Requisiti DFM/DFA nell'ingegneria dei sistemi

Come discusso nell'articolo precedente, quando si progetta un PCB, è essenziale considerare un insieme di requisiti tecnici legati alla funzionalità, al consumo di energia, alle dimensioni, alla compatibilità elettromagnetica, ecc. Tuttavia, i requisiti di fabbricabilità e di assemblaggio sono altrettanto importanti. Progettare un circuito ad alte prestazioni, che soddisfi tutte le specifiche funzionali o i requisiti normativi, sarebbe inutile se il design non fosse fabbricabile o se incontrasse problemi di assemblaggio che potrebbero aumentare i costi di produzione o, nel peggiore dei casi, rendere il prodotto non realizzabile.

In questo articolo, ci concentreremo su come affrontare la gestione dei requisiti per garantire che un design sia fabbricabile e possa essere assemblato. In particolare, discuteremo su come integrare CAD e CAM all'interno del sistema di gestione, considerando non solo i requisiti tecnici delineati nell'articolo precedente ma anche i fattori che influenzano la fabbricazione e l'assemblaggio di un circuito (come larghezze delle tracce, spaziature, forature, maschere, posizionamento dei componenti, ecc.).

Introduzione a DFM/DFA

Sia i produttori che gli assemblatori di PCB richiedono che i circuiti progettati siano realizzabili e assemblabili, rispettivamente. Questo sottolinea la necessità di seguire specifiche regole o linee guida di progettazione che considerino le varie fasi e tecnologie utilizzate nella fabbricazione dei PCB e le diverse tecniche di assemblaggio, garantendo che il prodotto sia sia realizzabile che assemblabile. Questa necessità dà origine ai concetti di DFM (Design for Manufacturability) e DFA (Design for Assembly).

• DFM, o Progettazione per la Fabbricabilità, è l'insieme di processi, regole e linee guida che devono essere seguiti durante la fase di progettazione per assicurare che una scheda a circuito stampato (PCB) possa essere fabbricata utilizzando le tecnologie e i limiti di produzione attuali.
• Allo stesso modo, DFA, o Progettazione per l'Assemblaggio, è l'insieme di processi, regole e linee guida che devono essere seguiti durante la fase di progettazione per assicurare che una scheda a circuito stampato (PCB) possa essere assemblata utilizzando le tecnologie e i limiti di assemblaggio attuali.

Quando creiamo un progetto, dobbiamo considerare le seguenti domande:

• Il PCB che stiamo progettando può essere fabbricato?
• Avrebbe potuto essere progettato diversamente per ottimizzare i costi?
• Può essere assemblato utilizzando processi automatizzati?
• Richiede processi manuali o complessi che aumentano i costi?
• Ci sono problemi di disponibilità?

Tutte queste domande possono essere affrontate attraverso i concetti di DFM (Design for Manufacturability) e DFA (Design for Assembly). Sebbene non ci siano regolamenti obbligatori, progettare un circuito seguendo le regole base di fabbricabilità è essenziale per garantire che il design sia realizzabile. Altrimenti, potremmo incontrare spiacevoli sorprese una volta inviata la documentazione di produzione al produttore selezionato. Lo stesso vale per le regole di progettazione mirate all'assemblaggio della scheda elettronica. Se non si seguono le linee guida di progettazione appropriate per un assemblaggio automatizzato fattibile, ci troveremo di fronte a significativi problemi di produzione, richiedendo processi manuali e complessi che aumenteranno il costo di assemblaggio della scheda elettronica.

È importante notare che ogni produttore ha capacità diverse in base ai processi e alle macchine che utilizza. Pertanto, possiamo dire che DFM/DFA dipendono dal produttore. Esempio: Un produttore con capacità di fabbricare un PCB a 8 strati non può fabbricare un PCB a 12 strati a causa delle sue capacità produttive.

Man mano che i progetti diventano più complessi (con più strati, maggiore densità, larghezze e separazioni delle tracce più piccole, diametri di foratura minori, vie cieche o sepolte, ecc.), il DFM diventa sempre più complesso. Di conseguenza, ci sono più regole di progettazione da considerare, e diventa più critico rispettare queste regole per garantire che un PCB possa essere fabbricato.

Pertanto, gli obiettivi di DFM/DFA sono:

1. Definire processi, regole e linee guida di progettazione.
2. Assicurare che il design sia realizzabile e possa essere assemblato.

Per semplificare tutto ciò, l'Istituto dei Circuiti Stampati (IPC) è stato fondato nel 1957 e ha sviluppato lo standard IPC, che assiste progettisti e produttori nel compito di creare design realizzabili. Gli standard IPC considerano le varie tecnologie di produzione e le relative limitazioni, e sono stati creati diversi documenti basati su questi, affrontando varie aree di design. L'albero degli standard IPC è mostrato al seguente link.

