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【PCB工程设计】数字孪生技术助力产品设计

七月 09, 2019 | I-Connect007
【PCB工程设计】数字孪生技术助力产品设计

目前,新品构建和可制造性及可组装性设计(DFMA)要求现已愈加明显,成为能有效缩短公司产品上市时间和降低产品成本的重要因素。这也是工业4.0对智能工厂的主要关注点之一。各个公司正在进行的改善计划众多,而迫切需要的是一个能够协调计划实施的整体框架。

本文将介绍DFMA的交互和通过数字孪生仿真技术实现协调权衡的新框架的开发需求。

并行工程一直是电子设计的基础,它与制造的单向交互构成了“过去的”思维方式。本文将提出一种新的框架——数字孪生模式,它是在并行制造软件框架之后发展起来的,该框架将在传统CAE / CAD流程之前为规划到电子组件中的制造能力和特性提供交互操作性。框架的组成部分——权衡基础将是不同公司开发的基本DFMA指标。数字孪生是不断增长的工业4.0、智能工厂软件和电子制造中使用的产品数据管理(PDM)软件应用的补充(图1)。

 

图1:数字孪生是从传统的仿真和电气模型发展到与制造孪生模型、性能孪生以及智能工厂其它相关功能相结合(资料来源:机械设计,2019年3月)

电子产品技术正以前所未有的速度不断增加电子产品功能。其间,制造业同仁也看到了封装复杂性随之不断增加。现代EDA工具和并行工程是这一现象的主要驱动因素。这个时代我们尚未开发出一种有效的技术来反馈制造经验和智慧。数据流的唯一方向是从DFM流出。 

IC设计模型提供的机会:PCB的设计规划

数字孪生对电子产品的设计至关重要,主要有五点原因。首先,产品变得越来越复杂,不仅必须满足客户更高的期望,而且必须环保、高效节能,同时还要面临产品生命周期不断缩短的挑战。其次,必须要成本最小化。基准测试及案例研究表明DFMA可助组装成本降低35%、PWB成本降低25%。 

第三,所有设计图纸和技术规格奠定了产品制造成本的75%。第四,在电子产品设计过程中,60%的制造成本是在设计的第一阶段确定的,此时只花费了35%的设计成本。如图2所示,产品定义过程包括规格和划分,这是对各个方面的性能与成本之间得失平衡的技术权衡分析。第五,需要建立一种连接制造与设计及研发的通用语言,这种通用语言应该将可制造性作为设计的内在特性。这并不是制造业可预先检测的里程碑事件,而是在可制造性评分基于生产事实的基础,以此来促进团队合作,力求生产出高质量且具有成本竞争力的产品。

图2:数字孪生不仅仅包含密度建模,它还可针对易失效的元器件和测试适用性、优化电气性能、最小化信号完整性问题能提出注意事项

 问题的本质

目前的做法是,设计数据只向一个方向传播——制造。如图3所示,没有规定要求将在制造过程中获得的能力、经验和智慧返回到设计环境。因此,许多公司使用并行工程,经验丰富的制造人员参与设计过程,以便传授制造经验。可惜这些经验丰富的制造业人员变得越来越少,而获得这些经验需要很长时间。困难不止于此,大多数时候制造商与设计者联系不紧密,即便在最好的情况下,制造相关的智慧和经验也只能作为意见,而意见通常是很难被接受的。

图3:当前产品数据移动 

对于拥有丰富制造经验的小型垂直整合公司而言,这可能是一个有效的解决方案。但在过去几年中,印制电路封装的复杂程度已经大幅提升,现在不仅表面贴装要求非常精细的间距,而且球栅阵列(BGA)和倒装芯片以及芯片级封装也已经进入市场。考虑到这些以及市场上许多高密度互连结构(图4中的微导通孔或积层PCB),设计变得极其复杂。许多公司正在通过DFMA解决这个问题,主要有6大关键设计要点,包括:

 1. PC设计网格和布局的优化

2. PC基板成本的最小化

3. 组装成本的最小化

4.优选部件的使用

5.测试覆盖率分析

6. ASIC引脚的分区

图4:印制电路设计规划流程

它们的共同点是指标,但是未将整个系统进行总体考虑时,设计部门就会产生怀疑,担心某一特定域的成本降低了,但总体系统成本却增加了,所以只是实现了次优化。因此设计部门需要一个软件环境来集成所有这些独立的程序。

