DFM 可能如何變成“Design for Money” 啊?!

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可製造性設計 (Design for Manufacturability, DFM) 的議題已如星火燎原般地在半導體產業蔓延開來!? 哪家 DFM 工具戰力最強？

大家會有興趣討論「如何使設計、製造和設備協同起來，才能實現盈利？其答案的尋求，也許就是通往“Design for Money”之路」?!

/ L0 V  `! c4 L0 A台灣工業銀行(IBT)綜合研究所半導體產業研究副理王旭昇表示，DFM市場的興起，為EDA產業注入一股新的成長動力，一掃過去幾年成長停滯的陰霾，同時也引起許多創投公司高度注意。他指出，2005年創投公司在EDA領域投入約1.6億美元的資金，是2002年以來最高的紀錄。此外，DFM解決方案則為EDA產業最熱門的領域之一，市場預估，2006年可提供DFM解決方案的業者就已超過60家，未來市場更將進入戰國時代。
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根據台灣工業銀行研究指出，2006/05/15晶圓代工領導廠商TSMC宣佈其DFM工具驗證平台可視為DFM產業發展的重要里程碑，其發佈之新聞稿指出“台積公司與特定的設計自動化合作廠商合作進行其DFM工具驗證，確保這些工具產生的DFM資料模擬分析結果與台積公司的結果一致。工具模擬分析的效能(Run-time performance)以及簡便的操作介面(User friendliness)也是通過驗證的重要指標。參與此一工具驗證的廠商包括Anchor Semiconductor、Cadence Design Systems、Clear Shape Technologies、Magma Design Automation、Mentor Graphics、Ponte Solutions、Predictions Software以及Synopsys Inc.。”
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根據台灣工業銀行研究指出，上述8家廠商中，Cadence，Synopsis, Mentor與Magma為IC設計EDA Tool TOP 4 Vendor，其競爭優勢在於提供EDA設計Total Solution的能力。Anchor除了通過TSMC的DFM工具驗證外，並為UMC DFM支援平台解決方案partner，已經擁有多家paid customer的實績。Clear shape則有INTEL與KLA-Tencor投資入股，同時也是Charter/IBM/SEC在65nm製程的DFM支援平台解決方案partner。Ponte 與Predictions的產品則比較著重CAA issue (Critical Area Analysis)。

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在 2000年那個時期
Avant! 被認為是 後段APR+ RLC Extraciotn 領域最強的公司
Synopsys則是前段 Logic Synthesis 與 DFT最強的公司
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自從 Cadence 搜索 Avant!    讓Avant! 賠了一大筆錢
Synopsys併購 Avant! 之後
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Synopsys成為 世界第一大的EDA公司就只是時間上的問題 (從2005年開始就是了)

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作者aul Barrow – 華爾萊科技公司(Valor)DFM解決方案產品經理   

「DFM」- 一個由三個字母組成的縮寫，其意義依據你在設計及製造流程鏈中所扮演的角色不同而不同，或是微不足道，或是舉足輕重。在今天的電子業，有幾種力量正在推動著可製造性設計(DFM)的進程，其中最常見的三種為:
• 新技術帶來的零件密度的增加
/ T! s2 b& \( ~9 c# m0 G( f( @" ]• 縮短設計週期時間的需求
• 外包及海外製造模式的實行
要求設計更小更輕，同時又要擁有更多功能的不斷增加的需求為我們帶來了新的印刷電路板製作技術，如順序疊構，嵌入式被動及主動零件類的設計，以及零件封裝技術的創新如Micro-BGA、CSP和POP。所有這一切都使PCB設計、製作及組裝變得更加複雜化。  
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縮短「產品上市時間」是一項緊迫的需求。 由於PCB設計的反覆可能導致設計週期平均增加幾個星期，從而拖延了產品的上市時間，因此將可製造性問題(導致設計反覆的重要原因之一)在PCB設計階段儘早消除有絕對的必要性。一般人認為，DFM只是簡單地在PCB CAD 系統上執行一些基本的錯誤檢查，來確定在PCB 製作時線路不會短路，或確保在PCB組裝時零件不會相互干涉。而實際上，DFM結果意味著設計已經得到最大程度的優化，從而確保產品可以按最高效的方式製作、組裝及測試 – 消除可能導致額外時間及成本的多餘製程。一個全面優化的設計甚至會考慮到產品的製造良率。

