Nolan Johnson ——Sunstone Circuits 市场经理

    摘要

    DFM（可制造性设计）这个术语本身就表明须在设计阶段利用制造信息来选择合适的设计方法，亦就是说，在设计初始阶段就需要利用制造知识。不幸的是，现有的PCB DFM设计工具只能在设计的后段即设计基本完成时才能进行检查。这种方法有三大缺点：

    1、设计者在进行PCB设计时，不得不在许多制造信息未知的情况下对设计方案做出决定；而实际上，此时才是进行可制造性设计的最早、最节省成本的时机； 

    2、在设计后段，当人们发现可制造性设计的错误之后（错误几乎是不可避免的），需要对初始设计进行大量修改，导致额外的工程努力和花费；

    3、这种在设计后段进行重大修改的方法，导致设计周期较长，有可能会使你的产品错过最佳的市场时机。新的交互式DFM方法正在出现，这与原有的设计方法（在设计的最后阶段 检查）不同。比如，本文描述的DFM设计工具，可以使设计者在设计过程中就了解到任何可制造性的信息（交互式）。通过在设计的初始阶段引入此DFM工具，设计者不仅能够保证产品通过DFM检查，而且可以在其设计原型阶段就考虑对产品进行DFM的最优化设计。这种设计工具带来了可制造性更佳的设计，能加快产品的生产速度，降低成本，并提高成品率。本文列举了一些案例，通过引入这种交互式 的DFM工具来改善制造过程，使设计更为高效。

    历史上的IC和PCBD FM设计检查工具都推动了DFM能力的发展。20年前，检查能力还停留在传统水平上，简单的线宽及线间距、开路—短路等。现在的设计变得越来越复杂，往往要求更为详细的检查分析。比如在IC设计中，在初始阶段就需要考虑电路的时序和寄生效应，也是可制造性设计的范畴。在PCB设计领域，由于电气性能和热设计在当前技术发展中占据了重要位置，也对可靠性设计提出了更高的要求。

    本文将讨论并找出以下问题的原因：即当前的PCB DFM、DFY（Design for Yield）设计工具，为何不能代表最先进的DFM设计理念？设计工具和工艺流程是连接设计思想与产品实现的桥梁，当前很多设计工具被广泛使用并易于获取，但是却不足以完成真正意义上的全流程DFM设计。

    方法

    本文的论证数据来源于业界的研究报告、众多PCB设计者的访谈，以及Sunstone Circuits的实际经验，尤其是制造方面的经历。

    讨论

    DFM/DFY的角色

    DFM/DFY最终目的是使设计者的设计在可制造性方面正好处于图1所示的工艺窗口的中心。只有这样，加工时的微小偏差才不致影响产品的加工成品率1。设计团队越来越将DFM/DFY设计工具看作解决以下问题的方法：

    1、找到并描述这些工艺窗口之间的关系；

    2、将设计方案对工艺窗口的影响进行量化评估；

    3、将上述信息反馈给设计者，以便将设计工作做得更好。

    DFM/DFY是为设计团队提供反馈建议的环节。“目前业界大多数人都了解到，设计和制造需要比以往更加紧密地结合。但是，许多人仍然不清楚为什么DFY也十分重要，DFY与产品总体良率之间到底是什么关系？需要多少额外的投资（如果需要的话）使DFY变为现实，以及谁会在DFY中受益？”。

    PCB DFM的上述发展趋势并非独有，在目前的制造水平下，IC行业在整合软件技术与先进制造技术的过程中，也遇到了类似的挑战。比如Behrooz Zahiri在Chip Design Magazine (June/July 2006) 一篇文章中提到的：

    “为了使用有效的DFM/DFY解决方案，IC设计者必须要能够处理系统失效或随机失效引起的制造问题。不幸的是，对于90nm及其以下的制程，现有的设计流程不能充分的处理这些DFM或DFY问题。”

    “我们需要一个设计流程，在这个流程中，所有的设计和分析引擎都能够即时预知当前的设计在DFM/DFY方面 的表现。”

    Zahiri继续写道：在过去，设计和制造是隔离的；但是现在，尽管工厂会提供设计规范给设计者，但是设计者仍然被错综复杂的制造问题所困扰。在早期，设计者可以认为：如果他们的设计严格遵守了厂家的DFM设计规范时，他们的芯片就能够生产出来，任何生产问题都可以认为是工厂的责任，并通过改善制程能力或更严格地控制制程来解决。其实，这种规范本身往往并不能完全真实地反映制造过程2。

