華為是怎樣開發硬件的 之三十——可生產性設計（華為的可行性分析）

錘子手機似乎好像已經淡出人們的視線。錘子T1手機追求羅永浩的理想主義，而導致手機生產不出來的慘痛教訓，先幫助大家回顧一下：

1、羅永浩團隊耗費精力、頻獲好評的設計細節，在一線工人眼中導致多道生產工序繁瑣，甚至直接導致此前低良品率問題。

2、錘子手機采用的是玻璃纖維增強樹脂與不銹鋼骨架一體成型的特殊材質，在這種材質上打孔，經常遇到碎裂的問題。

3、一位工人回憶，剛來新產線的第一天，經過包裝后的錘子成品，300臺當中做出7臺合格品。經過一個多月的磨合，雖然良率有所提高，但每天也只有不到20%的良品率。

4、對外觀造型的苛刻直接導致了生產過程的復雜和繁瑣。富士康生產線上的抱怨聲，也因此有跡可循。

5、大灰屏，和紅米差不多。原因是屏幕貼合的不好，導致屏幕反光發灰，類似你貼膜沒貼好氣泡反光發灰。

6、屏易碎，推測原因是在屏幕上加了三個實體鍵之后，導致屏幕受力不均，這是設計問題，無可挽回。生產過程中就出現碎屏。

定義：

可制造性設計的核心是在不影響產品功能的前提下，從產品的初步規劃到產品的投入生產的整個設計過程進行參與，使之標準化、簡單化，讓設計利于生產及使用。減少整個產品的制造成本（特別是元器件和加工工藝方面）。減化工藝流程，選擇高通過率的工藝，標準元器件，選擇減少模具及工具的復雜性及其成本。

簡單的說，就是設計出來的東西不能讓產線生產很麻煩，導致生產人員罵娘！設計出來的產品不要跟錘子手機一樣良率比較低，生產成本昂貴。

執行:

由于DFx很少在小公司提及，或者類似可靠性設計、節能、環保、可供應性等范疇，只不過不是通過“DFx”這個裝逼神詞被提及的。所以很多人看到DFx這個詞覺得高大上。

我們解構一下DFM這詞的執行過程：

第一步、建立意識。設計人員考慮的不只是功能實現這一首要目標，還要兼顧生產制造方面的問題。這就是講，不管你設計的產品功能再完美、再先進，但不能順利制造生產或要花費巨額制造成本來生產，這樣就會造成產品成本上升、銷售困難、失去市場。（設計人員兼顧到生產制造方面的問題，不但需要設計人員本身提升生產考慮方面的技能和經驗，同時需要全員提升DFM的意識，特別是生產和設計部門這兩方面的領導更要確信DFM的必要。）

第二步，提升設計的生產考慮。統一設計部門和生產部門之前的信息，建立有效的溝通機制。這樣設計人員就能在設計的同時考慮生產過程，使自己的設計利于生產制造。

第三步，生產人員輔助設計。選擇有豐富生產經驗的人員參與設計，對設計成果進行可制造方面的測試和評估，輔助設計人員工作。

第四步，讓設計人員去生產線。安排合理的時間給設計人員，以及DFM工程師到生產第一線了解生產工藝流程及生產設備，了解生產中的問題。以便更好、更系統地改善自己的設計。

DFM的意義

降低成本、提高產品競爭力

低成本、高產出是所有公司永恒的追求目標。通過實施DFM規范，可有效地利用公司資源，低成本、高質量、高效率地制造出產品。如果產品的設計不符合公司生產特點，可制造性差，即就要花費更多的人力、物力、財力才能達到目的。同時還要付出延緩交貨，甚者失去市場的沉重代價。

優化生產過程，提高生產效率

DFM把設計部門和生產部門有機地聯系起來，達到信息互遞的目的，使設計開發與生產準備能協調起來、。統一標準，易實現自動化，提高生產效率。同時也可以實現生產測試設備的標準化，減少生產測試設備的重復投入。

利于技術轉移，加強公司協作

現在很多企業受生產規模的限制，大量的工作需外加工來進行，通過實施DFM，可以使加工單位與需加工單位之間制造技術平穩轉移，快速地組織生產。可制造性設計的通用性，可以使企業產品實現全球化生產。

新產品開發及測試的基礎

沒有適當的DFM規范來控制產品的設計，在產品開發的后期，甚至在大批量生產階段才發現這樣或那樣的組裝問題，此時想通過設計更改來修正，無疑會增加開發成本并延長產品生產周期。所以新品開發除了要注重功能第一之外，DFM也是很重要的。

