面向可制造性的设计始于元器件选型

在试产前两周，某团队得知：几个月前仅因电流额定值而选定的线对板连接器，已被标记为“not recommended for new designs”（NRND，不建议用于新设计）。唯一有货的分销商库存数量还不足以满足此次试产需求，而制造商给出的补货周期则长达 40 周。最接近的替代料可与同一线缆配合使用，但它采用不同的封装焊盘，且高度大约高出 1 毫米。

于是，电子工程师不得不重新布线连接器区域。更高的连接器外壳随即与机壳中的一个凸台发生干涉，机械设计师只好调整凸台位置，并重新评估模具报价，导致试产进度又推迟了数周。

这类返工，根源都在于最初对连接器的选型。该器件来自单一制造商，而且在选定当天库存就已经十分紧张，但当时仅依据电气规格做了决定。直到收到 NRND 通知之前，没有人再重新审视过它。面向可制造性的设计（DFM）就是要把生产要求纳入这些前期决策中，在发布前持续进行审查，并且对大多数电子产品而言，还要让机械与电子工程共同完成这些决策。

关键要点

• 元件、架构和制造方面的早期选择，会决定产品的主要成本驱动因素，因此在做这些决定时就应考虑生产要求。
• 首次选定器件时，就应检查其生命周期状态、封装和分销商库存；随后在 BOM 中记录合格的替代料或相应的缓解方案。
• 通过优选器件清单减少特殊料号，并在确定叠层之前，先取得板厂可提供的叠层选项和阻抗公差。
• 在项目早期，就应让机械设计师与电子工程师共同敲定连接器选型、元件高度等共享决策。

制造成本是在何处被决定的

在 成本估算研究中，有一条流传已久的经验法则：产品大约 70% 的成本是在设计早期就已经决定的。Design for Manufacturability 一书作者 David M. Anderson 也从预算角度描述了同样的规律：到设计完成时，产品预算通常只花掉了大约 8%，但设计本身已经锁定了约 80% 的成本。两者都只是近似值，但表达的是同一件事：成本在早期就被锁定了。

项目的每个阶段都建立在前一阶段决策的基础上，因此问题发现得越晚，修复成本通常就越高。一项关于大型硬件和软件系统错误成本升级的 NASA 研究对这种增长进行了量化：如果某项需求错误在需求阶段修复只需 1 个单位成本，那么在设计阶段修复就要 3 到 8 个单位，在制造阶段要 7 到 16 个单位，而在集成与测试阶段则要 21 到 78 个单位。

这些已被锁定的成本，很大一部分都来自少数几个日常设计决策。下面四项做法，针对的正是机械和电子工程师最能直接控制的那些方面。

在布局开始前降低成本的四项 DFM 实践

1. 简化设计

面向制造与装配的设计（DFMA）方法由 Geoffrey Boothroyd 和 Peter Dewhurst 提出，其出发点就是零件数量，因为每减少一个零件，就等于同时消除了该零件的采购、装配和库存成本，以及相应的潜在失效模式。Boothroyd Dewhurst 报告指出，对成熟产品进行 DFMA 评审时， 通常可降低成本 15% 到 40%，且无需改变产品功能。

减少总贴装数量和减少 BOM 中的唯一料号，节省成本的方式并不相同。贴装点更少可缩短装配时间，而唯一料号更少则可减少上料器配置和库存负担。应同时跟踪这两个指标，并通过将功能整合进更少的器件、质疑 BOM 中那些只出现一次的电阻或电容数值、以及优先采用卡扣结构而非散装紧固件等方式，推动它们朝正确方向变化。

简化设计同样也延伸到装配线层面。这包括选择装配厂能够可靠贴装并验证的引脚间距封装、为高密度器件周围预留检查和返修空间，以及在布线占满板面之前先安排好测试点。

2. 标准化元件和材料

有了优选器件清单，标准化就会成为日常习惯。曾在 Intel Systems Group 负责器件标准化项目的 Anderson 指出，他曾将 20,000 个器件整合为一份包含 500 个优选器件的清单，并把 2,000 种电阻、电容和二极管数值缩减到 35 种。