    随着IC设计者和软件开发者继续推动IC设计检查能力，制造知识与设计流程融合得更深了，PCB设计者也面 临相似的需求和压力。由于层数的增加、线间距的减小、更复杂的封装（小的表面贴装器件，BGA等等），制造问题的交互影响现在非常重要，需要细致的设计规划和预测能力，来保证生产出合格的产品。Zahari的文章指出了PCBDFM/DFY下一阶段的前进方向。

    因此，我们先花点儿时间来看看我们该怎样达到这一点，这样我们可以获得对前途更透彻的观察。

    DFM——电子设计自动化的时宜选择

    PCB设计检查工具在20世纪80年代早期就已出现，而IC设计检查工具的根源可以追溯到20世纪70年代晚期和80年代，早期被非R&D设计团队使用。由于IC设计和PCB设计之间的紧密关系，两种设计软件的发展趋势比较相似，虽然大多数创新都产生于IC设计行业，然后传播到PCB设计行业。

    DFM错误类型DFM问题通常表示为如下表所示一个2×2的矩阵：

    ● 灾难性的——板设计不能实现期望的功能

    ● 参数化的——板可实现功能，但并非在所有规格下都 能实现 

    ● 系统的——不能一致、平稳地运行预先设计的功能 

    ● 统计的——从表面上看随机或与其它条件没有关联的失效。

    DFY的设计一般聚焦于统计性的错误，DFM一般聚焦于系统性的错误，而DRC倾向聚焦于识别系统的/灾难性的错误。

    影响DFM设计工具发展趋势的因素

    Internet资源的发展

    尤其是在北美，各种类型的互连网络非常普遍。根据Internet World Stats的统计数据（表2），北美上网的人口比例达到了70％。

    Internet World Stats的统计数据（表2），北美上网的人口比例达到了70％。

    全球范围内获取网络资源人数的增加将对软件开发产生许多影响，包括： 

    ● 用数字/互连网(而不是物理媒介)来交付的新销售模式

    ● 基于ASP的或“在网”工具，如Google Office， SalesForce 等

    ● 采用分布式客户端/服务器数据库存储/访问模型，而不是将数据仅仅存储在客户电脑中 

    ● 改进的技术支持和交流方式

    这些要么很大要么共享度很高的数据库的应用，表明客户端/服务器的网络互连模式非常具有前景。这种模式的应用包括： 

    ● 公众通讯簿——在线电话簿，公众网络地址   

    ● 销售CRM应用——Salesforce.com，微软CRM 

    ● 搜索引擎——谷哥，雅虎等

    ● 零配件目录——零配件分销商，零配件数据库供应商

    软件销售的变化

    根据Macrovision的《软件定价与许可的关键趋势》文中分析，从2007年11月,软件供应商的主要业务是提供[等级1－5]: 

    ● 软件服务[3.4] 

    ● 集成应用[3.4]

    ● 电子软件传输[3.3]

    作为对比，软件供应商将自己的软件升级至Windows Vista，这种业务的等级仅定为2.5。

    对于整个商业软件行业，企业在推动软件供应商提供一种机制来确保软件的许可发放比较简单且易于审核。企业很可能有时候会在未经适当许可下使用其软件，因此企业往往需要积极采取措施以减小他们的法律风险。但是如果必须花费大量的人力来监控一个大公司的每台电脑，这样的软件许可模式是难以接受的。以上数据可以解释为什么PCB设计者们希望设计工具具有开放式源代码，并且相比较一次性购买License而言，更希望软件商能采用Pay for use模式，也就是即用即付费的模式。

    北美PCB销量的下降

    IPC报告显示，2000～2005年之间，北美PCB制造工厂从800家下降到了大约350家，其原因是由于下面几个趋势：

    1、PCB加工业在向亚洲转移，目前亚洲承担了全世界大约80.3％的刚性PCB的加工量。美国在1984年的市场份额为42％，而到了2006年则下降到了9％；2、北美厂家拒绝新的商业模式：北美PCB制造公司倾向于使用自身的技术专长作为主要的销售工具，依赖于口头的和地区的声誉来争取市场份额。由于海外的制造商成功地拉低了北美市场的价格，使得这些区域的厂家很难维持利润。总的来说，这些公司没有将市场和销售考虑为其商业模式的核心竞争力，最终也导致了海外市场竞争力的下降。

    PCB设计业务的增加

    IPC研究表明，刚性PCB设计业务量一直在增加。当我们将所有销售额的下降和原始设计工作的增加结合在一起时，我们就可以识别出北美PCB设计市场的两种主要趋势：

    1、PCB原型设计（Prototype）市场继续保持较为活跃的状态；

    2、海外PCB厂家还不能很好地支撑原型设计工作。

    DFM工具的类型

    在本文中我们定义了三种主要的DFM工具及其差异，下面将详细讨论。

    Standalone客户端 

    Standalone客户端可以直接安装在个人电脑上。无论是检查IC还是PCB设计，使用这个工具时需要导入两个主要文件——artwork（PCB布局设计文件）和检查规则文件。错误结果将以文本格式报告输出，同时附带一些说明的图形。