適合電子組裝工藝新技術

現在，電子組裝工藝新技術的發展日趨復雜，為了搶占市場，降低成本，公司開發一定要使用最新最快的組裝工藝技術，通過DFM規范化，才能跟上其發展的腳步。

PCBA相關的DFM設計

電子產品的可制造性設計核心在于印制電路板PCBA的DFM，印制電路板的DFM即是指板級電路模塊面向制造的設計技術，此技術旨在開展高密度、高精度板級電路模塊的組裝設計、制造系統資源能力與狀態的約束性分析，最終形成支持開發人員對電路模塊的可制造性設計標準及指導性規范。涉及主要研究內容如下。

(1)基于公司產品特點的電子元器件的選擇技術、新型封裝元器件的焊盤圖形設計技術；

不同電子產品采用的元器件封裝類型有很大的差別，比如便攜類電子產品，如手機、PDA、筆記本電腦、數碼相機等，采用的元器件一定是微型化的表面貼裝器件，因為這樣封裝的器件有助于產品的微型化和便攜性，而對于電源類產品，由于受表貼器件功率太小的限制，一般使用較多的插裝類大功率器件，因此不同產品在制定器件選擇的原則時會有較大的不同。這些器件的不同選擇準則在產品概念設計階段非常重要，它會影響到產品工藝路線的設計和制造效率。比如，對于便攜式產品98%以上的器件都是SMD器件，如果設計人員沒有DFM概念，選擇了2%的THT器件，這樣就會給后續的工藝路線設計帶來極大的不便，如何為2%的THT器件設計加工路線將會成為一大困擾，如果在器件選擇階段避免了這個問題，后續的工藝路線設計就非常簡單和高效。

(2)PCB幾何尺寸設計、自動化生產所需的傳送邊、定位孔、定位符號設計。

盡管印制電路板種類繁多，制造工藝不盡相同，但是體現在產品可制造性上主要反映在以下設計要素上：印制電路的外形尺寸和精度，受設備加工尺寸和精度要求限制，設計時應考慮最大和最小加工尺寸，尺寸精度和工藝邊的設計。在考慮印制電路板電氣性能的前提下，要考慮多層印制板最多層數的限制，中間介質層和板的總厚度要求，比如層數增加而總厚度又有限制，這時對PCB的可制造性就會帶來挑戰。

(3)PCB加工能力設計，如最小線寬、最小線間距、最小過孔孔徑、最小厚徑比設計

(4)組裝工藝輔助材料的選用技術

組裝工藝的輔助材料也是DFM設計的重要內容，比如采用無鉛焊接后，相應的助焊劑就需要更換為與無鉛焊料相兼容的；又比如，對于散熱器與IC器件之間的導熱材料選擇時必須考慮和分析器件的功率大小和散熱需求。

(5)印制電路板工藝路線設計

工藝路線是整個電路板組裝的加工流程，工藝路線決定了PCBA的加工效率成本和元器件的選擇，常見的組裝工藝路線有以下幾種：

圖1 電子組裝常見工藝路線

對于不同的工藝路線，在選擇器件時就要考慮，如果PCBA設計為雙面SMT工藝，這時就要保證所有的元件都是SMD器件，并且在PCB布局時要考慮到那些較重的IC器件不布局到第一次加工面（B面），因為對于雙面SMT工藝來說，加工T面時，B面的器件會再次經受一次回流過程，太重的器件可能會在焊膏融化時出現掉件問題。同樣對于正面是SMT工藝，而背面是波峰焊工藝的單板，必須考慮到有些器件是不能用波峰焊來焊接的，比如細間距的SOP和QFP器件，BGA器件，即使對于間距較大的SOP器件，在布局設計時也要考慮到波峰焊特點，對器件的布局方向做要求，使用的焊盤要考慮到波峰焊的特點，使用偷錫焊盤設計，以避免在波峰焊過程中器件引腳間連錫缺陷的發生。