 DFMA的通用指标

为DFMA开发的指标有三个方面:PWB布局、PWB制造、SMT组装和测试。

1.PWB布局

PWB布局之前使用的标准(不是很标准)指标包括封装技术图。有一种简单的方法可预测印制线路板的布线系数(WF)及其组装复杂性。该方法为封装技术图,通过在对数图上绘制每平方英寸的部件数与每个部件的平均引线数的关系图,可以计算布线系数(英寸/每平方英寸)和组装复杂性(引线/每平方英寸)。

2. PWB制造

PWB制造的指标涉及性能目标和PWB价格之间的权衡。这是可制造性的来源,因为价格取决于良率才能准确估算,所以开发了两个关键指标来实现价格/性能权衡:

1.复杂性指数(CI),用于描述特定PWB物理特征(尺寸、层、孔、走线等)的复杂性,以便计算首次通过率

2.相对成本指数(RCI)是一种人为的货币,表示两种或更多种设计方案之间价格变化的幅度 

3. SMT组装

SMT组装的主要指标是组装报告卡(一组预测性的综合指标)。10个因素基于从组装成本得出的总分数方案,这些分数对报价的影响程度:

•0~45分:+ 20%

•46~60分:+ 10%

•61~75分:-10%

•76~100点:-20%

第二个典型指标是组装复杂性,该指标被定义为每平方英寸的引线(LPI),本文列出的参考文献提供了每个引线的平均成本与组装复杂性回归模型的数据。 

提出的方法

新兴的装配制造智能数字系统——如CFX、CAD Master、CAMStar、CADMaster和个别软件解决方案——为实施DFMA提供了新的机会。如前所述,我将这些系统称之为现代框架并行制造,以区别于并行工程。并行制造的框架如图5所示。

图5:并行制造框架

并行制造在DFMA中的重要作用由模块产品信息交换(PIX)说明,它的作用是:

•面向制造的设计工程、面向设计工程的制造和其他制造以及分包商之间传递信息

•自动化CAD数据交换和修订存档

•提供产品数据跟踪和封装完整性检查,并支持标准行业网络

•可组装性设计可分析部件的安装、支持多机配置、分析设备产能并提供生产工程文档

新兴的数据传输环境来自企业的中央数据库,称为产品数据管理,图6说明了这种新的数据移动条件,PDM软件集成了设计、制造和支持产品所需的所有数据,例如:

• 仿真和模型

• CAD和CAE数据文件

• 材料、工艺和特性

• ECO、修订、部件等

图6:新兴数据传输环境

数字孪生

数字孪生是进行权衡和仿真的活动,它着重于:

• 产品定义和系统划分(技术权衡)

• 布局和CAD系统设置

• PWB制造设计规则、良率优化和成本权衡

• SMT组装工艺、封装元器件和测试权衡

• 技术规格和文件

• 标准和法规

多年来,我采用了各种预测模型并将其编码为Excel电子表格。这让我可以看到各种参数对事件的影响。最后,通过使用宏,将这34个电子表格链接到一个预测系统,该系统使我能够对提出的原理图进行样品设计,并查看其性能和成本,而无需实际设计或构建它。如图7所示,用户能够改进任何产品开发。

图7:对于PCB的数字孪生,应该对用户认为关键的所有方面进行模拟和权衡,包括成本、可制造性、密度、信号完整性和可靠性

此列表中缺少一个关键元素:定制ASIC引脚位置的全局分配,这将有助于降低PWB以及组装复杂性和成本,同时确保更好的系统性能和获利的最佳时机。DT框架通过PDM数据库从制造中导入关键指标和数据(图8)。由于并行工程的产品重点简短,因此并行制造中获得的智慧和经验可以在PDM中存档。

 

图8:数字孪生框架

权衡模型和支持软件的DT软件架构可为用户提供全局信息(图9)。选择功能后,可以将它们放回PDM数据库中。布局因素、尺寸和设计规则的选择可用于创建驱动现代CAD程序的技术文件。

 

图9:数字孪生架构

结论

如果公司希望缩短产品上市时间、降低开发和生产成本,那么DFMA需要集成到产品生成框架中。并行工程和制造、产品数据管理和数字孪生技术都是必不可少的要素。这类愿景中的工具、软件和要素如图10所示,最后就是找到一个软件环境来增强其数字孪生功能。

 

图10:产品生成框架

 

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标签:
#PCB工程设计  #数字孪生  #产品设计 

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