現在讓我們退一步看看，用戶在PCB設計時想利用可製造性設計(DFM)流程達到什麼效果。
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% B0 T" n; B* O, H' {6 _$ z: K一個普遍接受的觀點是產品的設計對製造週期及單位產品成本具有重大且可測量的影響。換句話說，不好的設計會導致更長的製造時間及更高的成本。針對無時不在的降低成本及縮短產品上市時間的壓力，實施DFM的最終目標是要達成具成本效益的製造。這將透過保持高良率(低廢品)及最少的設計改版而實現。同時，我們還需要認識到DFM的應用使得製程能力得到了全面的發揮，如透過新技術的應用 – 將設計從兩塊PCB集中到一塊PCB上，從而既節省了時間，又節約了成本。

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DFM的使用不僅僅是回答「這個設計可以製造嗎」，而更是回答「這個設計是否能被高效率地製造並且獲利」。

& }) @6 o+ ?3 x( v+ M+ W最重要的是，DFM必須被看作為貫穿於整個新產品導入(NPI)流程鏈的一種作業邏輯思考。它不是一種事後產生的想法或是設計完成後的額外補充。是的，確實存在那些可以被認定為DFM工具的獨立應用軟體，但總的來講，可製造性設計(DFM)工具必須被嵌入到所有工具裡，並透過對必要規則的事先定義及在整個工具鏈中執行這些規則來獲得確保。許多PCB設計工具透過一個以規則為基礎的設計原理來符合這一模式，設計工具或者直接按照規則執行，或者至少可以做到規則檢查。
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製造(或生產)需要被劃分為幾個主要部份 – 各個部份具有顯著且獨立的內容，分別稱為PCB製作、組裝及測試。PCB 製作包含與印刷電路板裸板生產的所有相關步驟(包含確保良品的測試和驗證)。組裝是把所需的零件置放到裸板上的一個過程，它也可能包括系統組裝(例如將PCB組裝到一個系統內而成為一個完整的產品)。測試包含ICT測試(確保正確的零件置放，包括正確的零件方向、零件值和正確的運行)以及功能測試(驗證整塊板的運行功能 – 它是否能實現所有的設計功能？)。測試內容也包含目檢及維修/返修方面的問題。

以上每個部份都有其特別的需求，必須考慮每個方面才能確保好的DFM結果 。只用DFM 檢查PCB是否可以製作出來，但接下來卻不能自動組裝顯然是不行的 – 特別是當你需要生產成千上萬的板子時。
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如果僅僅是確保設計不在製造時出錯，則漏掉了一個在製造時對時間及成本產生重大影響的主要因素。除了按照規格或規則(物件大小，間距，間隔等)檢查設計資料內容以外，也需要看看將設計製造出來所需要的製程類型及數量。 例如，如果設計者在設計時只使用了一個插裝元件，他卻在製造鏈中立即自動引入了一個或更多個額外製程(例如自動插件及波峰焊)- 這顯然會對每塊板的成本造成重大影響，透過使用同等功能的貼片元件代替則可以避免這樣的問題發生。同樣，在設計中選用一個不能自動插裝的「異形」零件將可能需要一個額外的手工組裝工站，而這種情形則可以透過小心選用零件得到避免。在PCB製作部分，從雙面板到多層板，從貫孔到盲孔的設計，都會導致製程的增加以及更多出錯的潛在因素，然而這些本是可以透過DFM分析得到避免的。

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有兩種層級的DFM分析。第一種包含比較簡單或「一般性」的測試(如那些對所有製造商都適用而不受製造商製程能力影響的測試)。 這一類別包括簡單的零件形狀尺寸及間距檢查，使用二維置件形狀檢查零件佈局等。雖然這些因素可以在一定程度上防止製造出錯(假設適當的規則已被預先設定)，但它們傾向於提供的是「最壞情況」 的結果，而沒有在如何更好的利用現有技術和製程能力方面給予設計者足夠的幫助。
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) T" I' h$ q6 v) [( S第二種層級的DFM分析要求對用到的製程進行詳細而準確的模型化 – 如對實際零件形狀及置件設備能力的考量(可處理的零件類型、拾取頭/夾爪的幾何形狀、插件順序)。