圖2 不能進行波峰焊接的IC器件：BGA和QFN

圖3 考慮波峰焊工藝的SOP偷錫焊盤設計及布局要求

圖4 考慮波峰焊工藝的QFP偷錫焊盤設計及布局要求

(6)印制電路板印刷鋼網設計

鋼網是進行SMT焊料印刷必須的工具，鋼網設計主要包括根據PCB和元器件的特點來選擇鋼網的加工類型，比如對于有細間距IC器件的PCB，其組裝時對印刷精度有較高的要求，這時就需要選擇鋼網開口精度準確的加工方式，比如激光切割加電拋光，或電鑄鋼網。而對于沒有細間距器件的PCB組裝來說，加工時選擇普通激光切割的鋼網就可以了。對于那些比較復雜的PCB，往往在PCB上有細間距的IC器件，同時也會有些器件對焊膏的需求量很大，細間距IC器件要求的錫膏量較少，所以鋼網的厚度要求薄，比如0.12mm厚，而要求錫膏量多的器件需要厚的鋼網才能保證焊接的可靠，這時就會出現矛盾，怎么辦？因為只有一張鋼網，這種情況階梯形鋼網就是一個很好的選擇，階梯鋼網是在鋼網的不同位置有不同的厚度，厚的地方可以是0.15mm，而薄的地方可以是0.12mm，這樣通過使用階梯鋼網就滿足了不同器件對錫膏量的不同要求。

圖5 化學蝕刻與激光切割鋼網的對比

圖6 Step Stencil用于使用不同器件錫膏量不同要求的階梯鋼網

(7)組裝設備資源能力分析技術

DFM有兩層含義，一層含義是在產品設計時要考慮到制造能力的限制，保證設計滿足制造能力的要求，另一層含義是在規劃一條生產線時，要根據產品的特點來進行設備的配置，對組裝設備的資源進行規劃和分析。比如對于手機產品的制造來說，由于手機電路板大量使用0402以下的CHIP器件，這樣的小器件的檢測必須配備AOI設備。

(8)印制電路板的可制造性設計規范

印制電路板的可制造性設計規范作為指導產品進行DFM設計的綱領性文件是必不可少的，應根據公司產品特點、質量要求和加工能力制定本公司的DFM設計規范。DFM設計規范應對PCB設計的主要方面進行明確而具體的要求，用來指導公司PCB的工藝設計。

(9)印制電路板的可制造性設計流程與平臺

可制造性流程與工藝平臺是進行DFM設計的保證，DFM設計不僅是一個技術工作，還是一個管理工作，因為DFM的工作實現必須有流程的保證和平臺的支撐，只有流程建立了，節點定義了，人員責任明確了，DFM的工作才能落實；同樣這些工作的技術支撐就是平臺，比如DFM軟件分析平臺，如VALOR軟件工具，可以對PCB的可制造性進行詳細的分析，將公司的設計規范加入VALOR規則中，它就可以自動對PCB進行可制造性分析。

圖7 DFM分析軟件VALOR對PCB設計的分析

電子產品DFM設計案例

一般來說，在電子產品中價格最昂貴的元件是印制電路板PCB，沒有推行DFM設計的公司在產品概念設計階段很少分析PCB制造成本的影響，比如拼版方式的不同就會對PCB的制造成本產生較大影響，下圖8和圖9所示就是考慮DFM要求進行拼版優化和未進行拼版優化時PCB利用率的巨大差異。通過拼版優化PCB板材的利用率可以從58%提高到83%。

圖8 原始設計的PCB布局

圖9 拼版優化后的PCB布局

圖10(a)所示為焊盤設計時沒有考慮到波峰焊接過程的特點，即器件焊盤設計太短，導致波峰焊焊接時由于器件遮擋錫波的陰影效應作用，使得左側焊盤漏焊；而圖10(b)則通過焊盤加長就解決了此問題。這是一個典型的DFM問題。

圖10 焊盤設計太短在波峰焊陰影效應作用下出現漏焊缺陷及改正焊盤長度后問題得以解決

結構相關的DFM

1、連接器

連接器應有識別栓以免配合時插錯位置;連接器接片材料應一致(鍍層應為金-金,錫-錫等),同一產品禁止使用不同供應商的連接器避免兼容性的問題;

連接器導向柱

2、進行整體機械裝配和公差公析

如結合件的配合;對設計進行評估,以減少組件數目;進行工藝兼容性審核;進行共用性檢查,以確保單一物料的訂購和再設計最少化;元器件參考代碼(如R1,R2等)是否與元器件、圖紙、工藝指導一致；電路板上的元器件是否按標簽格刪配置,以避免特殊工裝;電路板間距是否合理,以免影響后續插裝等操作;

