一、概述随着信息化技术的迅速发展，电子装备在现代高科技武器装备中所起的作用越来越重要。武器装备在对电子设备的体积、质量提出苛刻要求的同时，对其信息容量的需求也迅速增长，小型化、高集成度的微型元器件、组件、模块已构成电子装备的基本单元，新一代电子装备对高密度和新型元器件的装联工艺技术提出了更高的要求。电子装联工艺技术是电子装备制造业的基础，电子装联焊接是其核心工艺之一，焊点作为焊接的结果，其形成电连接节点的可靠性程度对装备产品效能和服役生命周期产生较大影响。一块简单的电路功能模块产品，其焊点的数量远远超过元器件的数量，每个焊点的质量不仅直接影响产品的电气性能，还严重影响产品性能的稳定性及使用的可靠性。可制造性设计从PCBA、多芯电缆组件、微波模块和射频电缆组件及电子整机多层次、全方位、深入讲解如何正确进行电路DFM设计，如何进行电子装联工艺物流控制，如何进行工艺优化设计，以达到缩短研制生产周期、降低成本、提高产品质量、建立武器装备快速反应平台的目的。电装焊接质量问题调研表明：电子整机产品焊接质量问题相当一部分原因是印制电路板组件焊点故障造成的，其中虚焊和冷焊有明显的上升趋势。产生质量问题的原因是多方面的，而电路设计人员在产品设计时普遍缺乏可制造性设计的基本理念、对可制造性设计考虑不周全或缺乏考虑，普遍缺乏电子装联先进组装制造技术相关知识，是造成电子整机产品焊接质量问题的源头！二、困境之一：高端芯片的缺失1.无铅化使军工电子产品可靠性面对严峻挑战电子装联焊接质量问题的新问题是有铅和无铅元器件混装带来的。随着欧盟《禁止任何在欧洲销售的商业电子产品中使用铅和其他五种材料和化学物质》的实施，日本和欧美市场上2005年年底民用领域电子元器件已基本实现无铅化。美国宇航局和航空工业部门并不接受无铅焊接。受国内军工电子产品科研生产技术水平的限制，各重点型号均续续大量引进国外高端无铅封装电子元器件，尤其是高密度芯片，这种状况在短时期内很难改变。以美国为首的西方国家加大了对我国军品的禁运力度，我们只能购买国外工业级的同类产品，这使我们军工科研生产中面临着有铅和无铅元器件混装焊接的现实问题。同时由于高端芯片的奇缺，又出现了“假芯片”，更增加了我们军工电子的难度。由于有铅、无铅两种焊接工艺条件不可避免地相互共存且差异较大，存在材料相容性、工艺相容性、设计相容性等突出难题，在相应的有铅和无铅混装焊接设计标准、工艺标准、指南、规范及工艺应用上还没有达成共识。无铅焊接焊点的可靠性认识仍在探索中；混装焊接仅处于摸索阶段，缺乏焊接检验及测试方法的判据。而军工电子产品与民用电子产品有着完全不同的生产特点和更为恶劣的使用环境条件，无铅焊接产品的长期可靠性尚待验证，国外军用领域仍然普遍采用有铅元器件。2.高端芯片的长期奇缺比元器件的无铅化更为严峻的是：1996年，以美国为首的西方国家牵头搞《瓦森纳协仪》联合封锁我国，规定了详细的禁运范围和技术封锁名单，小到集成电路、续电器，大到水面舰艇、数控机床。2003年，伊拉克战争刚刚结束，对这场被称为“美国军事信息化成果表演战争”，我军的有识之士深深地为之震惊和忧虑，他们在深感信息化战争中技术差距给两军交战带来的代差效应，也被美军高性能芯片所武装的先进装备，在战场上摧枯拉朽般“瞬间”击败伊拉克军队所震撼。外国专家曾说，要想提高武器装备的作战能力，那就给它“装上芯片”，这是对以信息技术为代表的现代化武器一句简要诠释，现代武器的高度灵敏化、智能化都建立在一个高性能的芯片大脑之中。我国电子整机行业水平突飞猛进。