    在研究过程中，我们也看到过一些正在开发的 standalone型的工具，使用了交互式界面来定义可制造性设计规则。但是，无论工艺规则是采用交互输入还是文件自动导入，其实质是一样的，即DFM程序需要artwork文件和一系列的检查规则。

    在IC设计检查中，standalone DFM工具通常还具有检查后的设计修改功能。这些功能模块能够针对检查出的错误而自动地修改设计，不再需要工程师参与。IC行业最常见的例子就是几何优化（LithoCAD），PCB设计修正一般包括以下功能： 

    ● Sliver Fill（铜间隙填充，超出干膜的解析与附着能力，需要填铜） 

    ● Copper Balance（层间或板的各区域铺铜均衡） 

    ● Line Width Optimization（线宽优化） 

    ● Neck-Down（两条铜走线的交叉位置由于圆角或方角未能实现完全的互连）

    Standalone客户端的优缺点 

    一般来说，standalone工具的运算性能是最高的。对于IC和PCB，以及其他领域都是这样。对于以算法为核心力量的软件开发公司来说，最成功的竞争策略就是精心制作standalone工具，提供输入界面，通过其强大的算法来快速地计算结果，减小由于设计流程中走的弯路而带来的影响。对于standalone工具，检查需要巨大的运算量，所以一 个大PCB设计检查工作经常需要2CPU小时，而对于IC，有时候需要花费数天时间。

    如图2所示，standalone比较适合在设计流程的尾端使用。典型情况下，这种形式的DFM工具都在设计阶段的末尾执行。虽然DFM工具也可在设计中间执行，但是与外部模块交互验证的工作一般也是在流程的末端进行的。

    根据软件的设计规则定义，DFM检查工具往往反馈大量的违规、警告、建议，这时设计者通常有3个常规的策略：

    1.减全功能全设计检查，花更多的时间做结果检视;

    2.在部分设计中进行全功能的检查，在最后一次检查中再进行全设计检查；

    3.多使用特定功能检查（而不是全功能检查），更多但更短的设计检视。

    选择1是最彻底的，因为任何违规都会被发现。不幸的是，选择1也会检出大量的设计错误，以至于有价值的检出设计错误会被大量的假象所掩盖。此外，选择1意味着在设计的后阶段设计错误才会被检出来。由于此时的设计也许已经被优化好了，所以某些布局需要做大的修改。这些修改会花费很多的资源。

    选择2是检查层次和模型设计的通用方法，尽管规则检查很全面，但是在一个支回路和相近回路中的任何违规将会丢失。由此造成的结果是，工程师不能完全信任这个模型方法，因此需要在设计循环的末端最少执行一次选择1系列以保证设计的清晰。

    选择3做为一种准交互式的设计检验方法在IC中普遍应用。

    基于网络的设计检查工具

    网络工具有多种实现方式，本文主要介绍三种。网路处理任务：仅仅通过邮件连接来获得检查工具。在执行中，用户用邮件发送GERBER给检查者；然后检查者根据其自身维护的设计规则来进行检查。错误报告会用邮件发送给用户5。

    交互式网络检查：用户在自己的本地计算机上安装客户应用软件进行DFM检查，DFM软件设计者将检查规则放在网络服务器上。每个设计检查开始前都会询问客户的检查规则是否是最新版本；如果有新的程序文件，它将下载并运行检查。

    我们至今没有发现任何一种这样的交互式网络检查工具。

    ASP模式：在这种实现方式中，执行程序置于网络服务器上，用户通过浏览器来访问。将设计文件上传后选择合适的检查项目，通过服务器的CPU运算来执行检查。这个模式类似于GOOGLE MAPS，salesforce.com等。优点是任何新的功能配制可以立即分发给该工具的所有用户，而不像客户端系统那样需要客户自己关注并更新他们的本地数据。

    交互式工具 

    交互式工具是指可在本地运行的设计环境或者能够被网络设计环境中以插件的形式在本地调用。对软硬件的详细讨论超出了该文的范围。无论怎样，读者必须熟悉这样一个观念：一个在后工序发现的设计缺陷，相比前工序发现的缺陷而言，其修复成本呈指数级增长。换句话说，错误发现的越早越容易改正并且成本更低。

