DFX在汽车自动驾驶电子产品中的解读与应用
作者：麦格纳汽车电子（上海）有限公司 吴刚
伴随着无人驾驶和自动驾驶汽车的发展和智能化汽车的普及，汽车所包含的智能化车身电子产品出现爆发式增长（图1），全球市场规模已达2万亿，而国内市场规模接近万亿。而这井喷的市场背后，是汽车智能化对车身电子产品的更高要求：产品是否稳定，性能可靠？产品量产的一次性通过率如何？产品的成本可否再优化？产品的设计周期有无可能再缩短？ 这些新的挑战和要求，都要求我们对产品的设计有更全面和深入的分析。而此时DFX就凸显出其独特的价值。本文将重点介绍：
DFX的发展历史简述。DFX在汽车智能化产品的应用以及典型案例介绍。DFX对汽车智能化产品开发效率的提升。DFX常规建议流程。图1 1970-2025年乘用车汽车电子成本占比持续提升
一、DFX的发展历史简述
DFX是什么？普遍来说，有两种常规理解：一种对DFX的理解是Design For X（面向产品生命周期各环节的设计）的缩写，其中X就好比是未知数X，代表产品生命周期的某一环节或特性；另一种DFX的理解就是“DFX Design For Excellence ”，也就是我们普遍说的卓越设计。所以一般来说就是DFX设计方法是世界上先进的新产品开发技术，这项技术在欧美大型企业中应用非常广泛，指在产品开发过程和系统设计时不但要考虑产品的成本，功能和性能要求，而且要同时考虑产品整个生命周期相关的工程因素。只有具备良好的质量，可靠性和性价比的产品，才能在市场得到认可。DFX起源于DFM，当前DFM仍然是DFX中最重要的部分。DFM主要考虑制造的可能性，高效性和经济性，而DFX的目标是在保证产品质量与可靠性的前提下缩短产品开发周期，降低产品成本，提高加工效率等。
DFX思想最早于第二次世界大战时期。50年代末，长期的设计开发经验的积累形成DFX的初步原型。60,70年代后，DFX研究得到重视。自80年代以来，市场竞争的国际化，促使工业化不断寻求产品开发的新思路，新方法并应用于有竞争力的产品开发，DFX得到大力发展。（图2）
图2
DFX是覆盖整个产品周期。DFX作为新产品开发思想、手段和方法，必须覆盖产品的整个生命周期。产品生命周期：正如生物的诞生、成长直至消亡构成其生命周期一样，人类有意识地创造出来地人工物，包括各种产品也被赋予了生命，也有诞生、成长、消亡地过程。分别对应其开发过程，生产过程，使用过程和报废回收处理过程。这些过程构成了产品的生命周期。（图3）
图3
二、DFX在汽车智能化产品的应用以及典型案例介绍
回归到自动/无人驾驶汽车的车身智能产品，DFX在这个特定产品的领域中，包含更多更全的因素（图4）：
DFC Design For CostDFR Design For ReliabilityDFM Design For ManufacturabilityDFA Design For AssemblyDFT Design For TestabilityDFS Design For ServiceabilityDFP Design For PlatformDFE Design For Environment图4
DFC 面向成本设计
面向成本的设计（DFC）是指在满足用户需求的前提下，尽可能的降低成本，并通过分析和研究产品全生命周期的设计，加工制造，装配，检测，销售，使用，维护，回收和报废等多种成本因素，对原设计中影响产品成本的过高费用部分进行修改，最终达到降低成本的目标。（图5）
图5
以最低成本，在最短时间内生产出高质量的产品已成为制造企业竞争的焦点，其中成本已成为决定产品竞争力的核心因素，如何有效的降低成本是一个研究热点。降低产品成本方法很多，如企业产品成本核算等，但通过设计降低成本则是最有效的。有数据显示，设计阶段的实际投入费用虽然只占产品总成本的5%，但是决定了70%-80%的产品成本。如何在产品设计初期准确的估算出产品成本并提出有效降低成本的设计修改方案是成本问题的研究难点。比如下面的案例，我们使用可以将阻值接近的电阻合并？这样一来有利于供应链，库存管理，增加议价能力，二来提高生成效率。（图6）
图6
图6
面向成本的设计（Design For Cost）和按费用设计（Design To Cost）是不同的。DFC和DTC的不同之处主要在于：DFC是一种设计方法，DTC在很大程度上属于管理方法；DFC主动的运用各种方法降低产品的成本，而DTC是为了获得一个满足给定的目标成本并符合用户需求的设计。两者的相同之处主要体现在设计入手考虑产品的生命周期成本。从两者对成本的重视程度，对设计的改进和生产的时间顺序看，可以说DFC是DTC的进一步发展。
DFQ/R 面向质量/可靠性设计
面向质量和产品可靠性的设计（Design For Cost），将一系列的质量保证措施与设计系统有机的集成，在设计节点进行质量保证的方法，在产品和过程设计阶段就开始质量保证。产品的质量和可靠性是汽车智能化产品的生命，必须满足和保证整个产品的生命全周期。（图7）一般采用以下方法：