华为公司超越爱立信公司成为世界第一大通信设备公司。联影、迈瑞等公司国产大型医疗器械的产品水平直逼GE公司、飞利浦公司等巨头。国产雷达完成主动相控阵的跨越式超越，大量高性能武器服役，其雷达制式和性能已直逼美国，超越欧洲和俄罗斯。然而，我国却是一个长期无“芯”的国家，国内企业制造的芯片普遍“傻大黑粗”，而且成本高昂，在灵敏度和产品稳定性上远不如美国产品；美国对我国的半导体和芯片产业高度封锁。我国半导体产业的瓶颈集中在生产工艺和设备上，特别是美国和西方国家建立了专门针对我国高技术输出的瓦森纳禁运体系，导致我国半导体生产的工艺设备，如光刻机等基础加工设备跟不上，我国的半导体产业被美国“掐着脖子”近30年。2016年3月7日，所有美系半导体企业都接到通知，在获得出口许可之前，限制供应给中兴公司；所有的美系产品线代理商也陆续接到了原厂通知，不管有没有直接供应给中兴公司，都要求签署类似协仪。也就是说，美国政府对我国中兴公司实行制裁！而中兴公司的手机芯片基本上来自高通公司、三星公司和联发科公司。这无疑对中兴公司产生巨大的打击。一个不能掩盖的事实是“芯”的命门仍然掌握在美国人手中。2016年3月7日，美国对中兴公司进行制裁，3月21日《华尔街日报》网络版引用美国商务部某高级官员发言报道称，美国政府计划临时解除对中兴公司的贸易制裁，缓解中美两国因此事加剧的紧张态势。由此证实“芯”的命门仍掌握在美国人手中，这时我们才发现，世界领先的我国整机产业实际上是建立在沙滩上！海关总署2014年1月发布的数据显示，2013年我国集成电路进口额为2322亿美元，同比上一年增长34.6%，超过当年原油进口额的2196亿美元。2015年进口集成电路金额2307亿美元，进出口逆差从2013年的1441亿美元扩大到2015年的1613.9亿美元。2016年，进口集成电路2271亿美元，是第一大进口工业品，占整个工业品进口总额的19.3%。全球77%的手机是中国制造的，但作为核心元器件的手机芯片国产化率不到3%，80%的利润要被别人拿走。全国存量金融IC卡已突破10亿张，但95%以上使用国外芯片。国产CPU（中央处理器）已经逐渐代替国外CPU，但国产FPGA（可编程门阵列）在中国市场的占有率仅为2%，即便是很多军用的高端FPGA，也基本依赖进口，如果没有FPGA，90%以上的军用电子设备将成为电子垃圾。以相控阵雷达为例，一个大型相控阵雷达有几千个TR组件，几个TR组件组成一个小的处理单元对信号进行数模转换和预处理，而每个单元就含一个FPGA芯片。国内集成电路产品的自给率偏低的情况没有得到明显改观，国家对高端芯片的重要性长期以来处于认识迟缓状态，一度沉醉于“造不如买，买不如租”“市场换技术”的错误理念；长期忽视制造业，过分依赖房地产拉动GDP，只是在外部压力下进入21世纪后，才开始重视集成电路产业和发展自主技术，但集成电路在产业发展上总体规划和顶层设计依然不够，集成电路产业发展任务依然艰巨。芯片是电子信息业的“心脏”，无论是从产业安全还是从国家安全的角度来看，这一上游产业的发展都至关重要。没有自主知识产权的芯片能有信息安全吗？能有网络安全吗？我们应从战略高度重视芯片在现代战争中的重要性！加大对集成电路产业的顶层设计与研发投入政策。我们缺什么？缺芯片的软件和硬件高度绑定的开发！最终形成能与Wintel和安卓相抗衡的自主技术体系。这种发展方式研发时间长、投资大、风险高，属于国家行为。三、困境之二：DFM的严重缺失近年来，对实施DFM的情况进行了一些调研，总体情况很差。