就优选清单而言，实用的电气默认项可包括常见无源器件封装（如 0402 和 0603）、一小组标准数值，以及每个产品系列统一使用一种覆铜板材料和表面处理。机械方面的默认项则可包括标准板材厚度、紧固件尺寸和隔离柱。当然，这些默认项仍必须满足产品的电气、热和可靠性要求。你们团队在最近三块板上已经采购、贴装并测试过的器件，是建立这份清单的良好起点——前提是要重新核查它们当前的生命周期状态和库存情况。

在一项关于小批量生产中材料标准化的 同行评审研究中，物料种类从 32 项减少到 19 项，简化了供应商管理和来料检验。

3. 选择买得到的器件

器件的可获得性、生命周期状态以及第二来源选项，应与其电压和电流额定值一起写入设计规范，因为这三项都会影响布局设计能否在不重新设计的情况下顺利进入量产。Z2Data 估计， 由器件停产推动的重新设计成本从 2 万美元到接近 200 万美元不等；而且 其分析发现，在 2025 年变为停产的 62 万多个器件中，有 52% 在此之前并没有任何产品变更通知。

初始采购筛选应检查以下四项：

• 生命周期状态：处于 active 状态，且没有 NRND 或停产通知。
• 库存： 授权渠道中有足够满足本次生产需求的库存数量。
• 交期：足够短，能够匹配生产计划。
• 替代料：不仅引脚兼容，而且其他关键属性也匹配的候选替代料；如果不存在，则要有相应的缓解方案。

在选择器件之前，先定义好电气边界条件，包括电压、电流、公差和封装限制，会让筛选工作更容易，因为参数化搜索随后就能返回满足这些过滤条件的候选器件，其中也包括来自其他制造商的替代料。连接器、开关和散热器等机械件也面临同样的采购风险，因为一次替代就可能改变板框、外壳开孔以及配套线缆。

在选型时进行筛选，能让团队有时间评估备选方案。如果缺少这一步，采购问题可能直到试产准备阶段才暴露出来，而此时的替代往往会迫使电路板和外壳同时修改。

4. 在板厂可制造能力范围内进行设计

叠层、受控阻抗和过孔结构，是 DFM 与信号完整性交汇的地方。当板厂能够可靠地按设计制造叠层时，成品走线的实际表现就会更接近仿真预测值。在 Sierra Circuits 的一篇 文章中，RHartley Enterprises 的信号完整性专家 Rick Hartley 建议设计人员先了解板厂的制造能力，再围绕这些能力来开展设计。

归根结底，这涉及几个反复出现的选择：

• 对称叠层可在压合和回流过程中限制翘曲和扭曲。
• 采用有库存的介质厚度可避免订购特殊材料及其带来的额外交期。
• 在满足布线和装配需求前提下，采用最简单的过孔结构，有助于降低制造成本。只有在过孔结构确有要求的地方，例如盘中孔（via-in-pad）和堆叠微孔，才指定填孔和封孔。
• 合理的阻抗公差应与板厂工艺能力匹配。例如，Sierra Circuits 可将阻抗控制在 ±10%，特殊情况下可做到 ±5%。

如果某项设计要求的公差比板厂能够稳定实现的更严格，就有可能导致重新设计和第二轮制板。在叠层和器件都确定之后，布局规则就可以用于落实其余约束，这部分内容可参见我们关于 设计规则可捕捉的八类常见 DFM 问题的文章。

机械与电子 DFM 的交汇点

上述若干做法都涉及同时属于机械和电子两个领域的部件与特征：连接器、高元件、板框、安装孔，以及用于固定整个组件的标准硬件。

在框图阶段和首次外壳草图阶段就统一这些接口，并在详细布局和外壳模具投入之前进一步细化，可让机械与电子设计始终保持一致。将这些共享器件加入优选器件清单，还能把这种一致性延续到下一代产品中。一旦 CAD 工作展开，同步的电子与机械 CAD（ECAD-MCAD）工作流程就能帮助持续保持这种一致性，正如我们在关于 ECAD–MCAD 协作的文章中所述。