Sebbene lo standard IPC meriterebbe un proprio articolo a causa del grande numero di regole che comprende, è importante evidenziare che esiste un insieme di regole per la progettazione di PCB rigidi, flessibili e rigido-flessibili (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), così come un insieme di regole relative alla progettazione per l'assemblaggio (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Coesione tra CAD/CAM e DFM/DFA

CAD e CAM si riferiscono rispettivamente ai processi di Progettazione Assistita da Computer e Produzione Assistita da Computer.

Così come i progettisti utilizzano strumenti CAD (ECAD nel caso degli ingegneri elettronici), come Altium Designer, i produttori utilizzano altri strumenti che li assistono nella fabbricazione, assemblaggio e processi correlati delle PCB, noti come software CAM. Esempi includono CircuitCAM8 o qualsiasi software specifico integrato in una macchina di assemblaggio automatico (Pick & Place). 

Dal punto di vista del processo di progettazione (CAD), gli ingegneri, basandosi sulle linee guida DFM/DFA, inseriscono regole nello strumento di progettazione (ad es., utilizzando Altium's Constraint Manager) e poi verificano la conformità con queste regole (DRC – Controllo delle Regole di Progettazione).

Una volta completato il design e verificato per soddisfare tutte le regole necessarie per la fabbricabilità e l'assemblaggio, viene inviato al produttore. Utilizzando diversi strumenti (CAM), il produttore può controllare tutti i parametri di fabbricazione del PCB e rilevare se alcuni valori sono fuori tolleranza e necessitano di modifiche per garantire una produzione affidabile. Allo stesso modo, gli assemblatori di PCB analizzano il circuito progettato e verificano se potrebbero sorgere problemi potenziali durante la fase di assemblaggio prima di procedere con l'assemblaggio. 

Quindi, sorge la domanda: Quali parametri vengono controllati per determinare se un PCB è fabbricabile e può essere assemblato? O, detto in altro modo, quali regole dovrebbero essere seguite per garantire che il mio design sia sia fabbricabile che assemblabile?

Requisiti Esempio DFM/DFA

Una volta definiti tutti i requisiti funzionali, di sistema e sottosistema, i requisiti del cliente, ecc., dobbiamo definire i requisiti DFM/DFA. In altre parole, dobbiamo considerare questi requisiti prima di iniziare il design per garantire che il nostro design possa essere fabbricato senza sorprese o problemi.

Sebbene l'elenco dei parametri da considerare possa essere esteso e dipenda in gran parte da ciascun produttore e dalle loro capacità di produzione, un riassunto dei requisiti necessari da definire potrebbe essere il seguente.

Esempi di requisiti DFM

• REQ-DFM-01: Diametro minimo foro metallizzato.

• REQ-DFM-02: Diametro minimo foro non metallizzato.

• REQ-DFM-03: Rapporto d'aspetto.

• REQ-DFM-04: Larghezza minima traccia / Distanza minima (Strati esterni).

• REQ-DFM-05: Larghezza minima traccia / Distanza minima (Strati interni).

• REQ-DFM-06: Anello anulare minimo (Strati esterni).

• REQ-DFM-07: Anello anulare minimo (Strati interni).

• REQ-DFM-08: Diametro minimo Microvia.

• REQ-DFM-09: Distanza minima Microvia.

• REQ-DFM-10: Distanza minima tra Microvie di Livelli Diversi (Vie Sfasate).

• REQ-DFM-11: Riempimento Microvia.

• REQ-DFM-12: Spessore PCB e Configurazione (esempi di 6, 8 e 10 Strati)

• REQ-DFM-13: Tipi di vie.

• REQ-DFM-14: Definizione delle impedenze per tracce a terminazione singola.
• REQ-DFM-15: Definizione dell'Impedenza per Coppie Differenziali di tracce.
• REQ-DFM-16: Definizione del Back Drilling se necessario.
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• REQ-DFM-17: Distanze per la Maschera di Saldatura (specialmente nei pad molto piccoli, ad es. BGA)
• REQ-DFM-18: Distanze per la Serigrafia.
• REQ-DFM-19: Dimensioni della Serigrafia.

Esempi di Requisiti DFA

• REQ-DFA-01: Assemblaggio e tecnologia di montaggio su uno o due lati.

• REQ-DFA-02: Standardizzazione e unificazione dei componenti.
• REQ-DFA-03: Distanze tra i componenti.
• REQ-DFA-04: Altezze dei componenti.
• REQ-DFA-05: Distanza tra i componenti e il bordo del PCB.
• REQ-DFA-06: Nastri PCB per trasportatori.