大部分研究所和电子公司对DFM和DFR还处于初步认知状态，我们的设计师基本上不具备DFM的基本理念，不懂得设计应遵循的“游戏规则”，与IBM公司或华为公司无论在设计理念和管理理念上都至少相差15年以上。这种状态与我们曾经拥有的光荣历史、我们的地位及我们所承担的责任是极不相称的！如果我们军用电子产品的电路设计缺乏可制造性，就如同市场上的“假冒伪劣”产品，后果不堪设想。不少电子企事业单位对工艺的认识仍处于手工作坊式的境界，工艺性审核或不存在，或流于形式，或停留在人工审核状态，没有可制造性分析软件，更没有CBB；电路设计质量和工艺审核质量处于失控状态，处于设计人员不很了解PCB的设计规则、随心所欲、只求电路连通不讲设计规则、我行我素的状态，处于依赖工艺人员的经验和学识的状态，仍然需要依赖产品的多次投产来验证其正确性和可靠性；一台新产品新设计的比例太高，标准化、模块化的应用程度很低；工艺也并没有进行什么可制造性审查，所出现的一些设计缺陷大部分都属于低层次的错误。这其中还有一个管理问题——一些电子研究所或电子工厂没有独立的、强大的工艺研究部门，有的甚至没有专职工艺人员，把工艺仅作为现场照顾生产的情况。严重的问题是技术断层和人才断层。1.电子装联技术教育缺失目前国内还没有一家大学设置这个专业，与电子装联技术挂边的，如微组装专业和SMT专业也只有少数几个大学（清华大学、成都电子科技大学、西南交通大学、桂林电子科技大学等）。也就是说，国内从事电子设备设计和工艺的设计师及工艺师们在参加工作的初期对于电子装联技术的概念基本上都是零。而电子装联技术本身发展极快，已经从20世纪70年代的晶体管、20世纪80年代的SMT进入到现在的post-SMT和MPT时代。设计师和工艺师们在电子装联技术教育上尤其是DFM的严重缺失与高速发展的电子装联技术形成了极大的反差，从而造成电子产品质量的严重下滑。2.部分企业管理层误把设计缺陷作为“科研学费”对于大量的设计缺陷，我们的一些管理层要么无动于衷，要么自我感觉良好，他们似乎并不了解目前大学里并没有开设电子装联技术的相关专业；一个“忙”字，是永恒的、绝好的理由，对于培训，或应付，或不予重视，很难安排电路设计人员和工艺人员进行培训，不懂得“磨刀不误砍柴工”的道理，舍不得在对员工的培训上进行投入，希望职工能“通过工作”成长。也有些企业的领导宁愿为产品因缺乏可制造性反复投产而付出所谓的“研制费”，也不愿意真正为企业员工的成长花必要的学费！实际上，我们的电子研究所和电子工厂面临的压力是很大的，我们没有属于自己的大型平台，我们的产品基本上是配套设备，如果我们没有自己的优势，产品的设计质量和工艺水平滞后，那么在这个竞争日益激烈的市场环境中，我们时时处在被淘汰的危机之中。另一方面的问题是，我们一些电子研究所及生产企业把电子装联看得过于简单，总是希望能够通过一两次培训就能够一劳永逸；或者有些外行用SMT来取代复杂的电子装联，这是不符合实际的，也是不可能的。老一代工艺人员的相续退休及大学教育的缺失加剧了技术断层和人才断层。3.滞后的设计模式在制造业界，人们听得最多的一句话是：“我们的产品能够设计出来，就是做不出来。”所谓的“我们的产品能够设计出来”，实际上设计出来的产品往往是“纸上谈兵”！全部问题在于我们的电路设计与可制造性要求相差甚远。在电路设计领域，我们还在“摸着石头过河”，我们的设计师仍然不懂得设计必须掌握的工艺规则和必须遵循的禁限用工艺原则。