摘要

为了保证新产品的成功开发，有必要将DFX（卓越设计、可制造性设计、可测性设计等）集成到公司文化中，必须要保证公司各事业部开发的产品是可生产的，具有高的制造/测试直通率和低的组装和返修人力投入。如果产品设计得当，它们是可以顺利导入量产的。

本文将阐述如何将DFX作为开发过程的一个基本需求，以实现产品设计的成功，这一过程涉及制造与测试工程、制造和/或合约制造商、质量、物料和其它功能角色。物料团队必须考虑物料清单的元器件风险，质量团队必须分析产品以保证可靠性。在各流程环节中要有相应活动，以确保高质量的DFX评审。项目经理必须要保证相应角色都参与产品开发过程，并遵守相应流程开发过程。本文也给出了整个开发流程和具体活动要求的例子，如DFM报告，PCBA布局审查，物料清单(BOM)分析，质量分析和项目衡量等。

成功实施DFX的另一个关键因素就是要尽早与设计工程团队进行沟通。在项目正式启动前就要经常进行工程讨论。在该阶段，就基本确定了产品特性和元器件。通过真正将DFX活动集成到公司文化和每个产品的开发活动中，就能将利益最大化，最终产品具备量产能力，同时制造成本低。

Richard Tormet, Cisco Systems

产品开发过程

当DFX集成到产品开发流程中，其执行力度会得到大大地加强，这一工作的基础就是要上层管理者的支持，当管理层确认DFX是必要条件时，执行推动起来就很容易了。

在思科，成立了一个团队开发“大工程方法论”（简称GEM，Great Engineering Methodology）流程。该流程定义了思科开发产品所必须的各个步骤，所有大的产品开发项目都必须利用该流程模板，它包括必须达成的关键里程碑、团队功能和文档，图1显示了新产品开发过程。需要注意的是，它描述了产品从概念阶段一直到生命周期终结的整个开发周期，时间顺序是从左到右。漏斗型代表需求的收集，中间部分代表产品的开发，右侧部分代表产品的应用周期。

流程中关键里程碑包括：产品需求文档（PRD），它定义了产品的设计需求；概念交付会议（CC）；设计实施交付会议（EC）；制造和测试计划定义（制造计划）；工程设计验证测试（DVT）；技术就绪评审（TRR）；订单就绪评审（ORR）；原型机生产；DFX评审；产品发布生产；试制；可靠性验证测试（RDT）；常规可靠性测试（ORT）；产品首次发货（FCS）；达到质量和生产量要求的时间（TTQV）和产品开发后评估（PPA）。上述里程碑大多数都会在本文后面章节中作进一步阐述。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

需要注意的是：这是一个并行开发流程。在流程中，DFX的评审意见反馈贯穿在整个开发活动中，它们需要尽早地得到更改实施，而不是等到相应活动结束后再反馈或更改。

在思科，所有的项目文档，如PRD、DVT计划和结果、TRR、会议纪要等都是电子文件归档，并可以通过内部局域网访问。

卓越设计（DESIGN FOR EXCELLENCE）

卓越设计的一个重要内容就是开发可制造性设计(DFM)指引文件。一套好的DFM指引文件将为所有的CAD设计者提供通用DFM规则参考点。我们认为任何产品的设计既要保证在自己工厂处可制造性良好，也要保证在世界任何地方的合约制造商（CM）处可制造性良好。

通常，CM厂会有它们自己的设计指引文件，所以必须对它们进行评审，以保证不会与自己工厂的设计指引相矛盾。另外，需要有一个跨功能指引维护团队，他们对设计指引文件进行升级维护，这个团队应包括新产品导入工程师（NPIE）、CM厂家人员、PCB制作专家和CAD设计人员等。

与设计者尽早地进行协作讨论是必要的，产品的工程工作经常会提前开始，有时会在项目组收到正式启动通知之前。即使在早期设计中确定的产品特性也会影响到可制造性，包括但不限于以下内容：

1、PCB尺寸

2、PCB制作材料类型

3、需要特殊处理的元器件

4、正面还是底面布局

5、PCBA安装部件

6、电路总体框架结构

另外，如果设计工程团队能与NPIE支持团队进行协同工作也是非常有益的，这将方便双方协作讨论。当然，设计工程团队的核心职责是产品设计，但他们也为其它团队提供了输入，特别在产品需要考虑的设计约束条件方面。这种在设计者和支持团队之间不断进行的互动，将有利于产品开发朝设计最佳化方向发展，例如采购人员与NPIE和设计工程师一起协同合作，使产品尽量减少使用专用和独家供应商的元器件，同时尽量减少元器件种类。工程团队也负责电子和结构设计的验证测试，产品必须在发布生产前测试通过。

由于思科大部分制造都是由合约制造商完成，所以他们的反馈是DFX过程的重要组成部分，这要求他们对设计进行评审，同时对每块单板及每个结构组件都反馈评审意见。 这种反馈将包括拼版、夹具需求、制造问题、成本等设计建 议，同时给出Hot/Warm/Cold重要等级清单。