• REQ-DFA-07: Fiduciali (Dimensione, posizione e quantità per lato).

• REQ-DFA-08: Maschera di Pasta (aperture e riduzioni).
• REQ-DFA-09: Tecnologia di saldatura attraverso foro (onda, selettiva, manuale).

Una volta completato il design e soddisfatti i requisiti menzionati sopra, il primo passo è l'analisi DRC utilizzando lo strumento di Controllo delle Regole di Progettazione (Design Rule Check). Questo strumento verifica tutti i parametri che abbiamo definito nelle regole rispetto a ciò che è stato progettato e fornisce un rapporto di eventuali parametri che non sono stati seguiti. Questo strumento può rimanere attivo per tutta la fase di progettazione (DRC Online) in modo che Altium ci notifichi in tempo reale se viene violata qualsiasi regola. 

Quando il DRC mostra zero errori, saremo pronti a generare la documentazione necessaria da inviare al produttore e all'assemblatore di PCB. 

• File Gerber
• File di foratura
• File ODB++
• Distinta dei Materiali (con l'alternativa per i componenti critici)
• File delle coordinate dei componenti (XY) per la macchina Pick & Place
• Disegni di assemblaggio (file Draftsman) in PDF
• Procedure di Ispezione, Test e Programmazione, se necessarie
• Istruzioni Speciali di Assemblaggio (montaggio del dissipatore di calore, erogazione del rivestimento o qualsiasi cosa se necessario)

Se abbiamo soddisfatto tutti i requisiti di progettazione relativi a DFM e DFA, superato il DRC senza errori e inviato al produttore tutta la documentazione necessaria per la fabbricazione e l'assemblaggio della nostra scheda, avremo ridotto significativamente l'incertezza in caso di guasti funzionali durante la fase di validazione del nostro design. Questo ci permetterà di escludere problemi di fabbricazione e/o assemblaggio, consentendoci di concentrarci esclusivamente sull'analisi del circuito progettato. 

Punti Chiave

L'importanza di Progettare tenendo a mente DFM/DFA

I progettisti di PCB devono ricordare che ciò che disegnano su un computer deve alla fine prendere vita nel mondo reale. La carta (o, in questo caso, il computer) può ospitare qualsiasi cosa, ma la realtà è ben diversa. Pertanto, è fondamentale progettare considerando le capacità e i processi di fabbricazione di un PCB e PCBA.

La necessità di trattare i requisiti DFM/DFA come requisiti di progettazione fin dall'inizio

È essenziale trattare i requisiti DFM/DFA come un insieme aggiuntivo di criteri, altrettanto importanti quanto i requisiti funzionali o di sistema. Non tenere conto di questi fin dall'inizio del progetto può portare a ritardi e sovrapprezzi che potrebbero mettere a rischio il successo del progetto.

Interagire con i produttori prima di iniziare la progettazione

Basandosi sul punto precedente, è altamente raccomandato (se non obbligatorio) comunicare con i produttori e, se possibile, selezionare il produttore prima di iniziare il processo di progettazione. Questo garantisce una comprensione approfondita delle loro capacità e materiali, consente la verifica dei calcoli dell'impedenza, ecc. Affrontare queste questioni durante o dopo la fase di progettazione può portare a spiacevoli sorprese.

Dare l'Importanza Dovuta al DRC (Controllo delle Regole di Progettazione)

Non sottovalutare l'importanza dello strumento DRC (Design Rules Check). Questo è il primo passo dopo aver completato il design del PCB per verificare se soddisfa i requisiti DFM/DFA stabiliti all'inizio e funge da primo livello di assicurazione che il design sia realizzabile.

Il Produttore Richiede una Documentazione Completa

Alla conclusione del design, è essenziale creare una documentazione di alta qualità che contenga tutti i file necessari per la costruzione del PCB e, se possibile, includa tutte le istruzioni di assemblaggio e qualsiasi altro dettaglio aggiuntivo richiesto per la corretta fabbricazione e assemblaggio della scheda. Allo stesso modo, se richiesto, la documentazione dovrebbe includere i vari processi di ispezione, test e programmazione.

Garantire il Successo Attraverso l'Integrazione di DFM/DFA nel Design dei PCB

Progettare un PCB è più che soddisfare i requisiti funzionali. È necessario garantire che il design possa essere prodotto e assemblato con rischi e costi minimi. Integrando i principi di Design for Manufacturability (DFM) e Design for Assembly (DFA) fin dall'inizio, i progettisti possono ridurre significativamente i problemi di produzione, i ritardi e i costi imprevisti che altrimenti potrebbero mettere a rischio il progetto.