我们的企业管理层仍然不了解先进的并行设计理念，不懂得把设计和工艺结合起来，不懂得把工艺和工艺过程控制结合起来，习惯于“就工艺论工艺”，满足于从设计后端参与进去，陶醉于工艺现场处理这种旧的思维和管理模式。随着新技术带来的组装密度的大幅度增加，随着用户对设计生产周期不断缩短的需求，随着电子产品可靠性要求的提高及产品外包模式的实行，有力地推动着可制造性设计的发展。没有可制造性设计作为强有力的技术支撑，任何产品外包，任何企业内部实行异地生产或研发生产异地分线管理，都必将是“水中月，镜中花”，都是违反科学发展观的。四、困境之三：不适应先进生产力发展的旧工艺管理体制我们现有的工艺管理体制存在的最大问题就是把工艺管理仅局限在工艺监控及现场工艺的一个层面上，忘记了工艺的职能是设计和制定共同遵守的法规，确保质量控制，忽略了DFM、产品导入和工艺试制这三个工艺工作的主要职责。调研表明，工艺管理体制有三种情况。其一，工艺集中在工艺研究室或工艺管理部门，占28%。其二，工艺管理由科技发展、科研生产、技术、质量等职能部门主管，作为职能部门，占42%。其三，工艺管理由生产制造部门主管（又称车间工艺组和工厂技术组），占26%，也有些单位的工艺由设计部门“包办代替”。这些工艺管理体制都不能兼顾科研和生产两头，没有条件开展具有前瞻性的工艺技术研究，更无法涉及工艺技术创新，是造成电装焊接质量问题的极其重要的原因之一！工艺管理体制和运行机制存在问题的根本原因就是，某些管理层不懂得什么是工艺，什么是生产，什么是现代化的工艺生产管理。部分管理层错误地认为：①产品研制生产中质量问题产生的主要原因是“工艺缺乏可操作性”；②只要有工艺，不管什么样的工人都可以完成焊接；③我们的产品能设计出来，就是做不出来，责任在于工艺；④除了设计，其余都应由工艺负责；⑤工艺就是一个生产管理；⑥工艺就是为生产服务，工人做不出来，工艺的责任就是去解决问题，只要不出问题，工艺工作就算做好了；⑦工艺的任务就是照顾生产和解决生产中的实际问题；⑧图纸是设计人员设计出来的，产品是工人做出来的，工艺有什么好做的；⑨“什么可制造性设计”，工艺就是设计怎么说，工艺就怎么做。我们一些管理层从骨子里看不起工艺和制造，认为工艺和制造都属于低层次的技术，谁都可以做；工艺和制造都属于低附加值的产业，体制改革的结果只应保留整机电路设计！这些管理层对工艺工作的多功能角色根本不了解，更谈不上“重视”二字！ 但是，只要科研或生产出了一点问题，工艺部门必定是首当其冲的被追究者，成了替罪羊，成了被“归零”的主要对象之一！五、困境之四：被严重低估了的工艺和制造价值1.把工艺和制造归属于低附加值产业的理念来源于“微笑曲线”理论“微笑曲线”把业务流程当作横轴而描绘出的利润率曲线。曲线左侧主要是研发、设计和材料采购；曲线右侧主要包括品牌、物流、渠道和金融。“微笑曲线”认为两端附加价值高、利润空间大，而“微笑曲线”下沉的中间地带，则代表了组装制造等附加价值最低的领域，如图1所示。图1微笑曲线制造阶段附加值低的根本原因是由于我们企业的管理层对制造阶段的管理水平低下，以及由研发阶段因设计缺陷转嫁给制造阶段，从而造成制造阶段成本增加、利润下降。同时由于制造阶段的管理水平低下和研发阶段设计缺陷所衍生的产品质量和可靠性问题给销售和售后服务带来巨大的灾难。“制造”应有的利润远远没有体现出来。近二三十年来违反科学发展观的过度开发，把各种虚拟经济凌驾于制造业之上，造成工匠精神和工匠缺失，严重制约了国家整体实力的提升，以至于在今天，我们电子信息产业的“芯”还在受制于人！