Vermeidung der häufigsten DFM-Fehler in Ihrem PCB-Design

 

Jede Leiterplatte sollte den DFM-Richtlinien (Design for Manufacturability) folgen, um potenzielle Fertigungs- und Montagefehler zu vermeiden. Dies konzentriert sich auch auf Kostenreduktion, Qualitätsverbesserung und fehlerfreie Fertigung. In diesem Artikel werden wir einige der wichtigsten DFM-Fehler in PCBs und verschiedene Techniken zu deren Vermeidung erklären.

Ein Blick auf das PCB-Design für die Fertigung (DFM)

Die DFM-Analyse ermöglicht es Herstellern, das Design der Platine aus verschiedenen Aspekten zu überprüfen, um ihre Materialien, Abmessungen und Leistung am effizientesten zu modifizieren. Sie erkennt sofort die Designprobleme und behebt sie weit im Voraus der Produktion. Ein schrittweiser Ansatz zur Analyse der Fertigungsgerechtigkeit besteht aus den folgenden Merkmalen:

1. Identifizierung von Designverstößen, die den Fertigungsprozess beeinflussen werden. 
2. Bestimmung des genauen Fertigungsprozesses entsprechend der Geometrie und des Materialbedarfs. 
3. Inspektion des Platinendesigns und Feststellung, ob die Spezifikation mit dem fertigen Produkt übereinstimmen wird.
4. Auswahl von Materialien (nach Eigenschaften, physischer Stärke und Textur), die von den Abmessungen der Platine abhängen.
5. Sicherstellung, dass das Design die regulatorischen Vorschriften einhält, um Qualitätsstandards und Zuverlässigkeit zu erfüllen.

Top DFM-Fehler

Die häufig auftretenden DFM-Probleme umfassen Splitter, Ringbrüche, Säurefallen usw. Lassen Sie uns einen Blick auf die häufigen Verstöße und deren Vermeidung werfen.

Vermeidung von Splittern

Splitter sind kleine Keile aus Trockenfilmresist, die Kupfer freilegen und Kurzschlüsse verursachen. Sie können entweder leitend (Kupfer) oder nicht leitend (Lötstopplack) sein. Es gibt zwei Gründe, die zur Bildung von Splittern führen. Der erste Fall tritt auf, wenn ein langes, dünnes Merkmal des Kupfers oder des Lötstopplacks weggeätzt wird. Während der Herstellung verursachen sich ablösende Splitter Kurzschlüsse. Im zweiten Fall bilden sich Splitter, indem ein Abschnitt eines Platinenentwurfs zu nah oder zu tief geschnitten wird. Dies kann die Funktionalität einer Leiterplatte nachteilig beeinflussen.

Lösung:
Implementieren Sie eine minimale Fotolackbreite, um diesen Defekt zu vermeiden. Wenden Sie denselben Netzabstand (weniger als 3 mils) oder Luftspalt an, der entfernt oder gefüllt werden kann. Eine ordnungsgemäße DFM-Analyse ist notwendig, um mögliche Bereiche zu identifizieren, in denen Splitter entstehen könnten, und um Probleme zu lösen, falls vorhanden.

 

Komponentenauswahl

Die Auswahl von Komponenten sollte basierend auf ihrer Verfügbarkeit, Lieferzeitüberlegungen und der Überwachung von veralteten Teilen erfolgen. Dies stellt sicher, dass Komponenten gut vor Beginn der Herstellung verfügbar sind.

Bestimmen Sie die Größen von Komponenten und Gehäusen, indem Sie die Stückliste (BOM) sorgfältig studieren. Sie können sich für größere Komponenten bei Widerständen und Kondensatoren entscheiden, wenn ausreichend Platz vorhanden ist. Verwenden Sie beispielsweise einen 0603- oder 0805-Größe Kondensator/Widerstand anstelle eines 0402/0201. Die Auswahl wird durch Spannung, Strom und Frequenz beeinflusst. Wählen Sie, wenn möglich, kleinere Gehäuse; andernfalls wählen Sie größere. Die übermäßige Verwendung kleiner Komponentengehäuse kann die Montage der Leiterplatte komplizieren und das Reinigen sowie Nacharbeiten erschweren.

 

Testpunkte

DFM beinhaltet Testpunkte für alle wichtigen Signale, um die elektrische Verbindung nach dem Aufbau der Platine zu überprüfen. Werden diese ausgelassen, wird es schwierig sein, das Endprodukt zu überprüfen. Hier sind einige Hinweise, um mögliche Fertigungsprobleme zu vermeiden:

• Platzieren Sie zur Vereinfachung der Tests alle Testpunkte auf derselben Seite der Platine.
• Halten Sie einen Mindestabstand von 0,100 Zoll zwischen den Testpunkten ein, um die Wirksamkeit des Tests zu erhöhen. 
• Bezeichnen Sie den Bereich für höhere Komponenten.
• Verteilen Sie alle Testpunkte gleichmäßig, um einen einfachen Zugang mit mehreren Sonden zu ermöglichen.
• Gestalten Sie Ihr Layout unter Berücksichtigung der Fertigungstoleranzen.

