Exigences DFM/DFA dans l'ingénierie des systèmes

Comme discuté dans l'article précédent, lors de la conception d'un PCB, il est essentiel de prendre en compte un ensemble d'exigences techniques liées à la fonctionnalité, à la consommation d'énergie, à la taille, à la compatibilité électromagnétique, etc. Cependant, les exigences de fabricabilité et d'assemblage sont tout aussi importantes. Concevoir un circuit haute performance, répondant à toutes les spécifications fonctionnelles ou aux exigences réglementaires serait vain si le design n'est pas fabricable ou s'il rencontre des problèmes d'assemblage qui pourraient augmenter les coûts de production ou, dans le pire des cas, rendre le produit non viable.

Dans cet article, nous nous concentrerons sur la manière d'aborder la gestion des exigences pour garantir qu'un design est fabricable et peut être assemblé. Plus précisément, nous discuterons de l'intégration du CAD et du CAM au sein du système de gestion, en considérant non seulement les exigences techniques décrites dans l'article précédent mais aussi les facteurs qui influencent la fabrication et l'assemblage d'un circuit (tels que les largeurs de pistes, l'espacement, le perçage, les masques, le placement des composants, etc.).

Introduction au DFM/DFA

Les fabricants et les assembleurs de PCB exigent que les circuits conçus soient manufacturables et capables d'être assemblés, respectivement. Cela souligne la nécessité de suivre des règles ou des directives de conception spécifiques qui prennent en compte les différentes étapes et technologies utilisées dans la fabrication des PCB et les différentes techniques d'assemblage, assurant que le produit est à la fois manufacturable et peut être assemblé. Cette nécessité donne naissance aux concepts de DFM (Design for Manufacturability) et DFA (Design for Assembly).

• DFM, ou Conception pour la Fabricabilité, est l'ensemble des processus, règles et directives qui doivent être suivis pendant la phase de conception pour garantir qu'un circuit imprimé (PCB) puisse être fabriqué en utilisant les technologies et les limitations de fabrication actuelles.
• De manière similaire, DFA, ou Conception pour l'Assemblage, est l'ensemble des processus, règles et directives qui doivent être suivis pendant la phase de conception pour garantir qu'un circuit imprimé (PCB) puisse être assemblé en utilisant les technologies et les limitations d'assemblage actuelles.

Lors de la création d'un design, nous devons considérer les questions suivantes :

• Le PCB que nous concevons peut-il être fabriqué ?
• Aurait-il pu être conçu différemment pour optimiser les coûts ?
• Peut-il être assemblé en utilisant des processus automatisés ?
• Nécessite-t-il des processus manuels ou complexes qui augmentent les coûts ?
• Y a-t-il des problèmes de stock ?

Toutes ces questions peuvent être abordées à travers les concepts de DFM (Design for Manufacturability) et DFA (Design for Assembly). Bien qu'il n'y ait pas de réglementations obligatoires, concevoir un circuit avec des règles de base de fabricabilité est essentiel pour garantir que le design est manufacturable. Sinon, nous pourrions rencontrer des surprises désagréables une fois que nous envoyons la documentation de fabrication au fabricant sélectionné. Il en va de même pour les règles de conception visant l'assemblage de la carte électronique. Si des directives de conception appropriées pour un assemblage automatisé faisable ne sont pas suivies, nous serons confrontés à des problèmes de production significatifs, nécessitant des processus manuels et complexes qui augmenteront le coût d'assemblage de la carte électronique.

Il est important de noter que chaque fabricant a des capacités différentes basées sur les processus et les machines qu'ils utilisent. Par conséquent, nous pouvons dire que les DFM/DFA dépendent du fabricant. Exemple : Un fabricant capable de fabriquer un PCB de 8 couches ne peut pas fabriquer un PCB de 12 couches en raison de ses capacités de fabrication.

Au fur et à mesure que les conceptions deviennent plus complexes (avec plus de couches, une densité plus élevée, des largeurs et des séparations de pistes plus petites, des diamètres de perçage plus petits, des vias aveugles ou enterrés, etc.), le DFM devient de plus en plus complexe. En conséquence, il y a plus de règles de conception à considérer, et il devient plus critique de se conformer à ces règles pour garantir qu'un PCB puisse être fabriqué.

Les objectifs du DFM/DFA sont donc :

1. Définir les processus, les règles et les directives de conception.
2. Assurer que la conception est réalisable et peut être assemblée.

Pour simplifier tout cela, l'Institut des Circuits Imprimés (IPC) a été établi en 1957 et a développé la norme IPC, qui aide les concepteurs et les fabricants dans la tâche de créer des conceptions réalisables. Les normes IPC prennent en compte les différentes technologies de fabrication et les limitations, et différents documents ont été créés sur cette base, abordant divers domaines de conception. L'arbre des normes IPC est montré au lien suivant.