然而，為取得好的第二層級的分析結果，需要依據特定製造商的生產能力來進行製程模擬 – 需要根據選定製造商的製程能力來進行PCB板製作檢查;組裝檢查需要知道可供使用的組裝設備包括哪些以及其設置。對測試、檢查及返修的設備能力也必須有更清楚的理解。要做到所有這些並不容易，特別是對那些並非在本廠製造的公司而言，因為要從外面的合同製造商(CEM)那裡獲得這種詳細的製程資料是不容易的。
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另外，只參考設計資料內容並不能做到通盤考慮。對組裝設備的設置(將零件分配到料倉)，組裝產線上設備的順序，平衡產線以達到最佳化的產出等等都是需要考慮的因素，這時必須用到軟體。儘管有些人可能認為這些屬於生產規劃，然而在好的DFM流程中這些都是必要的，它證明了如零件選擇等一些任務的重要性，以及擁有詳細的對組裝流程設置的知識如何能幫助設計者朝著設計出可以高效率製造的產品設計方向邁進。
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( B; \9 M3 e* {( }" E7 V- S+ T+ ]3 u由於規則的數量及複雜度，要想使PCB CAD 工具能處理全部規則是不可能的，不管是以自動還是互動式的方法;特別是如果我們考慮散熱、信號完整性、電磁效應等等的檢查。
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因此必須同時運用專業的分析工具來找出潛在的問題，針對如何解決問題提出建議並允許使用者對每一個規則衝突的相對影響進行調整和取捨。

這些專業工具提供的不僅僅是PCB CAD 工具通常只能提供的「可行/不可行」檢查(如圖)
   
它們可以進行配置以提供問題的嚴重等級，給予設計者或 NPI 工程師更準確的資訊。從而可以針對哪些問題必須解決(如不可製造)，哪些問題最好能解決(在特別許可情況下可以製造)，哪些問題可以安全地被忽略(對製造/良率沒有影響)等等做出更加明智的決定。 藉由內置的計算器，可以進行多種多樣的替換工作以嘗試規則合法性。

( f5 c/ t& _9 s/ K! h總結來講CB可製造性設計分析(DFM 系統)是一個促進生產力的強大工具。它能促使你在毫無損失的情況下使設計更加小型化，降低產品上市時間並信心十足地在全球製造趨勢中獲利受益。如果不使用DFM，則你可能面臨高成本、高風險的巨大挑戰。

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1.如何瞭解業界公司在不同發展階段的產品中試管理模式與實踐？
2.如何掌握面向製造系統的產品設計（DFM）的方法與實施過程？
3.如何掌握面向生產測試的產品設計（DFT）的方法與實施過程？
' D+ B" d" j9 A1 j2 f  p4.如何掌握面向製造系統的新產品驗證的過程與方法？
8 k& T0 ~$ {  ]7 W7 a5 `5 X) _5.如何掌握在滿足品質標準的前提下縮短產品試製週期的方法和技巧？
6.如何瞭解如何建立從樣品到量產的管理機制？

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1.企業在追求什麼：技術？樣品？產品？商品？
4 C2 K/ U- e# W  q# m/ w2.研發與製造的矛盾：
6 y! ]9 V$ D/ R* x1）.製造系統如何面對研發的三無產品？
* N: A- ^2 J# T$ \3 V2）.研發如何面對製造系統越來越高的門檻？
3.研發與製造矛盾的激化：中試的產生成為必然
' c3 |4 Y, t/ W% h, _4.中試的定位與發展：
# b- @0 E0 ]  f* B/ S/ E1 M1）.研發（RD）、中試（D&P）、生產（P）的關係
2）.中試的使命是什麼？
4 Z8 C, Y- l) }, ]4 T3）.中試如何定位？
4）.中試的發展問題：
a 大而全？
b 專業化分工？
c 產品線劃分與共用平臺
d 中試人員的發展定位：廣度與深度問題
$ V7 r% x; Q3 S5.中試的業務範圍
1）.中試業務：新產品導入（NPI）
$ g, ^' I& C2 t4 c: w# T6 F2）.承上：如何面向產品的研發？
3）.啟下：如何面向產品的製造？
4）.橋樑：中試作為連接研發與製造的橋樑，獨木橋還是陽關道？
2 Z. C% D9 ?) k- G6.演練與問題討論
1）.根據企業的實際情況，是否需要建立並發展中試的職能?