Vias und Bohrung-zu-Kupfer

Bohrung-zu-Kupfer ist der Abstand vom Rand eines gebohrten Lochs zum nächsten Kupfermerkmal. PCB-Designer betrachten jedoch Bohrung-zu-Kupfer vom fertigen Lochdurchmesser (FHS) zum nächsten Kupfermerkmal.

Designer sollten immer den gebohrten Durchmesser (FHS + Bohrtoleranz) berücksichtigen, um den korrekten Abstand zu bestimmen. Der Bohrdurchmesser kann aus der folgenden Gleichung ermittelt werden:

Fertiger Lochdurchmesser + Toleranz = Bohrdurchmesser

Normalerweise sollte der Abstand 5-8 mils betragen, aber das hängt von der Anzahl der Lagen ab. Layout-Tools für Platinen haben keine speziellen Designregelprüfungen (DRCs) für Bohrung-zu-Kupfer. Wenn Sie jedoch in Ihrem Design einen angemessenen Abstand verwenden, können Sie einen Freiraum von 8 mils haben. Dies ist das wichtigste Attribut, das bei der DFM-Analyse berücksichtigt werden sollte.

 

Bei Ringen kann es zu Tangenzialität oder Ausbrüchen kommen, wenn der Bohrer nicht den gewünschten Punkt erreicht und in derselben Achse abweicht. Dies führt zu marginalen Verbindungen und beeinträchtigt die Zuverlässigkeit.

 

Hier sind einige Tipps, um DFM-Probleme zu vermeiden, die beim Bohren auftreten können:

• Integrieren Sie weite Ringflächen in Ihr Design, indem Sie größere Padgrößen anpassen. Dies gewährleistet eine gute Leitfähigkeit und erleichtert das Bohren von Vias in der Mitte des Pads.
• Überprüfen Sie, ob die durchkontaktierten Bohrungen auf allen Kupferschichten Kupferpads haben.
• Sierra Circuits empfiehlt ein Minimum von 8 mils von Bohrung zu Kupfer.
• Halten Sie ein minimales Aspektverhältnis ein, um eine Fehlregistrierung der Bohrung zu verhindern.
• Definieren Sie den Bohrtyp (PTH/NPTH) und die Bohrungszahl/-größe.
• Stellen Sie sicher, dass die Kupfermerkmale und Bohrungen innerhalb des Profils der Platine passen.
• Entwerfen Sie einen Ring, der größer oder gleich der minimalen Ringgröße (4 mils) ist, die vom Hersteller/Fertigungsbetrieb hergestellt werden kann.
• Fügen Sie Tränen hinzu, um das Ausbrechen des Rings bei komplexen Designs und kleineren Ringen zu verhindern.

Die Anzahl der Bohrungen sollte mit dem Bohrplan übereinstimmen

Es ist entscheidend, die Anzahl der Bohrungen mit dem Bohrplan abzugleichen. Ein Bohrplan ist in der Fertigungszeichnung enthalten. Manchmal stimmt der Bohrplan nicht mit der tatsächlichen Bohrungszahl überein. In diesem Fall müssen Sie den Bohrplan ändern oder neu erstellen.

 

Als einfacher Entwurfspunkt versuchen Sie, die Anzahl der verschiedenen Bohrgrößen, die im PCB-Layout verwendet werden, zu minimieren. Es ist am besten, ein oder zwei Durchkontaktierungsgrößen zu wählen, die die meisten Schichtübergänge für Signale bewältigen können und möglicherweise einige andere, die für Montagelöcher oder nicht durchkontaktierte Löcher verwendet werden.

Freiräume

Es gibt drei Arten von Freiräumen, die bei der DFM-Analyse zu beachten sind.

Kantenfreiraum:

Viele Designer vergessen, ausreichenden Abstand zwischen Kupfer und dem Rand der PCB zu lassen. Die Nähe von Kupfer zum Rand kann Kurzschlüsse zwischen benachbarten Schichten verursachen, wenn Strom auf sie angewendet wird. Dies ist das Ergebnis von freiliegendem Kupfer um den Umfang der Platine. Es ist möglich, dieses Problem zu lösen, indem man dem Design Freiraum hinzufügt. Überprüfen Sie die folgenden Näherungswerte:

• Für äußere Schicht: 0,010”
• Für innere Schicht: 0,015”

Leiterbahnabstand:

Der Leiterbahnabstand ist der minimale Abstand zwischen zwei Leitern. Er hängt von Materialien, Kupfergewicht, Temperaturschwankungen und angelegter Spannung ab. Er hängt auch von den Fähigkeiten des Herstellers ab.

 

Lötmaskenfreiräume:

• Halten Sie den Lötmaskenfreiraum größer als die Lötpads, außer im Fall von lötmaskendefinierten Pads.
• Die beste Methode, um Lötbrücken zu verhindern, besteht darin, die Maskenöffnung auf das Kupferpad zu erweitern oder eine Fassentlastung zu bieten (Lötmaskenabstand = Bohrgröße + 3 mils).