3、關于螺釘

如果可能,應避免使用螺釘;只使用標準件而且尺寸種類最小化;帶螺絲緊固件的種類及數量應該最少化且應盡可能使用自鎖性墊圈;應盡可能使用自緊式、帶螺絲的插裝件;緊固件的扭力必須在正式圖紙文件上有明確規定;是否有足夠的間距允許緊固件裝配工具進入;避免使用鉚釘,而使用螺釘;

4.電路板上的安裝孔幾組裝/測試用的工裝孔應是非電鍍孔;

5.同等尺寸形狀的電路板的工裝孔尺寸/位置應一致,一減少專門夾具并節約機器設置時間;

6.減少裝配時間

電纜連接器是否有自鎖設計而不需另有工具?裝配設計中是否考慮了最小電纜彎曲半徑?所有預裝的電纜都應明確標識并與圖紙一致;是否易于拆卸維護/再利用/維修?應盡可能多地使用標準件;

工藝相關DFM

1.盡量避免在PCB兩面均安放PTH元件，因為大幅度增加裝配的人工和時間。 如果元件必須放在底面，則應使其物理上盡量靠近以便一次完成防焊膠帶的遮蔽與剝離操作。盡量使元件均勻的分布在PCB上，以降低翹曲并有助于使其在過波峰焊時熱量分布均勻！

2.元件引角的形狀對焊膏通孔工藝（Paste-in-hole）選用圓形或方形是最好的。少選長方形或交叉形的。元件間距波峰焊時建議0.070",焊膏通孔工藝0.100".選用焊膏印孔工藝的元件能夠耐回流焊接的溫度，但波峰焊和焊膏通孔工藝都需要有支持塊（stand-off）以便在散熱時孔中的空氣散出，防止氣泡的產生。小于0.062”厚的PCB選用焊膏通孔工藝比較好，當厚度大于0.093”時對波峰焊和焊膏通孔工藝都比較難。

3.在自動化程度越來越高的組裝工藝中，手工焊接和侵焊是不得已的做法。一般因為：SMT元件不能過回流焊接；雙面PTH；第二面元件太重；第二面元件太高不能用選擇性波峰焊；非常少的第二面元件不值得使用整條自動生產線。

4.特殊工藝如用于固定散熱器的材料；低溫的附件和返修所需的特殊焊錫絲；手工操作需要新的設備和工具；組裝和返修空孔在焊盤內的元件等。另外看有沒有新的工藝和新的設備需求。

5.導線與連接器：不要將導線或者電纜線直接接在PCB上，而應使用連接器，如果導線一定要直接焊到板子上，則導線末端要用一個導線對板子的端子進行端接。從線路板連出的導線應集中在板子的某個區域，這樣可以將他們套在一起，以免影響其他的元件。使用不同顏色的導線以防止裝配過程中出現錯誤,各公司可采用自己的一套顏色方案,如所有產品數據線的高位用藍色表示而低位用黃色表示等.

關于華為的DFM

1、生產人員在IPD流程的各個環節，都參與關鍵文檔的評審，參與所有關鍵技術評審點的審核。

2、研發階段，結構件、電路板、所有組件經歷大量的試裝。提早進行各種試裝，提早發現裝配方式，結構干涉，裝配效率等問題。

3、新生產導入（NPI）

4、制造的發言權非常高，生產對設計中，不滿足DFM要求的設計，有一票否決權。

5、建立DFM規范

DFM文件應結合本公司的生產設計特點、工藝水平、設備硬件能力、產品特點等進行合理的制訂。這樣，在進行設計時，選擇組裝技術就要考慮當前和未來工廠的生產能力。從工業造型創意設計方面做出獨特的思路，根據人體工程學原理設計出合理又實用的產品。這些文件可以是很簡單的一些條款，進而也可以是一部復雜而全面的設計手冊。另外，文件必須根據公司生產發展進行適時維護，以使其能更準確地符合當前設計及生產需求。

6、DFM檢查表

在對產品設計進行策劃的同時，根據公司DFM規范文件建立DFM檢查表。檢查表是便于系統、全面地分析產品設計的工具，其應包括檢查項目、關鍵環節的處理等。從內容上講主要包含以下信息：

a． 產品信息、數據（如電路原理圖、PCB圖、組裝圖、CAD結構文件等內容）。

b． 選擇生產制造的大致加工流程：AI、SMT、波峰焊、手焊等。

c． PCB尺寸及布局。

d． 元器件的選擇和焊盤、通孔設計。

e． 生產適用工藝邊、定位孔及基準點的設計。

f． 執行機械組裝的各項要求。