电子产品工艺设计可靠性

一、工艺的基本概念

工艺（Technology/Craft）是指劳动者利用各类生产工具对各种原材料、半成品进行加工或处理，最终使之成为成品的方法和过程。工艺也可理解为为了加工制造某个产品或零件所使用的线路、设备及加工方法的总称。工艺包含的内容非常广泛，包括工艺文件、工艺纪律检查、工具、设备、人员、装配顺序、现场等。工艺直接体现在以下两个方面。

① 方法：产品加工所涉及的技术，英文用“Technology”表示。

② 过程：产品加工所要遵循的流程和顺序，英文用“Process”表示。

工艺可以是多样化的，它对成本、效率和品质都会产生影响，只要有生产制造，就存在工艺。

工艺起源于人类开始制作工具的时代，是人类起源的直接佐证。马克思在《资本论》中指出：“工艺学揭示出了人与自然的能动关系、人生活的直接生产过程、人的社会生活条件和由此产生的精神观念的直接生产过程。”工艺源于人们的手工操作技能，但又得以进一步升华，工艺的出发点就是为了提高劳动效率、生产质量优良的产品及增加生产利润，工艺也是从单一生产向大量生产转变的基础。

工艺研究的对是“人”“机”“料”“法”“环”。也就是人力、设备、材料、方法和环境。其中材料、设备、方法是最主要的。

①“人”：操作人员，也包括管理人员、技术人员及客户等，与产品的生产管理密切相关的所有人员都属于这个范畴。人在产品的生产与管理环节起着重要的作用，对产品质量的各个环节都有着不同程度的影响。随着生产自动化程度的不断提高，人在生产中的作用有所降低，但在某些特殊工种和关键工序中，机器仍然无法完全替代人。

②“机”：工艺得以实现的硬件基础。一般指的是机械，即生产中所使用的设备、工具、仪器仪表等辅助生产用具。例如机加过程中的各种数控机床、PCB电子组装中使用的SMT设备等，以及夹具、料盘、钢网等。生产中设备的稳定性和完整性会对产品的生产质量和进度产生直接影响。对提高产品的生产效率、节省人力资源、降低生产成本都起到至关重要的作用。在产品制造愈加复杂和精密的情况下，先进的生产加工设备已经具有不可替代的作用。

③“料”：整个工艺乃至整个工业的源头，甚至有“制作材料者制作技术”的说法。它包括两方面的内容：一是加工对象的原材料，如半导体、各类金属/塑料等；二是加工技术实现中所必需的工艺辅助材料，如印制板、安装线、焊料、助焊剂等。把材料制作成最终产品的过程必然涉及对材料加工特性、加工方法等相关问题的研究。

④“法”：方法，包括产品的生产工艺、操作规章制度等。如果说设备是工艺的“骨架”，那么方法就是工艺的“神经”，是工艺的核心和灵魂。“方法”通常以概念、原理、思想、技术要求、通用/典型技术、专用/特种技术等形式体现，它对材料的利用和加工、设备的操作与控制进行规范和约束，是利用硬件设备将材料有机结合并顺利组织生产实施的纽带，也是企业提升生产能力和生产质量的一个重要条件。

⑤“环”：环境，即生产操作车间的环境条件。电子产品生产，特别是高可靠性电子产品的生产，对环境的要求很高，优良的环境条件是保证电子产品可靠性的重要因素。

二、工艺设计的概念和内涵

工艺设计是指产品生产制造工艺的设计。对于一种新产品，从原材料进厂到产品出厂，往往要经过千百道工序，工艺设计就是对这一过程中客观规律的正确反映，它也是企业进行计划管理、技术装备、生产调度、原材料供应、劳动调配及经济核算的技术指导。工艺设计像一条纽带，它把企业各部门联系起来，成为一个有机的制造体系。由于工艺设计是一种决定企业的产品怎样制造、采用什么加工方法、使用何种生产材料去制造的综合性活动，所以工艺设计水平的高低直接决定了企业在一定生产条件下能生产多少产品、生产何种水平的产品及产品的成本。也就是说，工艺设计就是从设计的角度探讨如何更好、更快、更低成本地加工制造新产品的问题。