质量功能配置QFD（Quality Function Deployment）,故障模式和效益分析 FMEA（Failure Mode and Effect Analysis）鲁棒性设计 RD（Robust Design）优化设计质量信息反馈图7
DFQ/R 面向质量/可靠性设计—金属晶须案例
汽车智能产品一般采用压接的连接器，额外的应力有可能产生晶须，而晶须对电子产品的长期可靠性存在着实际的威胁，目前工业界更为关注的是如何采取有效的措施来抑制锡须的生长。一般规律是避免镀层内部产生内应力，以下几种方法可作为参考：
在纯锡中加入少量其他金属元素防止锡须的产生，如铅，铋，锑等。在焊料中加入少量的第三种元素，可以有效地减少锡须生长的驱动力。减弱锡氧化层的保护性质。采用暗锡镀层。因为暗锡的晶粒尺寸往往要比亮锡的大，改变其结晶结构，使得镀层的内应力减小。使用下镀层，锡与基材铜形成的IMC层，使得锡层内应力迅速增加，导致锡原子沿着晶界扩散，会加速锡须的生长，因此在使用镍层作为下镀层时，镍层可以作为隔离层。减少镀层在空气中的暴露，防止生成过多的氧化物，有利于减少镀层内部的内应力。（图8）防止锡镀层收到外界机械应力及刮擦，以为外界机械应力或刮擦会在镀层表面形成薄弱区域，在内应力作用下，锡须更容易从这些薄弱区域内生长出来。（图9）图8
图9
DFQ/R 面向质量/可靠性设计-焊接可靠性案例
汽车智能产品的可靠的功能安全性要求极高，需要在恶劣的环境中使用18到20年，或在自动出租车、卡车上持续使用。同时随着芯片的发展，对SMT焊接挑战日益提升。针对产品设计，有以下几点建议：
元器件芯片的选择阶段，需要考虑Die to Body ratio.一般越大的D/B ratio，可靠性越低。同时molding成分也很重要。PCB基材选择阶段，需要选择合适CTE的基材。避免PCB的CTE和元器件芯片CTE的不匹配。Footprint设计必须合理，包括焊盘设计，钢网开孔设计，绿油开窗设计......元器件布局间距必须合理。以便于在特殊情况下有足够空间允许钢网开窗的适当偏移。机械设计上增加gasket。（图10）图10
DFQ/R 面向质量/可靠性设计-表面涂敷案例
汽车智能产品对IP(International Protection）的要求日益提升，要求产品有更好机械密封性设计。此外，很多产品要求涂敷三防漆提高产品耐高低温性能，起到绝缘，防潮，防漏电，防震，防尘，防腐蚀，防老化，耐电晕等性能。针对产品设计建议：
PCB产品的设计使用堵孔设计。避免开孔带来的胶水渗漏和厚度超标等问题。（图11）核心电子元器件必须放置在喷敷区域。（图12）元器件间隙需要合理。特比是高元器件需避免和喷嘴的干涉。喷涂区域的最小宽度需要合理化。必须在设备的能力范围内。喷涂区域设计需要合理，必须兼顾喷嘴移动路径来优化CT。（图13）图11
图12
图13
DFM 面向制造设计
汽车智能产品正在由资金扶持，Demo合作的阶段向技术上车，量产落地迁移，在产品设计时，必须考虑量产的生产效率，报废率，人机工程等等：
元器件选型时，必须考虑量产效率以及可检测性。尽量选择标准封装元器件且极性标识清晰。（图14）对于电子元器件的焊盘设计，必须满足产品可焊接性，稳定性要求。电子元器件的布局必须合理，留有合适的间隙便于检测和维修。机械设计上避免不必要的精度要求，产品整体做好公差叠加分析。产品整体组装部件总数必须优化，减少零件总数。零件的方位保持一致，适合自动化生产。（图15）建议使用模块化，平台化部件，如有类似部件，必须设计合理的poka-yoke。（图16）图14
图15
图16
DFT 面向测试设计
汽车智能产品集成度密度高，相对应的对产品的可测性，可控性，可观测性也有更高要求。在产品设计时必须考虑：
整体产品设计时，必须进行测试覆盖率分析和计算。特别是核心项的测试覆盖。（图17）产品设计时，需考虑失效检测应尽早被探测。以减少产品失效带来的损失。测试点尺寸大小，以及和元器件间隙，必须考虑量产能力。整体测试点的布局，必须均衡。（图18）电子元器件选型时，建议首选带boundary的元器件。（图19）图17
图18
图19
DFP 面向平台化设计
汽车智能产品是一个全球化命题。产品必然会要求平台化，以便减少成本，缩短研发周期，简化生产以及设计步骤，同时能够提高质量。此外，平台化能缓解突发的地区和国际事件，对公司的影响（图20）：
产品整体设计时需考虑部件的定位，哪些部件可标准平台化，哪些部件可差异化定制。核心平台化部件的验证要求要采用最严苛方式。核心平台化部件中原材料的选择建议使用dual source战略。核心平台化部件中原材料力求是全球可采购的材料。产品工业化的平台化。做到夹具和生产核心参数在不同工厂间一致。图20
DFE 面向环境设计