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1.新產品導入團隊的構成
& g/ t: p# X$ s) X6 u1 P; A1）.工藝工程
2）.設備工程
* Y$ c( D8 J% g# [4 _3）.測試工程
" L; Q5 _' N  ^8 M$ e4）.工業工程
5）.產品驗證
6）.試生產（計畫、生產、品質）
3 b) e# X6 y- s2 b6 ~2.新產品導入團隊的職責
3.新產品導入團隊與產品開發團隊的關係
$ l- Q3 Q2 g$ w5 z8 Q* |% ?" o1）.開發模式的演變：串列變並行
2）.並行工程在產品開發中如何體現？
3）.新產品導入團隊如何提前介入研發？
a 為什麼要提前介入？
b 提前到什麼時候介入？
c 提前介入做什麼？
1 O* [2 r: J8 Y6 w, T4 w5 c4 @5 u4）.新產品導入團隊的管理
a 新產品導入團隊與產品開發團隊、職能部門的溝通
; Q1 k% d8 A# k" @5 V% k, |b 新產品導入團隊成員的彙報、考核和管理機制
+ w! K( `& Z$ ^* E! k4.演練與問題討論
1）.根據企業的實際情況，研討建立新產品導入團隊的時機

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1.如何在產品設計與開發過程中進行可製造性設計
1）.從製造的角度來看產品設計
2）.工藝人員介入產品開發過程的切入點：從立項就開始
8 D, c7 P0 w+ N' B; [* i7 U3）.工藝管理的三個階段：工藝設計、工藝調製與驗證、工藝管制
4）.工藝設計：
# Y' A; P% [! x- C' L& a; Ta 如何提出可製造性需求？
b 需要哪些典型的工藝規範？
$ c( x8 z, C/ Ic 可製造性需求如何落實到產品設計方案中？
/ m: _$ w8 Z$ A+ d0 Jd工藝設計與產品設計如何並行？
4 A- t! E0 o! ye 產品工藝流程設計
f 電裝、整裝、包裝與物流的可製造性設計分析
+ \. q6 V7 F' n8 `' W6 Zg 如何確保可製造性需求在產品開發中已被實現？
h 工藝評審如何操作？
i 什麼時候考慮工裝？
" L. W. p3 l0 ]. t2 ij 如何在開發過程中同步輸出工藝檔與生產操作指導檔
5）.工藝調製與驗證
$ c, ~6 o7 @  \0 ea 工藝驗證的時機
b 工藝驗證方案包括哪些內容？
" Q# Y! c. n1 ]$ k. z; dc 如何實施工藝驗證？
d 工藝驗證報告的內容
e 如何推動工藝驗證的問題解決？
. Z" v, _  a* c& T0 @f 研發人員如何配合新產品的工藝驗證？
( b9 C: }! {& V4 gg 製造外包模式下的工藝如何驗證？

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6）.工藝管制
  j, p5 ?' ^3 O3 T' }a 工藝管制的困惑：救火何時是盡頭？
* G: d0 p! `3 z+ Mb 工藝轉產評審（標準、流程、責任）
" [8 ^' o3 D- yc 量產過程中的例行監控與異常管理
" J9 E# }8 m+ c5 Z# c2.演練與問題討論
7 n# ~3 _( q9 w$ N8 d1）.分析學員企業的工藝管理工作做到什麼程度？存在哪些差距？
0 H, S$ [8 p2 F3.工藝管理平臺建設
1）.誰負責工藝平臺的建設？
2）.工藝委員會的產生：責任與運作模式
! b. o& o1 l9 `- b5 S) B) P3）.如何進行工藝規劃？
4）.基礎工藝研究與應用
: P: c& V1 J) F+ X$ i1 B5）.支撐工藝管理平臺的四大規範：
. L! H3 D) [4 n4 N2 \a 品質規範
b 設備規範
1 a* q$ \) H  ^( H0 I4 D. Xc 工藝規範
d 設計規劃
7 B5 k  a, ~* M8 H5 F" l6）.工藝管理部門如何推動DFM業務的開展？
3 H! C" k8 p5 \% i2 K7）.工藝體系的組織構成、發展與演變
3 U+ O( A8 f1 R$ `  N8）.工藝人員的培養與技能提升
2 }% Z+ g: N9 c7 q2 Z2 \' u" `  R% r) A4.演練與問題討論
1）.分析學員企業的工藝平臺建設工作做到什麼程度？存在哪些差距？如何改進？