对于电子产品而言，科学、合理的工艺设计具有以下积极意义。

（1）工艺设计直接决定产品设计能否实现

一般情况下，产品设计主要关心的是产品的功能和作用，极少考虑制造过程的约束，甚至还不同程度地存在“我们设计产品，你们生产产品”和“产品设计精度越高越好”的传统思想，没有针对生产厂家和实际制造环境进行产品设计，因此很容易出现“指标设计很理想，但加工精度不够，或者干脆生产不出来”的现象，特别是在生产自动化程度大幅提高的今天，这种现象更为明显。如何面向制造进行设计已成为设计人员必须考虑的问题。

（2）工艺设计影响电子产品的固有质量和制造成本

有关资料显示：设计费用占电子产品总成本的5%，但决定了电子产品总成本的70%，而约80%的设计差错要到制造和使用过程中才能发现。制造业公认的“十倍定律”表明，如果在概念设计阶段发现并改正一个错误所需要的费用是1，那么改正同一个错误，在详细设计阶段所需要的费用是10，在生产制造阶段所需的费用为100，并且直接造成制造周期的延长。而工艺设计是产品设计工作中的一项重要内容，直接决定了产品的可制造性，是采用经济、合理和可靠的方法制造产品的基础。因此，在产品设计中选用合理的结构、合适的材料及工艺，在制造源头提高产品的设计工艺，对保证产品的质量和可靠性、增强产品批生产能力和有效控制成本有着重要的现实意义。

（3）工艺设计可以有效缩短新产品开发周期

传统的新产品开发采用串行“迭代”模式，即产品设计完成后，投厂制造，在制造中发现工艺问题，之后反复更改直至获得满意的产品，这种模式不仅会大幅增加开发成本，还会造成开发周期的延长。而工艺设计本着“预防为主”的方针，能在早期发现包括产品结构、使用功能和美学功能等在内的一些隐含的制造隐患，并采取针对性措施，方便了生产组织管理，缩短了产品开发周期。

三、 工艺设计的方法和原则

工艺设计贯穿了产品从设计到材料准备、加工、装配、检验、试验再到使用、维护的全寿命周期，涵盖了材料科学、工艺技术、制造工程、工业经济及质量、可靠性、有效性和可维护性等诸多学科和领域，综合性和复杂性较强，因此开展工艺设计工作必须明确方法和原则。

进行工艺设计，需明确以下问题。

（1）工艺设计属于优化设计的范畴

所谓优化，即在给定的条件下，从一切可行的方案中寻求最适当的方案。进行工艺设计，首先要考虑本单位的生产技术条件（制造环境）及生产纲领。比如，对于插装件的组装，可采用手工焊接、波峰焊接和通孔回流焊接等多种方式，而最终采用哪种方式，就要根据本单位的设备情况来决定，如果没有波峰焊或回流焊设备，那么采用手工焊接就是“最佳”的工艺设计；又如，传统的插装件焊接一般采用波峰焊工艺，但考虑成本控制和设备的兼容性，通孔回流焊也不失为一种优化的工艺选择；另外，不同的生产类型，如“单件、成批或大量生产”，在加工方法上也是不一样的。因此，工艺设计就是从产品设计角度出发寻求最佳方案。

（2）工艺设计应由工艺人员来完成

工艺设计并不是全新的概念，产品设计后的工艺检查、工艺设计、研制生产，装配及试验过程中发现问题，设计人员研究修改，都属于产品的再设计，只是贯穿的过程较长。另外，我们常说的“设计、工艺一管到底”“设计制造一体化”都属于工艺设计的范畴。虽然工艺设计不是新概念，但要做好也不容易，工艺设计成功与否在很大程度上取决于工艺设计者的素质，因为工艺设计旨在降低制造成本，是生产服务的一项基本工作，所以工艺设计必须由素质较高的、有能力早期预测与产品设计有关潜在问题的工艺人员担负或参与。

（3）工艺设计可以有不同形式

工艺设计的方式比较灵活，可以独立进行，即工艺人员对原设计图纸进行工艺检查，审核通过并签署后的图纸方可投入使用；也可以在工艺设计时一并进行，即给予工艺人员一定的自主权，允许在保证产品性能的前提下，对产品部分结构、尺寸、精度进行改动。此外，在同一产品的不同生产阶段，也可进行不同形式的工艺设计。比如，对于单件研制的产品，首要任务是尽快制造出产品样机，因此工艺设计中，尽量不用或少用专用工装；相反，在批量定型生产中，主要问题是效率和制造成本问题，工艺设计就应在工装设计方面多下功夫。

