Design für die Herstellbarkeit beginnt bei der Bauteilauswahl

Zwei Wochen vor einem Pilotaufbau erfährt ein Team, dass der Board-to-Wire-Steckverbinder, der Monate zuvor aufgrund seiner Strombelastbarkeit ausgewählt wurde, auf „not recommended for new designs“ (NRND) gesetzt wurde. Der einzige Distributor, der ihn führt, hat weniger Einheiten auf Lager, als für den Aufbau benötigt werden, und der Hersteller nennt 40 Wochen Lieferzeit für die Wiederbeschaffung. Die nächstliegende Alternative passt zum selben Kabel, verwendet jedoch einen anderen Footprint und ist etwa einen Millimeter höher.

Also routet der Elektroingenieur den Steckverbinderbereich neu. Das höhere Gehäuse kollidiert nun mit einem Gehäusedom, und der Konstrukteur muss den Dom versetzen und das Werkzeug neu kalkulieren lassen, wodurch sich der Zeitplan für den Pilotaufbau um mehrere Wochen verschiebt.

All diese Nacharbeit lässt sich auf die ursprüngliche Wahl des Steckverbinders zurückführen. Das Teil stammte von einem einzigen Hersteller und war bereits am Tag der Auswahl nur dünn bevorratet, wobei die Entscheidung allein auf elektrischen Spezifikationen basierte. Bis zur NRND-Mitteilung hat es niemand erneut überprüft. Design for Manufacturability (DFM) bringt Produktionsanforderungen in diese frühen Entscheidungen ein, hält sie bis zur Freigabe unter Überprüfung und sorgt bei den meisten elektronischen Produkten dafür, dass Maschinenbau und Elektrotechnik sie gemeinsam festlegen.

Wichtige Erkenntnisse

• Frühe Entscheidungen zu Komponenten, Architektur und Fertigung legen die wesentlichen Kostentreiber eines Produkts fest, daher sollten Produktionsanforderungen bei diesen Entscheidungen berücksichtigt werden.
• Prüfen Sie Lebenszyklusstatus, Gehäuseform und Lagerbestand beim Distributor bereits bei der ersten Teileauswahl und dokumentieren Sie dann eine qualifizierte Alternative oder einen Maßnahmenplan in der BOM.
• Reduzieren Sie die Zahl einzigartiger Teile mithilfe einer Preferred-Parts-Liste, und holen Sie die Stackup-Optionen und Impedanztoleranzen des Fertigers ein, bevor Sie das Stackup festlegen.
• Lassen Sie Maschinenbau und Elektrotechnik frühzeitig gemeinsame Entscheidungen wie die Steckverbinderauswahl und Bauteilhöhen zusammen festlegen.

Wo die Fertigungskosten festgelegt werden

Eine seit Langem bestehende Faustregel in der Kostenschätzungsforschung besagt, dass rund 70 % der Produktkosten in der frühen Entwicklungsphase festgelegt werden. David M. Anderson, Autor von Design for Manufacturability, beschreibt dasselbe Muster in Budgetbegriffen: Wenn ein Design abgeschlossen ist, wurden erst etwa 8 % des Produktbudgets ausgegeben, doch das Design hat bereits rund 80 % der Kosten festgelegt. Beides sind Näherungswerte, und beide sagen dasselbe: Die Kosten werden früh festgeschrieben.

Jede Projektphase baut auf den zuvor getroffenen Entscheidungen auf; je später ein Problem entdeckt wird, desto teurer ist seine Behebung in der Regel. Eine NASA-Studie zur Eskalation von Fehlerkosten in großen Hardware- und Softwaresystemen quantifizierte dieses Wachstum und stellte fest, dass ein Anforderungsfehler, dessen Behebung in der Anforderungsphase 1 Einheit kostet, während der Entwicklung 3 bis 8 Einheiten, beim Aufbau 7 bis 16 Einheiten und während Integration und Test 21 bis 78 Einheiten kostet.

Ein großer Teil dieser festgelegten Kosten geht auf eine Handvoll alltäglicher Designentscheidungen zurück. Die folgenden vier Praktiken adressieren diejenigen, die Maschinenbau- und Elektroingenieure am direktesten beeinflussen können.

Vier DFM-Praktiken, die Kosten senken, bevor das Layout beginnt

1. Das Design vereinfachen

Design for manufacture and assembly (DFMA), die von Geoffrey Boothroyd und Peter Dewhurst entwickelte Methode, beginnt bei der Teileanzahl, denn jedes entfernte Teil eliminiert seine Beschaffungs-, Montage- und Lagerkosten sowie potenzielle Ausfallmodi. Boothroyd Dewhurst berichtet, dass DFMA-Reviews reifer Produkte die Kosten typischerweise senken um 15 bis 40 %, ohne die Funktion zu verändern.

