DFM/DFA-Anforderungen im Systems Engineering

Wie im vorherigen Artikel besprochen, ist es beim Entwerfen einer Leiterplatte essentiell, eine Reihe von technischen Anforderungen zu berücksichtigen, die sich auf Funktionalität, Stromverbrauch, Größe, elektromagnetische Verträglichkeit usw. beziehen. Jedoch sind die Anforderungen an die Fertigbarkeit und Montage genauso wichtig. Ein Hochleistungsschaltkreis zu entwerfen, der alle funktionalen Spezifikationen oder regulatorischen Anforderungen erfüllt, wäre zwecklos, wenn das Design nicht fertigbar ist oder wenn es Montageprobleme gibt, die die Produktionskosten erhöhen oder im schlimmsten Fall das Produkt unrentabel machen könnten.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns darauf, wie man das Anforderungsmanagement angeht, um sicherzustellen, dass ein Design fertigbar ist und montiert werden kann. Insbesondere werden wir diskutieren, wie CAD und CAM innerhalb des Managementsystems integriert werden können, wobei nicht nur die im vorherigen Artikel umrissenen technischen Anforderungen berücksichtigt werden, sondern auch die Faktoren, die die Herstellung und Montage eines Schaltkreises beeinflussen (wie Leiterbahnbreiten, Abstände, Bohrungen, Masken, Bauteilplatzierung usw.).

Einführung in DFM/DFA

Sowohl PCB-Hersteller als auch Montagebetriebe erfordern, dass die entworfenen Schaltungen herstellbar und montierbar sind. Dies unterstreicht die Notwendigkeit, spezifische Entwurfsregeln oder Richtlinien zu befolgen, die die verschiedenen Stufen und Technologien, die in der PCB-Herstellung verwendet werden, sowie die unterschiedlichen Montagetechniken berücksichtigen, um sicherzustellen, dass das Produkt sowohl herstellbar als auch montierbar ist. Diese Notwendigkeit führt zu den Konzepten DFM (Design for Manufacturability) und DFA (Design for Assembly).

• DFM, oder Design für die Fertigung, ist die Menge an Prozessen, Regeln und Richtlinien, die während der Entwurfsphase befolgt werden müssen, um sicherzustellen, dass eine gedruckte Schaltkarte (PCB) mit den aktuellen Fertigungstechnologien und -beschränkungen hergestellt werden kann.
• Ähnlich ist DFA, oder Design für die Montage, die Menge an Prozessen, Regeln und Richtlinien, die während der Entwurfsphase befolgt werden müssen, um sicherzustellen, dass eine gedruckte Schaltkarte (PCB) mit den aktuellen Montagetechnologien und -beschränkungen montiert werden kann.

Bei der Erstellung eines Designs müssen wir folgende Fragen berücksichtigen:

• Kann die PCB, die wir entwerfen, hergestellt werden?
• Hätte sie anders entworfen werden können, um Kosten zu optimieren?
• Kann sie mit automatisierten Prozessen montiert werden?
• Erfordert sie manuelle oder komplexe Prozesse, die die Kosten erhöhen?
• Gibt es Lagerprobleme?

Alle diese Fragen können durch die Konzepte von DFM (Design for Manufacturability) und DFA (Design for Assembly) angegangen werden. Obwohl es keine verpflichtenden Vorschriften gibt, ist es wesentlich, einen Schaltkreis mit grundlegenden Herstellbarkeitsregeln zu entwerfen, um sicherzustellen, dass das Design herstellbar ist. Andernfalls könnten wir unangenehme Überraschungen erleben, sobald wir die Fertigungsdokumentation an den ausgewählten Hersteller senden. Das Gleiche gilt für Designregeln, die auf die Montage der elektronischen Platine abzielen. Wenn keine angemessenen Designrichtlinien für eine machbare automatisierte Montage befolgt werden, werden wir auf erhebliche Produktionsprobleme stoßen, die manuelle und komplexe Prozesse erfordern, welche die Kosten für die Montage der elektronischen Platine erhöhen werden.