合约制造商的DFM反馈中给人印象最深的单元之一就是提供设计造成缺陷的成本影响，NPIE将问题反馈设计者处实施设计更改时，就有了很好的影响衡量依据。图2是一个典型CM厂评审问题反馈的Hot/Warm/Cold清单。注意在第五列是相应的成本影响，第二行表示这个一个Hot（严重）问题！单板的装配行程区域内元器件，CM表示由于该问题需要浪费3.73美元成本。当拿着这些清单，与设计者就避免该问题进行“谈判”时，有成本信息就有了强有力的辅证。有时这些更改是容易实施的，注意第五行的问题是阻焊与测试焊盘之间间距太近，这只需要设计者修改封装库，就可以避免CM厂浪费0.34美元/单板。即使单板是在自己工厂加工，制造部门也应该提供类似的评审反馈意见。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

也应收集元器件供应商的评审反馈意见，如PCB制作供应商可以提供有关PCB制作的重要反馈意见，如叠层结构和在制板利用率等，这些意见应该考虑到设计中。

一个经常不被注意的领域是供应链管理。为了支撑产品制造，必须保证产品所用物料具备批量供应能力。元器件供应商和组装业者必须是可靠且可规模上量的。物料团队必须评审物料清单的风险，需考虑的要素需要按照元器件、导入时间分析、专用和独家供货元器件审核进行排序。全球供应链管理团队必须制定供应商策略，以达成各种相互冲突目标的平衡。太多的物料供应商会造成订单稀释、批量减小和平衡困难。另一方面，一种元器件只有一家供应商将会大大地增加中断供应的风险。每种独家供应的元器件都应该有风险缓解计划，这一计划可以包括比正常多采购一些存货和/或签订合同以保证供货。在产品发布生产前对物料清单进行多次评审，以尝试降低独家供货元器件的数量是非常值得的。寻找并测试独家供货的替代元器件的工作，在产品开发期间进行是非常有利的。产品导入后，工程和支持团队都转移到其它产品开发团队中，那时要进行器件替代就更为困难了。

在产品开发过程的这一时期，要多进行整理合并BOM，以减少元器件种类数量，这通常可以通过合并那些标称值相近的元件得以实现。图3是一个BOM风险分析示例，它表示了两个主要分类——具有高风险等级的元器件和独家供货的元器件。注意，图3的底部信息表明：该产品物料清单中有10种元器件是独家供货。它们中的每个独家供货元器件都应该有一个风险缓解计划，或启动元器件替代工作。

测试工程是另一个重要的领域，在许多方面它比组装还重要，这是因为我们大多数产品的测试时间比组装时间长。

测试工程团队首先要评审原理图和产品的整个可测试性设计，然后他们要制定测试计划，开发测试装备以满足既定的生产节拍要求。原理图评审主要是看是否合适进行测试，是否有在线测试（ICT）接入通道。单板布局评审主要是审查单板是否可以物理接入测试点，而后就启动ICT开发了。

我们的目标是实现100%的物理测试接入，一般单板都可以达到这一目标，在数字单板上能非常接近该目标（约98%）。测试工程与软件工程协同开发测试软件，这一过程较快，并可实现单板在测试条件下的功能运行。

对于每个新测试程序，测试工程也会为可靠性验证测试（RDT）开发测试程序，这样就可以确保最终产品符合可靠性目标。对早期制造环节中的测试直通率进行评审，以确保提高组装直通率。只有产品的RDT直通率很高时，产品开发项目才能进入到下一个里程碑。然后生产启动常规可靠性测试（ORT），这个活动将贯穿整个产品生命周期，并从生产线抽取样品进行测试，期间任何失效都需要工程人员进行分析。运行测试装备是基于Web的工具，这样，任何单元的测试结果和生产测试数据都可以通过电子文件存档，其文件也可以在世界各地查阅和评审。

其它需要参与DFX团队的有质量团队和用服团队。质量团队评审物料清单并用它来计算MTBF（平均故障时间）指标；用服团队需要评审可服务性设计问题。

需要有新产品导入工程师（NPIE）角色，作为在工程和制造之间的桥梁。这一角色有一个核心责任就是要协调DFX活动。NPIE收集并整理来自CM厂、供应链、物料、测试，以及质量团队的需求/评审输入，以确保设计具有可制造性。NPIE还负责技术就绪评审（TRR），在该节点，从技术角度对设计进行评审，以确认是否可以进行生产。

评审的主题包括PCB和PCBA技术、BOM问题、原型机直通率、合约制造商的DFM反馈、软件准备、测试计划，以及电子/结构设计验证测试结果等。评审发现的主要问题将会文档化，并要求在订单就绪评审（ORR）前解决。

