]. Zulki khan, DFA Demands Upfront Attention, PCD&M, September 2006.
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