Es ist wichtig zu beachten, dass jeder Hersteller unterschiedliche Fähigkeiten hat, basierend auf den Prozessen und Maschinen, die sie verwenden. Daher können wir sagen, dass DFM/DFA herstellerabhängig sind. Beispiel: Ein Hersteller mit der Fähigkeit, eine 8-Lagen-PCB zu fertigen, kann keine 12-Lagen-PCB herstellen aufgrund seiner Fertigungskapazitäten.

Da die Designs komplexer werden (mit mehr Schichten, höherer Dichte, kleineren Leiterbahnbreiten und -abständen, kleineren Bohrdurchmessern, blinden oder vergrabenen Vias usw.), wird DFM zunehmend komplexer. Infolgedessen gibt es mehr Designregeln zu berücksichtigen, und es wird kritischer, diese Regeln einzuhalten, um sicherzustellen, dass eine PCB hergestellt werden kann.

Daher sind die Ziele von DFM/DFA:

1. Prozesse, Regeln und Designrichtlinien definieren.
2. Sicherstellen, dass das Design herstellbar und montierbar ist.

Um all dies zu vereinfachen, wurde 1957 das Institute of Printed Circuits (IPC) gegründet, das den IPC-Standard entwickelt hat, der Designer und Hersteller bei der Aufgabe unterstützt, herstellbare Designs zu erstellen. IPC-Standards berücksichtigen die verschiedenen Fertigungstechnologien und -beschränkungen, und basierend darauf wurden verschiedene Dokumente erstellt, die verschiedene Designbereiche ansprechen. Der IPC-Standardsbaum wird unter dem folgenden Link gezeigt.

Obwohl der IPC-Standard aufgrund der großen Anzahl von Regeln, die er umfasst, einen eigenen Artikel verdienen würde, ist es erwähnenswert, dass es einen Satz von Regeln für das Design von starren, flexiblen und Starr-Flex-PCBs (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx) gibt, sowie einen Satz von Regeln, die sich auf das Design für die Montage beziehen (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Zusammenhalt zwischen CAD/CAM und DFM/DFA

CAD und CAM beziehen sich jeweils auf computerunterstütztes Design und computerunterstützte Fertigung.

So wie Designer CAD-Tools nutzen (ECAD im Falle von Elektroingenieuren), wie zum Beispiel Altium Designer, verwenden Hersteller andere Werkzeuge, die sie bei der PCB-Herstellung, Montage und verwandten Prozessen unterstützen, bekannt als CAM-Software. Beispiele hierfür sind CircuitCAM8 oder jede spezifische Software, die in eine automatische Montagemaschine (Pick & Place) integriert ist. 

Aus der Perspektive des Designprozesses (CAD) geben Ingenieure, basierend auf DFM/DFA-Richtlinien, Regeln in das Designwerkzeug ein (z.B. unter Verwendung von Altium's Constraint Manager) und überprüfen dann die Einhaltung dieser Regeln (DRC – Design Rules Check).

Sobald das Design abgeschlossen und überprüft wurde, um alle notwendigen Regeln für die Herstellbarkeit und Montage zu erfüllen, wird es an den Hersteller gesendet. Mit verschiedenen Werkzeugen (CAM) kann der Hersteller alle PCB-Fertigungsparameter überprüfen und feststellen, ob Werte außerhalb der Toleranz liegen und geändert werden müssen, um eine zuverlässige Herstellung zu gewährleisten. Ebenso analysieren PCB-Montagebetriebe den entworfenen Schaltkreis und prüfen, ob während der Montagephase potenzielle Probleme auftreten könnten, bevor mit der Montage fortgefahren wird. 

So stellt sich die Frage: Welche Parameter werden überprüft, um zu bestimmen, ob eine PCB herstellbar ist und montiert werden kann? Oder anders ausgedrückt, welche Regeln sollten befolgt werden, um sicherzustellen, dass mein Design sowohl herstellbar als auch montierbar ist?