汽车智能产品将加速与新材料,大数据,人工智能等变革性新技术融合,对DFE的要求也随之变革.针对DFE的设计有以下几点建议（图21、图22）：
产品设计中需要考虑产品的可回收性，这就要求产品的可拆卸性需要提高产品使用的材料必须符合政府的法律法规产品硬件设计中，散热，电源，元器件均要考虑产品软件设计中，软件算法，通信协议，数据库管理均要考虑系统设计和工艺设计也均要考虑图21
图22
三、DFX对汽车智能化产品开发效率的提升
汽车智能化产品对DFX提出了更高的要求，在实现DFX的过程中，除了常规的人工检测，更期许软件工具的自动检测进行协助。比如，Valor目前是一款主流的软件工具。（图23、图24）
规则全面，设置简单。可设置近800设计规则，支持各种各样的加工工艺，可全面模拟真实生产过程。规则可进行分级管理。各种规则可按产品，部门，客户，供应商等不同种类进行分类管理。数据覆盖面宽广。支持各种智能化数据如ODB++,GenCAD，TATF等；支持各种EDA数据包括Mentor,Cadence,Alium,Zuken,PCAD等。检查种类多。可根据不同产品进行合适的便捷选择。如毫米波雷达，摄像头，激光雷达，ADAS，HDLM，DMS等。软件操作简单且可进行图形对比。可直接对不同版本图形进行之际比对，可直接图示化不同版本区别。强大的VPL库。 Valor提供全球8000家主要元件供应商的产品模型，每个模型具有精确的3D数据，准确的引脚数据（数量，间距，长宽等）......图23
图24
汽车智能化产品对散热提出新的课题。FloTHERM是目前主流热分析软件，其用户比所有同类竞争对手用户总和还多。软件主要有以下几个模块：
FloTHERM- 核心热分析模块，利用它可以完成从分析模型建立、网格生成、求解计算到分析报告等所有基本功能；Command Center- 优化设计模块，进行目标驱动的自动优化设计，可以进行产品温度、系统流场、重量及结构尺寸等方面的自动优化设计；支持DOE(实验设计法)，SO(循序优化)，RSO(响应面法优化)等先进优化方法；Visual Editor-先进的仿真结果动态后处理模块，用于仿真结果的图形和动画输出；Flo/EDA- 电子电路设计软件(EDA)高级接口，不但直接EDA软件的IDF格式PCB板模型导入，还有直接接口读入Cadences/Allegro、Mentor/ Boardstation 及Zuken/CR5000等EDA软件走线、器件参数、过孔等详细模型，并设置各种器件过滤选择；FloMCAD.Bridge- 机械设计CAD(MCAD)软件接口模块，用于机械CAD软件的模型导入和导出；FloTHERM.PACK- 基于互联网的标准IC封装热分析模型库，用于芯片热封装模型的模型建立。（图25、图26）图25
图26
四、DFX常规建议流程
合理的DFX流程，可显著的减少产品的更改次数，缩短产品上市周期，降低产品成本，提高产品质量和可靠性，将问题解决在设计阶段，而不是让问题产品进入市场后才发现，造成巨大的浪费和损失。（图27）
成功的实施DFX，需要尽早让DFX设计团队介入，在项目启动前就进行相关讨论。在前期阶段确定产品特性和核心元器件，将公司利益最大化。
图27
DFX对人员素质的要求
DFX是跨多个学科，从业人员需有电子硬件设计，机械设计，软件设计，散热/应力仿真，产品工业化以及新材料，人工智能，数据分析等知识。具备产品设计开发，生产工业化，质量可靠性，产品综合成本控制以及供应链，市场等综合复合型能力。
图28
可见DFX设计不仅是一个技术工作，还是一个管理工作，因为DFX的实施必须有流程的保证和平台的支撑，只有流程建立了，节点定义了，人员责任明确了，技术积累达到了，DFX的工作才能落实。
总之，随着自动/无人驾驶汽车的普及，智能化车身电子产品必将出现井喷趋势。同时，汽车智能化程度的提高，对其车身电子产品的要求也随之更为严苛，需要考虑的因素将更多且复杂。此时，DFX是必不可少的一个环节。从产品需求到产品生成，从产品成本到产品性能，从产品平台化到产品ESG。希望此文，能帮助更多从事和即将从事智能汽车的小伙伴。
作者简介：
吴刚，麦格纳汽车电子（上海）有限公司亚太区高级经理。20年以上世界500强研发、供应链管理和产品检测经验。服务过英特尔，高通，施耐德电气，李尔电子，麦格纳等多家全球500强外企，精通产品开发和测试，生产制造，供应链管理等。参与制定和修正多个国内和国际行业标准。
芯连万物，智启未来——2025电子元器件及汽车电子技术展览会
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❶❼❼⓸⓷❺❺尾号⓪❸⓽❷或❶⑤⓺⓪
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结语
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