清单：布局开始前应落实的 DFM 做法

以上四项做法涵盖了很多内容，但最关键的决策通常都集中在一些反复出现的检查点上。可使用下列清单，确保在开始布局前没有任何事项被遗漏。 

• 为总贴装点数和 BOM 唯一料号数都设定目标，并在每次评审时跟踪。
• 根据最近三块板上使用的器件建立优选器件清单。
• 每当选择一个新器件时，都要检查其生命周期状态、授权库存和交期，并在发布前再次核查。
• 对每个单一制造商来源的器件，都要在 BOM 中记录合格替代料或缓解方案。
• 在详细布局开始前，由机械与电子设计共同确定连接器、高元件和板框。
• 在确定叠层之前，先获取板厂可提供的叠层选项和阻抗公差。
• 选择满足布线和装配需求的最简单过孔结构，并且只在结构确有要求时才指定填孔和封孔。
• 在布线占满板面之前，确认检查可达性和测试点布局。

Octopart 如何支持可制造的器件选型

如果生命周期、库存和封装数据能够集中在一个地方，采购筛选的速度会快得多。 Octopart 的参数化搜索可按封装、安装类型和尺寸筛选元件，并在结果中显示生命周期状态、库存和交期。Octopart 从数百家分销商处汇集了数千万种元件的价格和供货信息。每个元件页面都会列出当前报价，并在可用时提供 库存历史，用以显示某个元件是否长期保持稳定库存，还是随着时间推移曾出现过库存偏紧的情况。数据手册以及可用的原理图库符号、封装和 3D 模型可帮助工程师评估该元件，包括其适配性和间隙情况。元件页面还会显示有多少家分销商备有该元件。像开头示例中的连接器那样仅由单一分销商供应的元件，属于应在布局开始前解决的单一来源风险。

当元件进入 BOM 后， Octopart BOM Tool 会显示每一条目的生命周期状态、价格和库存，以便团队在布局开始前为高风险元件找到替代料。

在你的下一个设计进入详细布局之前，请先对其 BOM 运行一次采购筛查，并与制造商确认叠层结构，此时这两者都还比较容易调整。

在开始布局之前，前往 Octopart 搜索你的下一个元件，检查其生命周期状态、分销商库存和可替代料 →

关于面向可制造性设计的常见问题

电子领域中的面向可制造性设计（DFM）是什么？

DFM 是一种设计实践，目标是让产品能够以尽可能低的实际成本进行制造、装配和测试。在电子领域，它涵盖元件选型、叠层和过孔选择、布局规则，以及 PCB 与其外壳共享的机械特性。

DFM 与面向装配设计（DFA）有何不同？

DFA 关注装配后的产品，探讨每个零件是否必要，以及其是否易于拿取和装入。DFM 则关注每个保留下来的零件（包括裸板）如何被制造。Boothroyd Dewhurst 将两者结合称为 DFMA，并优先应用 DFA，因为能够被消除的零件就无需再去优化其制造过程。

在将元件加入 BOM 之前，工程师应检查哪些内容？

不要只看数据手册，还应查看元件的生命周期状态、授权分销商处的库存深度、当前交期，以及是否有来自其他制造商的等效替代料。对于仅由单一制造商提供的元件，应准备经过认证的替代料，或制定有文档记录的缓解措施，例如约定的库存缓冲或预先规划的重新设计路径。

DFM 如何应用于机械设计？

电子产品中的机械 DFM 涵盖板框外形、安装特征、元件高度、连接器位置和外壳适配性，以及决定装配时间的紧固件和硬件选型。

DFM 如何缩短产品上市时间？

DFM 可减少因制造相关问题导致的延误，例如制板被拒、装配返工以及后期元件替换。标准件、库存充足的元件以及与制造厂兼容的叠层，也能缩短报价、采购和装配准备时间，从而让首批试产更快进入产线。