Die Reduzierung sowohl der Gesamtzahl der Bestückpositionen als auch der einzigartigen BOM-Positionen spart auf unterschiedliche Weise Geld. Weniger Bestückpositionen verkürzen die Montagezeit, während weniger einzigartige Positionen Rüstvorgänge an Feedern und Lagerbestände reduzieren können. Verfolgen Sie beides und bewegen Sie diese Kennzahlen in die richtige Richtung, indem Sie Funktionen in weniger Bauteilen zusammenfassen, jeden Widerstands- oder Kapazitätswert hinterfragen, der in der BOM nur einmal verwendet wird, und Schnappverbindungen gegenüber losen Befestigungselementen bevorzugen.

Vereinfachung erstreckt sich auch auf die Fertigungslinie. Dazu gehören Gehäuse mit einem Pitch, den der Bestücker zuverlässig platzieren und prüfen kann, Freiräume für Inspektion und Nacharbeit rund um dichte Bauteilbereiche sowie Testpunkte, die gesetzt werden, bevor das Routing die Leiterplatte füllt.

2. Komponenten und Materialien standardisieren

Mit einer Preferred-Parts-Liste wird Standardisierung zur täglichen Gewohnheit. Anderson, der Standardisierungsprogramme für Teile bei Intels Systems Group leitete, berichtet, 20.000 Teile auf eine bevorzugte Liste von 500 konsolidiert und 2.000 Widerstands-, Kondensator- und Diodenwerte auf 35 reduziert zu haben.

Für eine bevorzugte Liste sind als nützliche elektrische Standardvorgaben unter anderem gängige passive Bauformen wie 0402 und 0603, eine kurze Liste von Standardwerten sowie ein Laminat und eine Oberflächenbeschichtung pro Produktfamilie sinnvoll. Mechanische Standardvorgaben umfassen Standard-Blechdicken, Befestigergrößen und Abstandshalter. Jedes davon muss weiterhin die elektrischen, thermischen und Zuverlässigkeitsanforderungen des Produkts erfüllen. Die Teile, die Ihr Team bereits auf den letzten drei Leiterplatten gekauft, bestückt und getestet hat, sind ein guter Ausgangspunkt für diese Liste, nachdem Lebenszyklusstatus und Lagerbestand erneut geprüft wurden.

In einer peer-reviewten Studie zur Materialstandardisierung in der Kleinserienfertigung vereinfachte die Reduzierung der Anzahl von Materialpositionen von 32 auf 19 das Lieferantenmanagement und die Wareneingangsprüfung.

3. Teile auswählen, die Sie auch kaufen können

Verfügbarkeit, Lebenszyklusstatus und Second-Source-Optionen eines Teils gehören neben Spannungs- und Stromwerten in die Designspezifikation, denn alle drei Faktoren können beeinflussen, ob ein Layout ohne Redesign in die Produktion gelangt. Z2Data schätzt die Kosten von obsoleszenzbedingten Redesigns auf 20.000 US-Dollar bis fast 2 Millionen US-Dollar, und seine Analyse ergab, dass 52 % der mehr als 620.000 Teile, die 2025 obsolet wurden, zuvor keine Product Change Notification erhalten hatten.

Ein anfänglicher Sourcing-Check prüft vier Dinge:

• Lebenszyklusstatus: aktiv, ohne NRND- oder End-of-Life-Mitteilung.
• Lagerbestand: autorisierter Lagerbestand in den für den Aufbau benötigten Mengen.
• Lieferzeit: kurz genug, um in den Aufbauzeitplan zu passen.
• Alternative: ein Kandidat, der in mehr als nur der Pinbelegung übereinstimmt, oder ein Maßnahmenplan, falls keine Alternative existiert.

Wenn der elektrische Rahmen — einschließlich Spannungs-, Strom-, Toleranz- und Package-Grenzen — vor der Teileauswahl definiert wird, wird dieser Check einfacher, weil eine parametrische Suche dann Kandidaten liefern kann, die diese Filter erfüllen, einschließlich Alternativen anderer Hersteller. Dasselbe Beschaffungsrisiko gilt für mechanische Teile wie Steckverbinder, Schalter und Kühlkörper, bei denen eine einzige Substitution Leiterplattenkontur, Gehäuseausschnitt und Gegenkabel verändern kann.

Die Prüfung zum Zeitpunkt der Auswahl gibt dem Team Zeit, Alternativen zu bewerten. Ohne diese Prüfung kann ein Beschaffungsproblem erst bei den Vorbereitungen für den Pilotaufbau sichtbar werden; dann kann eine Substitution Änderungen sowohl an der Leiterplatte als auch am Gehäuse erzwingen.