NPIE的职责之一就是评审单板布局的DFM问题，这项工作可以借助CAD评审工具而非常便利。在思科，我们用的是Valor公司的软件系统，由于所有的思科业务部门都使用同一评审软件，所以评审结果可以在不同的业务部门之间进行比较。图4是Valor软件工具窗口的示例，注意在左下部弹出的窗口表示违反间距要求的说明。这一评审工具还有一个特性就是能放大每个违反处的视图，以方便评审和分析。评审使用的工具至少应该可以提供元器件间距违反、制作结构和走线/焊盘间距违反、识别点正确应用和测试点通道验证等指示功能。

原型机和试制阶段

从工程角度，有必要开发原型机，以验证一个新产品的运行情况。然而，该阶段还有其它的好处，如收集原型机生产的缺陷数据。以思科为例，我们会收集CM厂提供的目视检测数据，NPIE会关注那些由于设计不良导致的缺陷，如焊点焊缝不良，焊点缺陷和拼版不当等。一般地，我们会要求进行X-Ray检测，特别是对于BGA焊点，以确保焊点质量。在该阶段，产品是可以进行更改的，如优化表贴焊盘设计等。另外，需要开发工装夹具和特殊工艺，如通孔回流焊。如果需要，此时可以对拼版方式进行优化。通常由于原型机的加工不止一次，所以CM厂在原型机生产阶段可以采取试验方法，其目的是为了在产品试制前，充分开发工装夹具和进行特殊工艺验证。

开发原型机的目的是在产品生产发布前进行工程验证。在生产发布后，需要进行试制，试制是确保所有组装、测试和辅助工艺完备。增加测试工序加工是确保产品有正确的整个工序订单记录，并导入订单管理系统。试制生产用正规的生产工艺和工装夹具，它包括PCBA组装和产品组装。要收集ICT测试和每块单板/产品功能测试的直通率数据，报给NPIE并进行分析。最后，对产品进行包装并发货，以确保产品发货操作处理工作正确。此时，一旦产品进入量产阶段，责任就转移到供应支撑工程师，他将承接支撑任务。

项目管理

项目管理在产品开发过程中扮演着非常重要的角色，项目管理人员负责项目团队会议，确保物料能满足生产量的要求，确保产品开发遵循项目衡量要求并将项目进展情况文档化。在DFX方面，他们负责确保NPIE、测试工程团队和CM厂工程团队开展各自的DFM分析工作，他们也要确保已经进行了BOM风险评估，如果需要还有风险缓解计划。在产品下线前，项目管理人员负责订单就绪评审（ORR），该评审控制试制直通率、物料上量计划、BOM风险问题和相应的风险缓解策略等相关信息。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

项目管理人员除了要确保产品首次发货的产品下线，也要保证项目达成所需的质量和生产量要求的时间（TTQV）目标，这就意味着发货量已经达到预期生产率要求，同时达到了测试直通率目标。虽然我们通常关注产品首次发货(FCS)，实际上，达成TTQV目标才是更重要的。

项目管理人员也负责收集各方意见，并负责产品开发后评估（PPA），文档化本项目的经验教训，为后续项目开发过程提供借鉴。这样，随着一个个产品开发的经验累积，公司的开发流程就能不断地得到完善。

在思科，我们用项目“衡量”来量化整个设计过程是否成功。图5是一个典型的项目衡量窗口，注意它涵盖了不同的项目需求，如计划要求、BOM风险分析、测试覆盖、MTBF计算等。在第4、5条中强调的是关专用和独家供应元器件的供应链策略，第6条要求物料清单中没有高风险的元器件，第12条要求Valor评审没有遗漏严重违反的问题，第13和14条要求测试覆盖率要大于或等于98%，第15条要求计算得到的MTBF除以需求文档的目标值在96%以上。在订单就绪评审时进行项目衡量，这一衡量结果将电子归档，公司所有员工通过公司的局域网都可以访问。

从以上讨论我们可以看出：DFX的输入来自许多领域。如何汇总这些评审意见和各部门的职责应该在DFX需求指引文件中文档化，它至少应包括以下内容：

1、NPIE和测试工程团队对原理图进行评审

2、CM厂对PCB制作和组装进行评审

3、NPIE对PCB制作和组装进行评审

4、ICT/测试工程团队对DFT进行评审

5、供应链管理团队对物料清单进行分析

6、NPIE进行原型机和试制生产的直通率分析

7、质量团队评审

8、用服团队评审

总结

有时这种结构化的文档和评审流程看起来比较繁琐，流程可以随着时间发展，同时也可以根据需要进行不断地调整。流程所需的文档和里程碑驱使我们考虑取舍，并在正确的时间做出必要的决定。从过去的经验中我们发现：当我们尝试裁减开发流程时，在随后的开发过程中将会遇到更大的问题。

总之，我们相信DFX要推行成功，需要将其高度集成到公司文化中。本文已经讨论了：彻底的DFX需要来自各部门的不同团队的输入，有些甚至是来自于公司外。要成功实现 强有力的DFX，需要项目管理层严格按照流程进行操作，我 们的经验表明，尽早与设计工程团队进行讨论沟通将非常有 利。

最后，成功在于不断地持续改善！