引言
已故的美国教育家、作家、商人和演讲家Stephen Covey创造了“以终为始”（Begin with the end in mind）理论——“从对最终目标有清晰的认知开始，意味着需要了解未来的发展方向，以便更好地掌握当下，从而确保所采取的步骤都始终正确。”
由于缺乏早期规划，设计师在碰到复杂PCB时偶尔会遇到困难。这种准备不足和意识欠缺所带来的后果将继续随着行业产品的复杂性不断增长而升级。
本文将论述PCB设计师如何通过可制造性设计（DFM）思维模式来确保理想的初通率。我还会浅谈板级设计的未来，并讨论如何采用新的和未知的概念来促进未来电子产品的不断发展。
对PCB设计师而言，熟练运用DFM已成为必备能力
设计首次通过、高良率、成本优化和可靠的PCB制造和组装是PCB设计师的工作目标。达不到这个结果，后果可能是相当严重的，包括新产品导入不成功、低于标准利润率、现场性能不可靠、不必要的返工、耗时的重新设计等。再加上PCB产品的复杂性正在与日俱增，设计师正站在职业的十字路口面临抉择：要么继续在提交项目后等待制造部门给出的延后反馈，要么增加开支，坚定并积极地将DFM视作PCB设计师在普通增量设计流程中不可缺少的能力。
设计和制造之间的依赖关系
将元件放在PCB上的那一刻起，就立即确定了设计和制造特性，例如元件间距和可焊性、飞针通道等。所有这些特性都会影响PCB的制造和组装。此外，该设计还确定了在很大程度上不受设计师控制的部件特性。其中包括可获得性、库存、成本、生命周期、数据表和性能对比、质量以及可靠性。所有这些特性都可能出现风险，如果不加以控制，可能会影响产品的最终实现。
随着PCB设计不断发展，有些制造特性可能会在无意中被创建，例如蚀刻缺陷或边缘间隙，这些特性会影响裸板的制造，但可能不会影响组装。同样，如果在设计期间没有针对特定制造商的DFM检查，可能按照规格要求制造出的PCB会导致目标组装厂因受限而无法组装。任何相关后果都会增加成本并延误新产品导入。即使是在更改现有设计时也必须要小心。如果未重新验证设计，而只是更换部件，可能会产生意想不到的后果，并且无法完成可行的批量制造。一处更改都会影响整个组件的运行，由此产生的成本和时间耗费风险可能会相当高。
此外，元件采购变得日益重要，正在成为PCB设计师在整个设计过程中必须注意的问题。如果无法采购可靠的元件，设计就无法被制造出来。
全局DFM意识对于PCB设计的重要性
若想使设计不出现DFM问题，关键是要使设计规则、制约条件与PCB制造及组装供应商的能力相匹配。一旦建立设计规则和制约条件，就成为了确保设计的可制造性而需要始终关注的审核条件。在设计期间出现的问题在设计阶段是最容易发现和纠正的。在设计阶段具备DFM意识可以带来巨大回报。在初始设计期间发现制造问题还可以减少因研发计划偏差导致的重新设计，减少因此而耗用的时间。因此，设计师就能开始设计令人兴奋的新产品，而不是被困在本可避免的重新设计泥潭中。
为了提供全局DFM评估，需要通过元件的“可获得性设计”评估来扩充传统DFM。设计人员可以在整个设计过程中随时打开物料清单（BOM），立即了解部件可获得性的实时信息。如果主要部件缺货，系统将会自动在BOM中纳入按顺序排名的其他制造商生产的部件选择创建元件。此流程使元件采购更加有弹性，让设计师能够专注设计，同时为部件供应风险提供早期预警。
将DFM全局意识引入设计，还能提高设计师的技能，比如掌握如何避免触发DFM验证警告的操作。若在设计团队中将DFM全局意识推行成为制度将能使整个设计师团队的水平更上一层楼。这种方法不仅实现了DFM弹性，还不会给设计师增加很多额外负担，可以说是两全其美。此外，随着设计师的DFM意识不断提高，他们在行业中的价值也会有所提升。
“了解最终目标”
参考Covey对“以终为始”的定义，能够看出设计师必须要清楚了解设计的最终目标，这一点至关重要。在PCB制造和组装中，这意味着要对所选择的制造和组装供应商的能力有全面的了解。通常情况下，供应商会在列出这种能力的文档中详细说明，该文档必须转化到PCB设计环境中应用的规则和制约条件的集合中。
一些制造商介绍生产能力的方式是以可立即在PCB设计环境中使用的规则文件形式呈现，但全球成千上万家PCB制造商和组装服务供应商无法保持一致。与此同时， PCB设计、制造和组装的复杂程度不断升级，产能也越来越紧张。
在评估板级设计的未来时，人们可能需要考虑IC设计的历史。虽然这两个领域在对所需电子系统行为的目标实施方面存在很大差异，但在广义上都需要经历相同的定义-验证–实施设计周期。在设计周期的早期，IC设计人员必须彻底了解目标制造工艺。他们所依赖的用于硬件描述语言（Hardware Description Language ，简称HDL）设计编译的库文件被IC制造商视为“签署批准的质量标准”，并体现了其特定制造工艺的全部细节。基于HDL开发所产生的设计复杂程度比20世纪90年代初的验证速度更快，因此又开发了改善后的设计验证工具和方法来填补这个差距。IC也与PCB级设计有着一些历史渊源。最初，设计会用到原理图，后来被HDL所取代；设计先提交或“下线”送往制造环节，但是返回时却是个无法正常运行的IC。