    积极推动交互式DFM设计检查工具的发展是明智的。设计工程师将逐渐深入理解其设计方案如何对制造产生显著影响，设计工程师将利用这些信息做出更健壮的设计。

    在通常情况下，一个交互式解决方案是基于检查引擎的。这些检查引擎可以实时运行，也可以根据用户的需要及命令来调用。这些参数文件，或者叫做规则文件，在计算能力方面的差异可能非常大。一些规则可以是简单的预定义数字参数（通过表格查询），也有一些工具（特别是 IC设计）可以提供非常强大的程序语言运算环境。设计规则语言的强大性与设计规则的复杂性之间是相互关联的。

    交互式工具的优缺点

    由于交互式DFM工具在客户端运行，用户可以省去连接网络的麻烦。然而，客户端的存储能力限制，也使工具无法获得大量的数据。

    客户端程序需要升级补丁及增强插件。由于DFM检查的重要性，用户必须保证软件时刻全面和准确的运行，这就需要一种版本识别和提醒机制。

    如果服务器数据库的信息足够准确，客户端工具可以实现版本匹配的功能。如果服务器数据库中的内容处于相对静态，客户端数据管理来实现版本匹配是比较简单的；而当数据库经常变化时（比如信息分发时间的不同），此时主服务器数据库就成为更好的解决办法，尽管这将使无法接入internet的用户无法使用此功能。

    案例研究

    PCB编辑规则平台

    所有的PCB设计工具都会提供一些具有检查功能的设计规则。这些规则可以是很简单的，比如走线的线宽、线距限制；也可能非常复杂，比如电子信号的设计规则，包括时序、阻抗类。每个设计工具的设计规则都可能有错误，本文将不做详细讨论。

    一个DFM 检查的策略是为了把这些规则以可载入的文件来执行。隐藏在背后的思想是：如果一个设计检查规则已经对一个具体的工艺、加工工厂的工艺能力等做了详细的定义，那么通过这个检查软件的设计，因粗心而带来的加工事故将会很少。更进一步，如果加工商一开始就将其工艺能力等设计规则写入检查软件，那么供应商就能够在 一个产品的设计阶段就对其制造过程作出保证。

    尽管这种策略的可能性已经存在了很长时间，但是仍然难以贯彻执行，因为设计与制造的知识存在很大的鸿沟，难以跨越。

    就像前面提到的，IC的GDSII和 PCB的Gerber文件只被图形转移、掩膜设备当作图形来识别，根本不可能进行布线电学性能方面的交流。

    另一个使交互式DFM难以发展的原因是加工商并不愿意发展和支持这些软件平台。制造商大多数并不愿意公布其加工能力。他们曾经使用的一个理由是：CAD类的软件太多，如果对每种软件都将设计规则写进去将非常复杂。

    虽然设计者们知道遵循供应商的工艺窗口进行设计，但是现实中，设计师可能是最不懂制造的人。PCB制造商们不愿意将各自的设计规则一次性写入设计软件，所以设计师自然也不愿意对每个供应商的工艺能力逐个进行查检。假设在北美有350个PCB制造商（与2001年的800个相比下 降了），设计师们在通常情况下不会对每个供应商的工艺 能力进行查检，这样将会导致更多的设计缺陷，更繁琐的加工前预审，以及更长的制造周期。

    在2007年末，Sunstone Circuits开始为第三方的PCB编辑软件提供设计规则。这些测试规则是由Sunstone的加工专家开发和书写的。关于规则的测试第二版本引起了很多顾客的兴趣和积极性。Sunstone估计每天都会有新的客户增加。 

    软件费用6：7000美元

    软件维护费用（每年）：700美元 

    DFM 功能性费用：0

    DFM 工艺完整性：0

    通过使用免费的、经过认证的著名供应商的设计规则，设计团队每年可以减少6次返回修改。对于小的团队，这些增加的效率可以让他们购买更多的软件或更先进的附加工具。

    在PCB123中的交互式DRC

    PCB123，是Sunstone Circuits开发、维护、发布的PCB设计工具。在这个工具的核心特征是交互式的DRC/DFM检验环境。该软件可以： 

    ● 即追踪/隔离违反设计规则的设计

    ● 将需要修改的电路做标识 

    ● 在下一步之前提醒用户审核与修改该错误

    这些功能可以帮助设计者们在设计过程中即时的获得反馈信息，在决策点时进行有根据的设计选择。比如这个工具可以迅速将一对短路的线标识出来并报告用户，设计师就可以立刻知道刚才最后一条线是错误的。另外，当用户修改之后，错误标识自动消除。这个工具也可以在设计的全过程完整的执行设计规则检查。