（4）工艺设计应有计划地进行

工艺设计是在原设计基础上的再设计。因此，首先要吃透原设计的设计思想、工作原理及功用，再结合企业的制造环境，进行有效的系统改进设计。需要强调的是，在进行任何局部改进时，都要综合考虑整个产品的情况，避免由于某一方面的改动而影响其他方面的运行，在没有切实依据和把握的情况下，严禁随意改动原设计。

四、工艺设计概念的拓展

1.并行工程的概念和内涵

制造企业间竞争的核心是产品（Product）。随着时代的变迁，产品间竞争的要素也不断演变。20世纪70年代以前，产品竞争要素是成本（Cost），20世纪70年代增加了质量（Quality），80年代增加了交货期（Time），90年代又增加了服务（Service），世纪更迭之际又增加了环境因素（Environment），进入21世纪，“知识创新”（Knowledge Innovation）又成为竞争的关键要素。目前，对现代制造企业提出的最新要求是必须具备“TQCS”能力：即以最快的上市速度（Time to Market，T）、最好的质量（Quality，Q）、最低的成本（Cost，C）和最优的服务（Service，S）来满足不同客户的需求。

然而，传统的产品开发方式大都沿用“泰罗（Taylor）制”的顺序设计方法，遵循“概念设计—详细设计—工艺设计—加工制造—试验验证—设计修改”的大循环。显然这种串行流程的产品开发模式根本无法满足新产品的竞争需求，企业必须寻找更为有效的新产品开发方法。在此背景下，作为计算机辅助设计（CIMS）新发展阶段的并行工程（Concurrent Engineering，CE）成为解决上述问题的最有效的方法。

并行工程的概念是美国国防分析研究所IDA（Institute of Defense Analyze）以武器生产为背景，在对传统的生产模式进行系统分析的基础上，于1988年首次系统化提出的：“并行工程是对产品及其相关过程（包括制造过程和支持过程）进行并行的、一体化设计的一种系统化的工作模式。”这种工作模式要求产品开发人员在设计伊始就考虑产品整个生命周期中从概念形成到报废处理的所有因素，包括质量、成本、进度计划和用户要求。

并行工程环境下的产品开发模式如图1所示。

图1 并行工程环境下的产品开发模式

并行工程通过在设计阶段设计更改的“小循环”避免了后期反复更改的“大循环”，从而缩短产品的开发周期，降低产品制造成本。

图2是串行与并行产品设计模式的对比。

图2串行与并行产品设计模式的对比

并行工程强调多学科专家的协调工作和一体化、并行地进行产品及其相关过程的设计，其中尤其注意早期的概念设计阶段的并行与协调，因此，并行工程的核心是并行设计CD（Concurrent Design）。并行设计是并行工程实施的使能技术。

2.DFX的概念和内涵

面向产品生命周期各/某环节的设计（Design For X，DFX）的概念从并行工程发展而来，它同时考虑从产品概念设计到详细设计过程中的所有阶段，包括需求识别、产品设计、加工制造、销售运输、使用维护、回收利用等阶段。它要求从需求识别开始就要考虑产品生命周期的各个环节，以确保缩短新产品上市时间、提高产品质量、降低成本、改进服务、加强环境保护意识、实现社会可持续化发展。

DFX相关要素及相互关系如图3所示。

图3 DFX相关要素及相互关系

DFX中的X可以代表产品生命周期或其中某一环，如产品、加工制造、使用维护、回收利用等，也可以代表产品竞争力或决定产品竞争力的因素，如质量、成本、时间等。而这里的“Design”不仅指产品的设计，也指产品开发过程和系统的设计。