如今，由于非重复工程（Non-Recurring Engineering，简称NRE）成本非常高，IC设计和制造被视作是风险极高的项目。成本是如此之高，所以首次生产就必须要正确。为了实现这一目标，业界采用了一系列设计方法和工具，这部分得益于多供应商对库和设计数据交换的支持。这种相对开放的数据交换甚至包括存在竞争关系的物理验证系统所使用的“规则组”的可移植性。出于必要，该方法在设计周期的早期就考虑到了制造。
“IC只是多层PCB的缩小版”这种类比并非完全没有道理。随着各PCB制造和组装商之间的工艺变得更加差异化，PCB设计可能会开始接受IC设计行业用于应对复杂性升级的一些相同理念。
大胆前行
PCB复杂度、密度和边沿速度的提高趋势没有减缓的迹象，甚至有PCB相关研究正在采用混合铜和嵌入聚合物波导实现互连。将其与更广泛使用的层叠封装及其他较新的组装技术相结合， PCB制造业将会比现在更具艺术性。正如英特尔、三星和台积电等半导体制造商一样，他们严密保护制造IP，凭借各自的优势脱颖而出，这种状况同样将继续对PCB制造领域发挥影响力。制造商和组装商将继续通过其生产能力和专有IP技术展现差异化。
凭借由制造商和组装商组成的完全连接和有数据支持的全球生态系统，一旦设计师选择了制造商或电子产品制造合约服务商(ECM)，他们就可以立即了解其生产能力。根据目标制造商的能力，设计空间将根据需要应用于其设计的固有规则和制约条件做出调整。这个理念类似于选择不同打印机时预览打印对话框中的更改方式。选择支持彩色打印的打印机，预览界面会随可用的图形分辨率、页面大小和其他打印机特定功能一起更改。
这种基于数据的全球生态系统在设计早期就能将制造意识融入到产品开发过程，提高人们对制造能力的意识，减少或避免了后期交流，不用随时召开在线会议或使用电子邮件沟通。假设ECM增加了一个功能更强大的贴装生产线，相关设计师要立刻意识到他们需要根据这一点更新规则和制约条件。
如果设计已经完成，想象一下，你只需轻点一下鼠标就能将PCB设计提交给全球的PCB制造商和组装商，然后找到最适合生产此设计的供应商。提交文件后，你会收到一份企业名单，包含可制造且可同时满足交货时间、成本目标、当前产能和地理位置等因素的相关要求。
这种类型的案例是有先河的，虽然不在同一领域。在20世纪90年代初，有各种引人注目的可编程逻辑器件（PLD）供应商。所有这些供应商都提供了仅针对其特定设备的免费工具。位于科罗拉多Springs的一家名为Minc的初创公司提供了一种软件，其数字逻辑设计可以用Verilog或VHDL描述，这两种语言目前仍然是最受欢迎的HDL。该软件拥有全面且独立于供应商的可编程逻辑器件库，详细说明了每家供应商的生产能力和成本。用户可以权衡利弊（如速度、器件数量、供应商和成本），然后优化实施方案。只需点击鼠标，就可以编译设计，软件就会找到来自多个供应商的器件。设计师可选择最佳解决方案并让他们开始制造。再次强调，这是个定义-验证-实施的过程，但最后实施是针对可编程器件。
总结
首先，设计首次通过、高良率、成本优化以及可靠的PCB制造和组装是想要实现的目标；在设计阶段快速识别和纠正DFM问题，是避免提交不可制造设计的关键。通过实时元件智能技术增强传统DFM检查功能有助消除目前许多组装生产线出现的元件短缺意外。这种设计PCB过程中应用的全局DFM意识为构建设计流程奠定了基础，该做法不仅针对设计难题进行了调整，而且还可以避免影响利润、产品开发计划和业内名誉。随着产品复杂度的逐渐提高，全局DFM意识仍然是一种非常重要的战略能力，有助于提高电子产品实现过程的确定性。
可以从IC设计的发展过程总结PCB设计、制造和组装的发展趋势。虽然这两个领域在目标实施方面有所不同，但它们各自的设计过程具有许多共同的要素。展望未来，OEM有能力连接制造和组装服务商的全球数据支持生态系统，能够即时了解供应商的生产能力，形成规则驱动的设计指南和验证方法。这种模式还能优化产品的周转时间、成本和库存等参数。这样一来，OEM只需轻点鼠标就能在ECM生态系统中“采购”项目，根据ECM的生产能力快速做出考虑全面的决策。
Vince Mazur 任职于Altium公司， 是产品和用户模型营销工程师。
更多内容可点击这里查看，文章发表于《PCB007中国线上杂志》9月号，更多精彩原创内容，欢迎关注“PCB007中文线上杂志”公众号。