4. Innerhalb dessen entwickeln, was der Leiterplattenfertiger bauen kann

Stackup, kontrollierte Impedanz und Via-Strukturen sind die Bereiche, in denen sich DFM und Signalintegrität überschneiden. Wenn der Fertiger das Stackup wie entworfen zuverlässig herstellen kann, liegen die fertigen Leiterbahnen näher an dem, was die Simulation vorhergesagt hat. In einem Artikel von Sierra Circuits rät der Signalintegritätsspezialist Rick Hartley von RHartley Enterprises Designern, die Fähigkeiten des Fertigers zu kennen und ihre Designs daran auszurichten.

Das läuft auf einige wiederkehrende Entscheidungen hinaus:

• Symmetrische Stackups begrenzen Verzug und Verdrehung während Laminierung und Reflow.
• Vorrätige Dielektrikumsdicken vermeiden Sonderbestellungen von Material und die damit verbundene zusätzliche Lieferzeit.
• Die einfachste Via-Struktur, die Routing- und Montageanforderungen erfüllt, hält die Fertigungskosten niedrig. Spezifizieren Sie gefüllte und gekappte Vias nur dort, wo die Via-Struktur sie erfordert, etwa bei Via-in-Pad und gestapelten Microvias.
• Realistische Impedanztoleranzen passen zum Prozess des Fertigers. Sierra Circuits kann zum Beispiel ±10 % einhalten und in Sonderfällen ±5 %.

Ein Design, das engere Toleranzen verlangt, als der Fertiger zuverlässig erreichen kann, riskiert ein Redesign und einen zweiten Fertigungszyklus. Wenn Stackup und Teile festgelegt sind, können Layoutregeln die verbleibenden Randbedingungen durchsetzen, wie in unserem Artikel zu den acht häufigen DFM-Problemen, die Designregeln erkennen, beschrieben.

Wo sich mechanisches und elektrisches DFM treffen

Mehrere der oben genannten Praktiken betreffen Teile und Merkmale, die zu beiden Disziplinen gehören: Steckverbinder, hohe Bauteile, die Leiterplattenkontur, Montagebohrungen und die Standardhardware, die die Baugruppe zusammenhält.

Wenn diese Schnittstellen bereits beim Blockdiagramm und der ersten Gehäuseskizze abgestimmt und dann vor detaillierter Platzierung und verbindlichen Entscheidungen zur Gehäusewerkzeugauslegung weiter verfeinert werden, bleiben beide Designs aufeinander abgestimmt. Werden die gemeinsamen Teile in die Preferred-Parts-Liste aufgenommen, wird diese Abstimmung in das nächste Produkt übernommen. Sobald die CAD-Arbeit begonnen hat, kann ein synchronisierter Workflow zwischen elektronischem und mechanischem CAD (ECAD-MCAD) dies aktuell halten, wie in unserem Artikel zur ECAD–MCAD collaboration beschrieben.

Checkliste: DFM-Praktiken, die vor Layoutbeginn angewendet werden sollten

Die vier oben genannten Praktiken decken viel ab, aber die wichtigsten Entscheidungen gruppieren sich meist um dieselben wiederkehrenden Prüfpunkte. Nutzen Sie diese Liste, um sicherzustellen, dass vor Layoutbeginn nichts übersehen wird. 

• Legen Sie Zielwerte sowohl für die Gesamtzahl der Bestückpositionen als auch für die einzigartigen BOM-Positionen fest und verfolgen Sie sie bei jeder Überprüfung.
• Erstellen Sie eine Preferred-Parts-Liste auf Basis der Teile Ihrer letzten drei Leiterplatten.
• Prüfen Sie Lebenszyklusstatus, autorisierten Lagerbestand und Lieferzeit für jedes neue Teil bei der Auswahl und erneut vor der Freigabe.
• Dokumentieren Sie für jedes Teil eines Einzelherstellers eine qualifizierte Alternative oder einen Maßnahmenplan in der BOM.
• Legen Sie Steckverbinder, hohe Bauteile und die Leiterplattenkontur gemeinsam über mechanisches und elektrisches Design hinweg fest, bevor die detaillierte Platzierung beginnt.
• Holen Sie die Stackup-Optionen und Impedanztoleranzen des Fertigers ein, bevor Sie das Stackup festlegen.
• Wählen Sie die einfachste Via-Struktur, die Routing- und Montageanforderungen erfüllt, und spezifizieren Sie Füllung und Kappung nur dort, wo die Struktur dies erfordert.
• Bestätigen Sie den Zugang für Inspektion und die Platzierung der Testpunkte, bevor das Routing die Leiterplatte füllt.