Bien que la norme IPC mériterait son propre article en raison du grand nombre de règles qu'elle englobe, il est important de souligner qu'il existe un ensemble de règles pour la conception de PCB rigides, flexibles et rigide-flex (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), ainsi qu'un ensemble de règles liées à la conception pour l'assemblage (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Cohésion entre CAO/FAO et DFM/DFA

CAD et CAM font référence aux processus de Conception Assistée par Ordinateur et de Fabrication Assistée par Ordinateur, respectivement.

Tout comme les concepteurs utilisent des outils CAD (ECAD dans le cas des ingénieurs électroniciens), tels que Altium Designer, les fabricants utilisent d'autres outils qui les assistent dans la fabrication de PCB, l'assemblage et les processus connexes, connus sous le nom de logiciels CAM. Des exemples incluent CircuitCAM8 ou tout logiciel spécifique intégré dans une machine d'assemblage automatique (Pick & Place). 

Du point de vue du processus de conception (CAD), les ingénieurs, en se basant sur les directives DFM/DFA, saisissent des règles dans l'outil de conception (par exemple, en utilisant le Gestionnaire de Contraintes d'Altium) puis vérifient la conformité avec ces règles (DRC – Contrôle des Règles de Conception).

Une fois la conception terminée et vérifiée pour répondre à toutes les règles nécessaires à la fabricabilité et à l'assemblage, elle est envoyée au fabricant. En utilisant différents outils (CAM), le fabricant peut vérifier tous les paramètres de fabrication du PCB et détecter si des valeurs sont hors tolérance et nécessitent une modification pour garantir une fabrication fiable. De même, les assembleurs de PCB analysent le circuit conçu et vérifient si des problèmes potentiels pourraient survenir pendant l'étape d'assemblage avant de procéder à l'assemblage. 

Ainsi, la question se pose : Quels paramètres sont vérifiés pour déterminer si un PCB est fabricable et peut être assemblé ? Ou, dit autrement, quelles règles doivent être suivies pour garantir que ma conception est à la fois fabricable et peut être assemblée ?

Exemple de besoins en DFM/DFA

Une fois que toutes les exigences fonctionnelles, les exigences des systèmes et sous-systèmes, les exigences des clients, etc., sont définies, nous devons définir les exigences DFM/DFA. En d'autres termes, nous devons considérer ces exigences avant de commencer la conception pour garantir que notre conception peut être fabriquée sans surprises ni problèmes.

Bien que la liste des paramètres à considérer puisse être étendue et dépende largement de chaque fabricant et de ses capacités de fabrication, un résumé des exigences nécessaires à définir pourrait être le suivant.

Exemples d'exigences DFM

• REQ-DFM-01: Diamètre minimum des trous métallisés.

• REQ-DFM-02: Diamètre minimum des trous non métallisés.

• REQ-DFM-03: Rapport d'aspect.

• REQ-DFM-04: Largeur / Espacement minimum des pistes (couches externes).

• REQ-DFM-05: Largeur / Espacement minimum des pistes (couches internes).

• REQ-DFM-06: Anneau annulaire minimum (couches externes).

• REQ-DFM-07: Anneau annulaire minimum (couches internes).

• REQ-DFM-08: Diamètre minimum des microvias.

• REQ-DFM-09: Espacement minimum des microvias.

• REQ-DFM-10: Espacement minimum entre les microvias de niveaux différents (vias décalés).

• REQ-DFM-11: Remplissage des microvias.

• REQ-DFM-12: Épaisseur du PCB et empilement (exemples de 6, 8 et 10 couches)

• REQ-DFM-13: Types de vias.

• REQ-DFM-14: Définition des impédances pour les pistes à terminaison unique.
• REQ-DFM-15: Définition de l'impédance des paires différentielles.
• REQ-DFM-16 : Définition du perçage arrière si nécessaire.
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• REQ-DFM-17 : Dégagements du masque de soudure (surtout dans les très petits pads, par ex. BGA)
• REQ-DFM-18 : Dégagements du marquage (SilkScreen).
• REQ-DFM-19 : Tailles du marquage (SilkScreen).

Exemples de besoins en DFA

• REQ-DFA-01 : Assemblage et technologie de montage simple ou double face.

• REQ-DFA-02 : Standardisation et unification des composants.
• REQ-DFA-03 : Dégagements des composants.
• REQ-DFA-04 : Hauteurs des composants.
• REQ-DFA-05 : Distance entre les composants et la bordure du PCB.
• REQ-DFA-06 : Bandes de PCB pour convoyeurs.