DFX内容主要包括以下方面。

（1）面向制造的设计（Design For Manufacturing/Manufacturability，DFM）

DFM的主要思想就是在产品设计时不但要考虑产品的功能和性能要求，而且考虑制造的可能性、高效性和经济性，即产品的可制造性。DFM的目标是在保证功能和性能的前提下使制造成本最低。在这种设计与工艺同步考虑的情况下，很多隐含的工艺问题能够及早暴露出来，减少了设计返工；此外，对于不同的设计方案，根据可制造性进行评估取舍，并根据加工费用进行不断优化，能显著地降低成本，增强产品的竞争力。

DFM是CE的思想核心，也是实现CE的关键技术，因为设计与制造是产品生命周期中最重要的两个环节。所谓并行设计，最重要的就是产品设计与制造过程设计的并行。在设计阶段就能考虑可制造性是并行工程最基本的优势所在。DFM所提倡的在设计中考虑制造工艺，根据加工能力来设计产品的方法，正是CE的设计方法，因此CE是DFM的推广和延伸。

（2）面向装配的设计（Design For Assembly，DFA）

DFA是一种针对装配环节的统筹兼顾的设计思想与方法。它是指在产品设计过程中利用各种技术手段，如分析、评价、规划、仿真等，充分考虑产品的装配环节及与其相关的各种因素的影响，在满足产品性能与功能的条件下改进产品的装配结构，使产品设计具有良好的可装配性，并尽可能地降低装配成本和产品总成本。

DFA是并行工程环境下的一个主要设计支持工具，它为设计人员提供基于装配的设计支持，包括可装配性分析、装配结构分析、装配工艺性分析和装配工艺设计等。其中，装配结构分析通常还要从装配序列规划、装配公差分析、装配机构仿真等不同侧面展开，以确保结构设计的可装配性及有效性，保证产品的装配质量，从而避免因装配设计问题而导致的后续再设计所造成的巨大浪费，提高产品设计质量，缩短产品设计周期，降低产品设计成本。

（3）面向可靠性的设计（Design For Reliability，DFR）

DFR是根据需要和可能，在事先就考虑产品可靠性诸因素的一种设计方法。它要求在产品设计过程中，按照一定的原则事先采取相应技术手段，提前消除产品的潜在缺陷和薄弱环节，防止故障发生，以确保满足规定的固有可靠性。DFR与DFQ（Design For Quality，面向质量的设计）都是提高产品固有满意度的重要措施。

DFX的内容还包括：面向生产的设计（Design For Production，DFP）、面向成本的设计（Design For Cost，DFC）、面向检验的设计（Design For Inspection，DFI）、面向维修的设计（Design For Service/Maintain/Repair，DFS）、面向环境的设计（Design For Environment，DFE）等。

3.DFX是工艺设计概念的拓展

对比可见，工艺设计和DFX在表达的意义上有很多一致的地方，具体包括以下方面。

（1）面向的过程相近

工艺设计面向的是产品制造过程，涉及从原材料进厂到产品出厂的所有工序；DFX则要求全面兼顾规划、设计、生产、经销、运行、使用、维修保养，直到回收利用的全寿命周期过程。可见，两者面向的过程相近，但后者比前者在概念上更全面。

（2）发挥的组织作用类似

工艺设计是条纽带，它把企业各部门联系起来，成为一个有机的制造体系，是企业进行计划管理、技术装备、生产调度、原材料供应、劳动调配及经济核算的技术指导；DFX则是现代企业的特征，强调技术、组织和人员素质的集成，采用并行的、小组化的工作方式开展工作。可见，两者作用基本相同。

（3）实施目的相同

工艺设计决定了企业的产品怎样制造、采用什么加工方法、使用何种生产材料去制造，进而决定了企业可以生产多少产品、生产何种水平的产品及产品的成本，即工艺设计的目的是高效率、低成本、高可靠地制造产品，工艺设计水平的高低是企业竞争力的重要表现；而DFX的核心思想就是通过在设计阶段对产品的结构、工艺进行优化，对产品的性能进行预测，从而缩短产品开发周期、提高产品质量、降低产品成本。可见，两者的目的基本一致。

总之，工艺设计就是从设计的角度探讨如何更好、更快、更经济地加工制造新产品的问题，这与DFX的理念是不谋而合的，而DFX要解决的问题，面向的过程比工艺设计更加全面，因此可以这样说，工艺设计是DFX的主要内容，DFX是工艺设计概念的拓展。