Wie Octopart die fertigungsgerechte Teileauswahl unterstützt

Der Sourcing-Check geht am schnellsten, wenn Daten zu Lebenszyklus, Lagerbestand und Gehäuseform an einer Stelle verfügbar sind. Die parametrische Suche von Octopart kann Bauteile nach Gehäuse, Montageart und Abmessungen filtern und zeigt in den Ergebnissen den Lebenszyklusstatus, Lagerbestand und die Lieferzeit an. Octopart bezieht Preise und Verfügbarkeiten für viele zehn Millionen Bauteile von Hunderten Distributoren. Auf jeder Bauteilseite werden aktuelle Angebote aufgeführt und – sofern verfügbar – der Bestandsverlauf, der anzeigt, ob ein Bauteil über längere Zeit zuverlässig auf Lager war oder der Bestand im Lauf der Zeit knapp wurde. Datenblätter sowie verfügbare Symbole, Footprints und 3D-Modelle helfen Ingenieuren bei der Bewertung des Bauteils, einschließlich seiner Passform und notwendiger Abstände. Auf den Bauteilseiten wird außerdem angezeigt, wie viele Distributoren das jeweilige Bauteil auf Lager führen. Ein Bauteil, das nur von einem einzigen Distributor geführt wird – wie der Steckverbinder im einleitenden Beispiel –, stellt ein Single-Source-Risiko dar, das vor dem Layout behoben werden sollte.

Sobald Bauteile in eine Stückliste übernommen werden, zeigt das Octopart BOM Tool für jede Position den Lebenszyklusstatus, den Preis und den Lagerbestand an, sodass das Team riskante Bauteile noch vor Beginn des Layouts durch Alternativen ersetzen kann.

Bevor Ihr nächstes Design in das detaillierte Layout übergeht, führen Sie die Beschaffungsprüfung für dessen Stückliste durch und bestätigen Sie den Layeraufbau mit Ihrem Leiterplattenfertiger, solange sich beides noch leicht ändern lässt.

Suchen Sie Ihr nächstes Bauteil auf Octopart, um seinen Lebenszyklusstatus, den Lagerbestand bei Distributoren und mögliche Alternativen zu prüfen, bevor das Layout beginnt →

Häufig gestellte Fragen zu Design for Manufacturability

Was ist Design for Manufacturability (DFM) in der Elektronik?

DFM ist die Praxis, ein Produkt so zu entwickeln, dass es zu den niedrigstmöglichen praktikablen Kosten gefertigt, montiert und getestet werden kann. In der Elektronik umfasst dies die Auswahl der Komponenten, den Layeraufbau und die Via-Auswahl, Layoutregeln sowie die mechanischen Merkmale, die die Leiterplatte mit ihrem Gehäuse teilt.

Worin unterscheidet sich DFM von Design for Assembly (DFA)?

DFA konzentriert sich auf das montierte Produkt und fragt, ob jedes Teil notwendig ist und wie einfach es gehandhabt und eingesetzt werden kann. DFM konzentriert sich darauf, wie jedes verbleibende Teil – einschließlich der unbestückten Leiterplatte – hergestellt wird. Boothroyd Dewhurst fasst beides als DFMA zusammen und wendet zuerst DFA an, da für ein Teil, das eliminiert werden kann, seine Fertigung nicht optimiert werden muss.

Was sollte ein Ingenieur prüfen, bevor er ein Bauteil zu einer Stückliste hinzufügt?

Blicken Sie über das Datenblatt hinaus und prüfen Sie den Lebenszyklusstatus des Bauteils, die Bestandstiefe bei autorisierten Distributoren, die aktuelle Lieferzeit und ob gleichwertige Alternativen von anderen Herstellern verfügbar sind. Bei einem Bauteil eines einzelnen Herstellers sollte entweder eine qualifizierte Alternative vorhanden sein oder eine dokumentierte Gegenmaßnahme, etwa ein vereinbarter Lagerpuffer oder ein geplanter Redesign-Pfad.

Wie gilt DFM für das mechanische Design?

Mechanisches DFM in der Elektronik umfasst die Platinenkontur, Befestigungsmerkmale, Bauteilhöhen, die Platzierung von Steckverbindern und die Passform im Gehäuse sowie die Auswahl von Befestigungselementen und Hardware, die die Montagezeit bestimmen.

Wie verkürzt DFM die Time-to-Market?

DFM reduziert fertigungsbedingte Verzögerungen, die durch Ablehnungen in der Fertigung, Nacharbeit bei der Montage und späte Bauteilersetzungen verursacht werden. Standardbauteile, gut verfügbare Komponenten und fertigungskompatible Layeraufbauten verkürzen außerdem die Angebotserstellung, Beschaffung und Einrichtung der Montage, sodass der erste Build schneller in die Fertigung gelangt.