• REQ-DFA-07 : Fiduciaux (Taille, position et quantité par côté).

• REQ-DFA-08 : Masque de pâte (ouverture et réductions).
• REQ-DFA-09 : Technologie de soudure à travers les trous (vague, sélective, manuelle).

Une fois qu'un design est terminé et a répondu aux exigences mentionnées ci-dessus, la première étape est l'analyse DRC en utilisant l'outil de vérification des règles de conception (Design Rule Check). Cet outil vérifie tous les paramètres que nous avons définis dans les règles par rapport à ce qui a été conçu et fournit un rapport sur tout paramètre qui n'a pas été suivi. Cet outil peut rester actif tout au long de la phase de conception (DRC en ligne) afin qu'Altium nous notifie en temps réel si une règle est violée. 

Lorsque le DRC n'affiche aucune erreur, nous serons prêts à générer la documentation nécessaire pour l'envoyer au fabricant et à l'assembleur de PCB. 

• Fichiers Gerber
• Fichiers de perçage
• Fichiers ODB++
• Liste des matériaux (avec l'alternative pour les composants critiques)
• Fichiers de coordonnées des composants (XY) pour la machine de placement
• Dessins d'assemblage (fichiers Draftsman) en PDF
• Procédures d'inspection, de test et de programmation, si nécessaire
• Instructions spéciales d'assemblage (montage de dissipateur thermique, distribution de revêtement, ou tout autre si nécessaire)

Si nous avons satisfait à toutes les exigences de conception liées au DFM et au DFA, passé le DRC sans aucune erreur et envoyé au fabricant toute la documentation nécessaire pour la fabrication et l'assemblage de notre carte, nous aurons considérablement réduit l'incertitude en cas de défaillances fonctionnelles pendant la phase de validation de notre conception. Cela nous permettra d'exclure les problèmes de fabrication et/ou d'assemblage, nous permettant de nous concentrer exclusivement sur l'analyse du circuit conçu. 

Points Clés

L'Importance de Concevoir en Prenant en Compte le DFM/DFA

Les concepteurs de PCB doivent se rappeler que ce qu'ils dessinent sur un ordinateur doit finalement être réalisé dans le monde réel. Le papier (ou, dans ce cas, l'ordinateur) peut tout accommoder, mais la réalité est bien différente. Par conséquent, il est crucial de concevoir en tenant compte des capacités et des processus de fabrication d'un PCB et d'un PCBA.

La Nécessité de Traiter les Exigences DFM/DFA comme des Exigences de Conception dès le Départ

Il est essentiel de traiter les exigences DFM/DFA comme un ensemble supplémentaire de critères, tout aussi importants que les exigences fonctionnelles ou systémiques. Ne pas tenir compte de ces exigences dès le début du projet peut entraîner des retards et des dépassements de coûts qui pourraient compromettre le succès du projet.

Engager le Dialogue avec les Fabricants Avant de Commencer la Conception

Poursuivant sur le point précédent, il est fortement recommandé (sinon obligatoire) de communiquer avec les fabricants et, si possible, de sélectionner le fabricant avant de commencer le processus de conception. Cela garantit une compréhension approfondie de leurs capacités et matériaux, permet de vérifier les calculs d'impédance, etc. Aborder ces problèmes pendant ou après la phase de conception peut conduire à des surprises désagréables.

Accorder l'Importance Nécessaire au DRC (Contrôle des Règles de Conception)

Ne sous-estimez pas l'importance de l'outil DRC (Contrôle des Règles de Conception). C'est la première étape après avoir terminé la conception du PCB pour vérifier si elle répond aux exigences DFM/DFA établies au début et sert de premier niveau d'assurance que la conception est réalisable.

Le Fabricant Nécessite une Documentation Complète

À la conclusion de la conception, il est essentiel de créer une documentation de haute qualité qui contient tous les fichiers nécessaires à la construction du PCB et, si possible, inclut toutes les instructions d'assemblage et tout autre détail supplémentaire requis pour la fabrication et l'assemblage corrects de la carte. De même, si nécessaire, la documentation devrait inclure les différents processus d'inspection, de test et de programmation.

Assurer le Succès par l'Intégration du DFM/DFA dans la Conception de PCB

La conception d'un PCB va au-delà de la satisfaction des exigences fonctionnelles. Vous devez vous assurer que le design peut être fabriqué et assemblé avec des risques et des coûts minimaux. En intégrant dès le début les principes de Conception pour la Fabricabilité (DFM) et de Conception pour l'Assemblage (DFA), les concepteurs peuvent réduire de manière significative les problèmes de production, les retards et les coûts imprévus qui pourraient autrement mettre en péril le projet.