    工具开发团队将继续精益求精和扩展DRC功能。

    软件价格：$0

    软件维护：$0

    DFM功能价格：$0

    DFM工艺完整性：$0

    在这个例子里，客户的直接感受到的费用是零。通过在设计过程中即时的获得出错报告，许多设计团队都获得了3倍的效率提升，他们第一次设计出来的原型机就有可能是OK的。

    Standalone DFM工具

    Standalone DFM解决方案的框架与standalone IC检查工具和standalone DFM检查工具类似，包含一个执行程序，一个检查规则定义和DFM编程环境，还有一个附加扩展功能模块。

    检查软件供应商面向的是设计企业的工具环境，主要关注以下功能： 

    ● CAM文件的转换

    ● 多重交换数据库 

    ● 供应链工具－BOM和Parts

    ● 裸板的DFM分析

    ● 多个附加功能选项，包括： 

    - HDI和HDI微孔的处理

    - 自动的铜间隙填充

    - 蚀刻补偿自动处理

    - Cu箔平衡自动处理

    - 针孔的修正

    - neck down修补

    - 走线归一化等

    一流的standalone PCB DFM工具功能全面，有很好的市场反响，DFM设计是非常高效的。但是相关功能模块的维护和优化常常需要专门的人员、资源、基础平台等以保证它能平稳的运行。

    工具虽然非常强大，但是它须经过详细的设置之后才能保证每个模块的协同运作。这项工作可能比用户的预期要麻烦的多。一个企业版的软件其参数设置将需要整合： 

    ● 多个裸板供应商； 

    ● 多种工艺制程以及其制程波动； 

    ● 种CAD设计程序环境； 

    ● 对每个模块的输入和输出的定义

    购买价格：$60,000

    过程整合：$150,0003人，6个月

    总价：$210,000

    维护：$75,000/年

    软件支持（@10%/年）$6,000/ 年

    年价格：$81,000/年

    如果我们假设5年分期付款，一套standalone系统的总价格大概$534,000，包括使用许可、维保和维护系统的职员。

    对于standalone系统，如果仅考虑关键功能的可制造性设计，假定一次的原型设计检查的费用为$350，这样一个设计团队每年将减小原型设计305个(平均每月25个左右)。考虑器件/组装，假定一次组装试产的平均费用为$1500，设计团队每年能减少超过58次试产(接近5次每月)。进一步考虑设计团队在减少设计次数所带来的劳动力成本的减少。如果一次设计周期内能够减少3个工作日的投入(工程师的成本为$100,000每年),这样将减少$1,500的成本投入。

    除非PCB设计企业拥有自己的生产线（这种情况目前极少），否则standalone DFM工具实质就是合约制造商用于制造检验的工具。

    结论

    DFM和DFY在PCB的设计中的作用与日俱增。其驱动力为(单板)设计复杂度增加和跨国产品制造的技术支持的需要。设计人员在努力寻找简单、易用、能集成在实际设计周期内的DFM解决方案。

    对于standalone型后段DFM工具仍然会有需求，因为其特别适用于合约制造商提高产品制造成品率。然而，对于设计团队而言，独立的DFM工具不是一种高性价比的解决方案，原因在于依赖后端的DFM解决方案将日益成为设计流程中瓶颈。因此，设计团队的选择只有按照现有的方式将设计提交给单板制造商后进行DFM工作，或者寻找一种全新的方法执行DFM。

    如果多数设计团队使用支持设计规则检查的PCB设计工具，那么会有越来越多的设计人员忙于寻找正确的设计规则。设计者会发现其迷失在需求细节和精确的规则定义中，缺少直接从实际制造商那里获得的DFM规则。我们希望这种需求会逐渐得到重视。

    就目前市场上的基于网络的Standalone型DFM软件而言，通常会集成一种制造成本估算功能。用户提交设计文件后，会得到一份DFM检查报告，同时还会得到一份当前设计的制造费用报价。这可能是因为某些制造商是该软件的共同开发者，通过这种功能，用户还可以对比多个制造商的制造费用差异。像standalone型软件一样，基于互联网的DFM解决方案用于检查已经完成的设计。通常在这个阶段的制造问题的改进都比较难以解决或者代价较高。

    应用于设计后段的DFM设计工具日益成为设计的瓶颈，设计人员将寻找高性价比和高效的替代解决方案。交互式的DFM工具的作用将在工业界中变得越来越突出。如果设计者可以在设计过程中即时的获得当前设计的违反制造规则缺陷，则可以迅速、低成本地修正这些缺陷。据报道，IC设 计者通过在其设计流程中采用更多的交互式DFM信息，在设计健壮性和工艺成品率上实现了显著的提高。