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1.基於產品生命週期全流程的測試策略
1）.研發測試（Alpha）、試驗局測試（Beta）、生產測試
2.研發測試（Alpha）與BETA測試
2 s5 I# N5 U* C1）.測試人員介入產品開發過程的時機（提可測試性需求的時機）
2）.可測試性需求需要考慮的內容（示例）
: |8 D* N; }+ n3）.單元測試、模組測試、系統集成測試、專業化測試、BETA測試的重點分析
5 Q1 j( \4 [0 C4）.產品開發過程中測試業務流程分析
5）.企業在不同的發展階段如何開展測試的相關工作（短平快的專案測試工作如何開展）
: Q/ e4 Q& I/ h6 c0 A3.面向生產測試業務的產品設計與開發
1）.生產測試業務流程分析
2）.典型的部品測試、整機測試方法介紹
. `% z  X1 m1 W3）.開發專門的生產測試工裝的條件分析
2 z& R6 A% c& ?1 x; O8 x4）.生產測試工裝的開發管理
6 Q# D9 @: `) _' c# p/ i9 e" t% R7 A5）.在產品開發過程中如何實施面向生產測試的產品設計？
3 r* S6 o0 y/ o( I+ Sa 如何提出可測試性需求？
b 可測試性需求如何落實到產品設計方案中？
3 [/ n7 v& P9 Ic 研發麵對眾多的需求如何取捨？可測試性需求的優先順序分析
d 如何在產品開發過程中同步開發生產測試工裝？
: W; ]* R5 O5 O* c& Ze 如何在產品開發過程中同步輸出生產測試所需的操作指導檔？
f 如何進行測試工裝的驗證？
g 如何推動測試驗證問題的解決？
6）.如何推動可測試性設計（DFT）業務的開展
7）.如何進行測試平臺的建設？
7 Q8 b5 K6 B: v1 N+ A  m, J, F2 b4.演練與問題討論
1）.分析學員企業的DFT工作做到什麼程度？存在哪些差距？如何改進？

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1.影響產品試製週期的因素分析
2.研發人員對試製準備提供的支援
3.試製團隊的構成、職責與定位（設置試製部門的時機與優缺點分析）
9 i( \4 M- }" I* c3 B! u4.試製人員介入產品開發過程的時機
' o2 a7 E: v1 u- [+ B5 ^- P1）.如何進行試製準備（準備要素示例）
5.面向製造系統的驗證
1）.研發人員如何在試製過程中進行產品設計的優化
# N8 d/ O  H* x( m9 M* d/ C( T2）.製造系統的驗證策略與計畫
3）.製造系統的驗證方案
4）.如何實施製造系統的驗證：
a 工藝驗證（工藝流程、工藝路線、單板工藝、整機工藝、包裝工藝、物流工藝）
- [' Z4 ?0 \( ~0 E3 Q0 C  xb 工裝驗證（裝配工裝、測試工裝、生產設備）
$ s+ I$ d- Y+ e+ g/ W4 wc 結構驗證
5 s% N; u9 T3 T& ~! H/ bd 產品資料驗證（BOM驗證、製造文檔驗證）
# T' h1 Y2 c1 T- G1 d: he 產品試製驗證（品質、效率、成本）

jcase

5）.批次驗證報告，驗證多少批才合適？
) o2 L( q2 v$ w) S9 i: B6）.如何推動驗證問題的解決？
1 s" [9 `3 q8 Y6 [' a9 t8 b6.轉產評審
. ?" H1 o, u( J. s  c& {1）.研發人員如何支持新產品的轉產工作
( D5 f, v; A' a: ?7 u2）.轉產評審的評審組織如何構成？
3）.評審標準是什麼？
" c+ f" x4 @- }5 G& h# S4）.如何判定是否轉產？
4 o" c/ T2 ^+ K$ K3 \  L3 B4 P5）.評審流程與運作機制
7.產品轉產後的管理
  E6 s* F& J; d" v1）.新產品的試製效果評價
2）.新產品的品質目標達成情況
3）.工程變更管理
1 P: M2 t% k0 \3 a5 @4）.缺陷與問題管理
" i. k% u2 _5 a( D5）.品質審計
8.演練與問題討論
1）.分析學員企業的產品試製驗證過程，分析差距，提出改進建議。