Beispiel DFM/DFA-Anforderungen

Nachdem alle funktionalen Anforderungen, System- und Untersystemanforderungen, Kundenanforderungen usw. definiert sind, müssen wir die DFM/DFA-Anforderungen definieren. Mit anderen Worten, wir müssen diese Anforderungen vor Beginn des Designs berücksichtigen, um sicherzustellen, dass unser Design ohne Überraschungen oder Probleme hergestellt werden kann.

Obwohl die Liste der zu berücksichtigenden Parameter umfangreich sein kann und weitgehend von jedem Hersteller und dessen Fertigungskapazitäten abhängt, könnte eine Zusammenfassung der notwendigen Anforderungen wie folgt aussehen.

Beispiele für DFM-Anforderungen

• REQ-DFM-01: Mindestdurchmesser für durchkontaktierte Bohrungen.

• REQ-DFM-02: Mindestdurchmesser für nicht durchkontaktierte Bohrungen.

• REQ-DFM-03: Aspektverhältnis.

• REQ-DFM-04: Mindestleiterbahnbreite / Abstand (äußere Lagen).

• REQ-DFM-05: Mindestleiterbahnbreite / Abstand (innere Lagen).

• REQ-DFM-06: Mindestringbreite (äußere Lagen).

• REQ-DFM-07: Mindestringbreite (innere Lagen).

• REQ-DFM-08: Mindestdurchmesser für Microvias.

• REQ-DFM-09: Mindestabstand für Microvias.

• REQ-DFM-10: Mindestabstand zwischen Microvias unterschiedlicher Ebenen (gestaffelte Vias).

• REQ-DFM-11: Füllung von Microvias.

• REQ-DFM-12: PCB-Dicke und Stapelung (Beispiele für 6, 8 und 10 Lagen)

• REQ-DFM-13: Arten von Vias.

• REQ-DFM-14: Definition der Impedanzen für Single-Ended-Leiterbahnen.
• REQ-DFM-15: Definition der Impedanz für Differentialpaar-Leiterbahnen.
• REQ-DFM-16: Definition von Back Drilling, falls notwendig.
• 
• REQ-DFM-17: Lötstopplack-Abstände (besonders bei sehr kleinen Pads, z.B. BGAs)
• REQ-DFM-18: Siebdruck-Abstände.
• REQ-DFM-19: Siebdruck-Größen.

Beispiele für DFA-Anforderungen

• REQ-DFA-01: Einseitige oder doppelseitige Montage und Montagetechnologie.

• REQ-DFA-02: Standardisierung und Vereinheitlichung von Komponenten.
• REQ-DFA-03: Komponenten-Abstände.
• REQ-DFA-04: Komponentenhöhen.
• REQ-DFA-05: Abstand zwischen Komponenten und PCB-Rand.
• REQ-DFA-06: PCB-Bänder für Förderanlagen.

• REQ-DFA-07: Fiducials (Größe, Position und Anzahl pro Seite).

• REQ-DFA-08: Pastenmaske (Öffnungen und Reduzierungen).
• REQ-DFA-09: Durchstecklöttechnologie (Welle, selektiv, manuell).

Sobald ein Design abgeschlossen ist und die oben genannten Anforderungen erfüllt hat, ist der erste Schritt die DRC-Analyse mit dem Design Rule Check-Tool. Dieses Werkzeug überprüft alle Parameter, die wir in den Regeln definiert haben, gegen das, was entworfen wurde, und liefert einen Bericht über alle Parameter, die nicht befolgt wurden. Dieses Werkzeug kann während der gesamten Designphase aktiv gehalten werden (DRC Online), sodass Altium uns in Echtzeit benachrichtigt, wenn eine Regel verletzt wird. 

Wenn der DRC null Fehler zeigt, sind wir bereit, die notwendige Dokumentation zu erstellen, um sie an den PCB-Hersteller und Monteur zu senden. 