2005年，日本通过对近400 家制造企业的调查，得出在“研究”“开发·设计·试制”“制造·组装”“销售”“售后服务”等业务阶段中，“制造·组装”利润率最高的结论，这就是所谓的“武藏曲线”，即和“微笑曲线”相反的拱形曲线——真正最丰厚的利润是在“制造”上，如图2所示。图2 武藏曲线把工艺和制造归属于低附加值产业的认识的根本原因是由于我们的企业并没有真正懂得工业化的管理层，也没有真正培养出一大批具有远见卓识的管理层，某些管理层不懂得什么是工艺，什么是生产，什么是现代化的工艺生产管理。缩短制造时间最根本的举措就是实行可制造性设计。“微笑曲线”看到的只是一次周转，但实际研发销售投入的资金巨大，回收时间长；组装制造如果可以周转快的话，就能获得丰厚的利润。改革开放四十年的企业是该告别粗放型而走向精益生产的时候了。几十年的我国市场经济的发展，培养了大批的经营人才，但是，却没有培养一批管理人才，致使由经营获得的大量资金、资源、机会和人才没有效率最大化，这是我国企业面临的最大问题。2.互联网时代需要“武藏曲线”在人们日益追求产品品质及人工、材料等成本日益提高的今天，对于一个制造类企业而言，其制造能力水平的高低已经限制了企业市场的拓展和长远发展空间。如何在提高自身产品竞争力的同时做到有效控制、减低制造成本？此两个方面的问题都使得企业不得不开始认真思考自己的生产管理，并试图打造一个有效运转的制造体系，提升产品的制造管理水平。而最有效的举措就是实施IPD和DFM。在互联网时代，工业4.0结合互联网的出现，涵盖智能工厂、智能生产、智能物流，以信息物理系统（CPS）为基础，实现信息化与自动化的高度集成，建立全球网络，整合其机器、仓储系统和生产设施，“武藏曲线”必将代替“微笑曲线”。六、被扭曲了的电子装联标准由于种种原因，我们很多设计人员和电子装联工艺人员接触到的大多是IPC一些设计标准，如IPC-7351等；或者一些质量判据，如IPC-610、IPC-620等；而对美国MIL军用标准和NASA宇航标准，我们知之甚少。当前国内电子业界以民用电子业界为代表，以各地电子学会的SMT专委会为平台，大张旗鼓宣传的只是IPC-610和IPC-620等，这是十分片面和容易起误导作用的。对此，我们从事军用电子产品研制生产的设计人员和工艺人员必须保持清醒的头脑。IPC标准与MIL标准之间存在较大的差距，不属于同一档次，对于军用电子产品，尤其是航天电子产品不能简单地引用IPC标准。如果IPC标准中的规定符合MIL标准规定的，我们可以采纳，如果低于MIL标准规定的，则必须抛弃。QJ标准及GJB标准很多内容及规定源于美国MIL标准，在军事电子产品需执行QJ标准。 这是我们制定与军用电子产品相关的标准必须予以密切注意的，千万不能将通用标准与军标混为一谈！还有一些更为严重的情况，我们的设计人员和工艺人员根本不了解设计和工艺需要遵循的标准！以电子信息行业来看：民用电子行业电子装联的验收判据100%引用美国IPC的标准；军用标准，包括航天标准在内，设计标准是参照美国IPC各类标准编写的，验收判据是按照美国NASA和MIL或欧洲空间局的标准编写的。什么时候我们才能有属于我们中国自己的“游戏规则”呢？为什么我们的“游戏规则”要受制于人？不是我们不能写，而是没有“婆婆”，长期以来，中国的制造业被打入“冷宫”，工艺和标准化更是被打入“十八层地狱”！还谈什么“游戏规则”？！根据陈正浩编著的<高可靠性电子装备PCBA设计缺陷案例分析及可制造性设计>改编长按二维码识别关注我们 查看全文