 

Fehlende Lötmaske

Manchmal kann die Lötmaske teilweise oder ganz zwischen den Pads fehlen. Dies legt überschüssiges Kupfer frei, was zu Lötbrücken und Kurzschlüssen führt, die die Leistung der Platine beeinträchtigen. Dies geschieht, wenn die Lötmaske nicht definiert ist oder wenn Einstellungen von einer größeren Platine auf eine kleinere Platine angewendet werden, was zu großen Padlöchern führt. 

 

Befolgen Sie diese Design-Tipps für Lötmasken:

Die relative Größe der Lötmaske sollte 4 mils größer als die Feature-Größe sein.
Halten Sie die Breite/Brücke der Lötmaske auf ein Minimum von 4 mils.
Halten Sie den Abstand zwischen dem Rand des Kupferfeatures und dem Rand des Lötzinns auf 2 mils.

Säurefallen

Ein weiterer DFM-Fehler, auf den man achten sollte, ist eine Säurefalle. Eine Säurefalle ist im Grunde jedes Design, das spitze Winkel beinhaltet, die Säurekonzentrationen in diesem Bereich anziehen werden. Dies kann zu überätzten Spuren und offenen Schaltkreisen führen als Nebenprodukt der Säurefallen. 

 

Vermeiden Sie es, die Leiterbahnen, die zu den Pads führen, in spitzen Winkeln zu verlegen. Platzieren Sie die Leiterbahnen in einem Winkel von 45° oder 90° relativ zu den Pads. Überprüfen Sie, dass keiner der Leiterbahnwinkel nach dem Verlegen der Leiterbahnen Säurefallen erzeugt hat.

Prüfung des Siebdrucks

Die Prüfung des Siebdrucks beinhaltet die verschiedenen Attribute, die die DFM-Analyse beeinflussen und mögliche Fehler verhindern werden. Hier sind einige wichtige Richtlinien:

Orientierung: Der Siebdruck kann auf den Pads sitzen, und dies sollte durch Ausführen einer DRC überprüft werden. Der Siebdruck könnte auch ein Via-Loch überlappen, obwohl dies akzeptabel ist, wenn die Vias abgedeckt sind. Dies kann passieren, während der Text gedreht und die Komponenten-Referenzbezeichnungen angepasst werden. Kürzen Sie die Referenzbezeichnungen, die über Pads und Vias gehen, um Überlappungen zu verhindern.

Linienbreite und Texthöhe: Wir empfehlen eine minimale Linienbreite von 4 mils und eine Texthöhe von 25 mils für eine einfache Lesbarkeit. Verwenden Sie immer Standardfarben und größere Formen für eine gute Darstellung. Typischerweise sollte die Größe 35 mils (Texthöhe) und 5 mils (Linienbreite) betragen. Wenn die Platine nicht dicht bestückt ist und ausreichend Platz für großen Text vorhanden ist, verwenden Sie die folgende Größe:

Falls die obigen Spezifikationen für eine Platine mittlerer Dichte nicht funktionieren, verwenden Sie die folgende Größe:

Höhe	Breite	Leiterbahn
35 mils	25 mils	5 mils

Wenn die obige Größe nicht funktioniert, beziehen Sie sich auf das Folgende: Für eine Platine mittlerer Dichte:

Höhe	Breite	Leiterbahn
25 mils	22 mils	5 mils

Druckmethode für Siebdruck: Die spezifische Methode beeinflusst viele Designparameter wie Größe, Abstände usw., sowie Elemente wie Pads, Durchkontaktierungen und Leiterbahnen. Spezifizieren Sie diese gemäß manuellem Siebdruck, Flüssigfoto-Imaging und Direktlegendendruck.

Priorisierung von Markierungen: Priorisieren Sie die Siebdruckmarkierung gemäß der Klassifizierung: regulatorische Anforderungen, Herstelleridentifikation, Montagehilfen und Prüfhilfen.

Die Befolgung von Richtlinien für die Fertigungsgerechtigkeit hilft Ihnen, Fehler in der frühen Entwurfsphase zu erkennen. Glücklicherweise kann der DRC-Motor in Altium Designer Ihnen helfen, diese Probleme zu erkennen, bevor Sie in die Produktion gehen. Nachdem Sie sich mit Ihrem Hersteller beraten haben, können Sie die oben aufgeführten Einschränkungen in Ihre PCB-Designregeln programmieren, um sicherzustellen, dass Sie schnell Fehler erkennen und korrigieren können. Sobald Ihr Design bereit für eine gründliche Designprüfung und Fertigung ist, kann Ihr Team in Echtzeit über die Altium 365-Plattform zusammenarbeiten und teilen. Designteams können Altium 365 nutzen, um Fertigungsdaten und Testergebnisse zu teilen, und Designänderungen können über eine sichere Cloud-Plattform und in Altium Designer geteilt werden.

Wir haben nur an der Oberfläche dessen gekratzt, was mit Altium Designer auf Altium 365 möglich ist. Starten Sie heute Ihre kostenlose Testversion von Altium Designer + Altium 365. Und vergessen Sie nicht, die Website von Sierra Circuits zu besuchen, um mehr über Fertigungs- und Montageprozesse zu erfahren.