• Gerber-Dateien
• Bohrdateien
• ODB++ Dateien
• Stückliste (mit der Alternative für kritische Komponenten)
• Komponentenkoordinaten (XY) Dateien für die Pick & Place Maschine
• Montagezeichnungen (Draftsman-Dateien) im PDF-Format
• Inspektions-, Test- und Programmierverfahren, falls benötigt
• Spezielle Montageanweisungen (Kühlkörpermontage, Beschichtungsauftrag oder was auch immer benötigt wird)

Wenn wir alle Designanforderungen im Zusammenhang mit DFM und DFA erfüllt haben, den DRC ohne Fehler bestanden und dem Hersteller alle notwendigen Unterlagen für die Fertigung und Montage unserer Platine gesendet haben, werden wir die Unsicherheit im Falle von Funktionsausfällen während der Validierungsphase unseres Designs erheblich reduziert haben. Dies ermöglicht es uns, Fertigungs- und/oder Montageprobleme auszuschließen und uns ausschließlich auf die Analyse des entworfenen Schaltkreises zu konzentrieren. 

Wichtige Erkenntnisse

Die Bedeutung des Designs mit DFM/DFA im Blick

PCB-Designer müssen sich daran erinnern, dass das, was sie auf einem Computer zeichnen, letztendlich in der realen Welt umgesetzt werden muss. Papier (oder in diesem Fall der Computer) kann alles aufnehmen, aber die Realität ist ganz anders. Daher ist es entscheidend, unter Berücksichtigung der Fähigkeiten und Fertigungsprozesse einer PCB und PCBA zu entwerfen.

Die Notwendigkeit, DFM/DFA von Anfang an als Designanforderungen zu behandeln

Es ist wesentlich, DFM/DFA-Anforderungen als einen zusätzlichen Satz von Kriterien zu behandeln, genauso wichtig wie funktionale oder Systemanforderungen. Diese von Beginn des Projekts an nicht zu berücksichtigen, kann zu Verzögerungen und Kostenüberschreitungen führen, die den Erfolg des Projekts gefährden könnten.

Einbindung von Herstellern vor Beginn des Designs

Aufbauend auf dem vorherigen Punkt ist es sehr zu empfehlen (wenn nicht sogar obligatorisch), mit Herstellern zu kommunizieren und, wenn möglich, den Hersteller vor Beginn des Designprozesses auszuwählen. Dies stellt sicher, dass ein gründliches Verständnis ihrer Fähigkeiten und Materialien vorhanden ist, ermöglicht die Überprüfung von Impedanzberechnungen usw. Die Behandlung dieser Probleme während oder nach der Designphase kann zu unangenehmen Überraschungen führen.

Der DRC (Design Rules Check) sollte die gebührende Wichtigkeit erhalten

Unterschätzen Sie nicht die Bedeutung des DRC-Tools (Design Rules Check). Dies ist der erste Schritt nach Abschluss des PCB-Designs, um zu überprüfen, ob es die zu Beginn festgelegten DFM/DFA-Anforderungen erfüllt und dient als erste Sicherheitsebene, dass das Design herstellbar ist.

Der Hersteller benötigt umfassende Dokumentation

Am Ende des Designs ist es wesentlich, eine hochwertige Dokumentation zu erstellen, die alle notwendigen Dateien für den Bau der PCB enthält und, wenn möglich, alle Montageanweisungen und alle weiteren zusätzlichen Details, die für die ordnungsgemäße Herstellung und Montage der Platine erforderlich sind, umfasst. Ebenso sollte die Dokumentation, falls erforderlich, die verschiedenen Inspektions-, Test- und Programmierprozesse beinhalten.

Den Erfolg durch DFM/DFA-Integration im PCB-Design sicherstellen

Das Entwerfen einer Leiterplatte ist mehr als nur das Erfüllen funktionaler Anforderungen. Sie müssen sicherstellen, dass das Design erfolgreich hergestellt und montiert werden kann, mit minimalen Risiken und Kosten. Durch die Integration von Prinzipien für die Fertigungsgerechte Konstruktion (DFM) und für die Montagegerechte Konstruktion (DFA) von Anfang an können Entwickler Produktionsprobleme, Verzögerungen und unvorhergesehene Kosten erheblich reduzieren, die das Projekt sonst gefährden könnten.