Come progettare schede che funzionano con il processo, non contro di esso

La maggior parte dei ritardi nella fabbricazione dei PCB non è causata da difetti di produzione. Ha origine in una documentazione incompleta, in indicazioni di tolleranza ambigue e in specifiche dei materiali non allineate alle capacità di processo standard del produttore. Trattare il DFM come una semplice casella da spuntare alla fine del ciclo di progettazione, invece che come un’attività di progettazione integrata, è la causa principale della maggior parte degli slittamenti di pianificazione alla prima build.

Il vero problema ingegneristico è che i progettisti spesso rilasciano pacchetti dati ottimizzati per le prestazioni elettriche senza tenere conto dei vincoli di processo del produttore. Un progetto che supera tutti i controlli delle regole EDA può comunque risultare non producibile, oppure producibile solo con eccezioni di processo costose, se la documentazione non comunica l’intento progettuale in modo sufficientemente chiaro da consentire al produttore di prendere le decisioni di processo corrette.

Punti chiave

• La maggior parte dei ritardi nella fabbricazione dei PCB deriva da problemi di documentazione, non da difetti di produzione. Note di fabbricazione incomplete, indicazioni di tolleranza ambigue e specifiche dei materiali che non corrispondono alle capacità di processo standard del produttore causano più slittamenti di pianificazione alla prima build di qualsiasi problema in officina.
• Indicare esplicitamente solo le tolleranze determinate da requisiti funzionali. Specificare tolleranze strette su ogni caratteristica fa aumentare i costi senza migliorare il prodotto. Il controllo dell’impedenza, le transizioni flex-rigid, i requisiti dell’anello anulare sui microvia e le tolleranze di posizione dei fori meritano indicazioni esplicite; tutto il resto dovrebbe rientrare nelle capacità di processo standard.
• I file Gerber da soli non comunicano l’intento progettuale. Un pacchetto completo di documentazione di fabbricazione, che copra obiettivi di impedenza controllata, requisiti dei materiali, intento dello stackup e necessità di lavorazione specifiche per determinate aree, elimina giorni di scambi che altrimenti ritarderebbero la build.
• La revisione DFM deve far parte del flusso di lavoro, non arrivare alla sua fine. Qualsiasi modifica che influisca sulla geometria del rame, sullo stackup o sulle aperture dello stencil richiede l’esecuzione di nuovi controlli DFM prima del rilascio. Coinvolgere presto la revisione DFM del produttore permette di individuare problemi specifici del processo che i controlli delle regole EDA non possono segnalare.

Selezione dei materiali e rischio di approvvigionamento

Specificare un singolo materiale laminato per produttore e codice articolo crea una dipendenza nell’approvvigionamento. Se il tuo produttore non tiene a magazzino quel materiale specifico o non lo utilizza regolarmente, introduci contemporaneamente ritardi di approvvigionamento e rischio di processo.

L’approccio pratico consiste nell’identificare quali proprietà del materiale sono irrinunciabili per il tuo progetto (requisiti di perdita alla frequenza operativa, Tg per il tuo ambiente termico, corrispondenza del CTE per l’affidabilità) e dove invece hai flessibilità. Dare al produttore margine nella scelta del materiale, laddove i requisiti prestazionali lo consentano, spesso porta a prezzi migliori e tempi di consegna più brevi.

I disegni dello stackup possono indicare spessori specifici e marchi commerciali dei materiali come mostrato in questa immagine da Altium’s Draftsman.

Indicazioni di tolleranza che fanno aumentare i costi

Un disegno di fabbricazione che specifica solo "Build to IPC-6012 Class 2, newest revision" fornisce solo indicazioni di base. Al contrario, i disegni che richiedono tolleranze inutilmente strette su ogni caratteristica aumentano i costi senza migliorare il prodotto.

La pratica corretta consiste nell’identificare quali tolleranze sono guidate da requisiti funzionali e indicarle esplicitamente. Il controllo dell’impedenza su strati specifici, l’allineamento tra le transizioni flex e rigid, i requisiti dell’anello anulare sui microvia: questi meritano indicazioni di tolleranza esplicite. Le caratteristiche che non sono sensibili alle prestazioni dovrebbero essere lasciate alle capacità di processo standard.

Documentazione di fabbricazione e intento progettuale

I file Gerber sono uno degli output che i produttori possono usare per realizzare schede nude, ma sono solo uno dei modi per fornire la documentazione e i requisiti di cui una fabbrica di PCB ha bisogno. Il tuo produttore non è stato coinvolto nelle tue decisioni progettuali e non può dedurre l’intento dalla sola geometria del rame. Lo scopo della documentazione di fabbricazione è comunicare l’intento progettuale in modo sufficientemente chiaro affinché il produttore possa prendere le decisioni di processo corrette senza dover indovinare.

Note di fabbricazione efficaci dovrebbero specificare:

• Requisiti di impedenza controllata con valori obiettivo, tolleranze e strati di riferimento
• Requisiti dei materiali o sostituzioni accettabili con i relativi criteri prestazionali
• Intento dello stackup, inclusi spessori dielettrici e pesi del rame
• Requisiti specifici per determinate aree, come irrigiditori localizzati, placcatura selettiva o posizionamento dei coupon di impedenza
• Caratteristiche che richiedono particolare attenzione di processo durante foratura, laminazione o placcatura

Un set completo di note di fabbricazione elimina giorni di scambi che altrimenti ritarderebbero la tua build.

Modifiche di progetto nelle fasi finali e verifica

Le modifiche al progetto apportate dopo il completamento del routing possono creare violazioni DFM in aree dense o a impedenza controllata, anche quando le modifiche sembrano minori. Una traccia spostata può violare le regole di spaziatura rispetto alle caratteristiche adiacenti. Un componente aggiunto può richiedere una modifica dello stencil che influisce sul volume di pasta sui pad vicini.

Qualsiasi modifica che influisca sulla geometria del rame, sullo stackup o sul progetto delle aperture dello stencil richiede una nuova esecuzione dei controlli DFM prima del rilascio. Questo non è facoltativo per i progetti ad alta densità o ad alta velocità, dove i margini sono già ridotti. Il costo di una nuova verifica è trascurabile rispetto al costo di un fermo di fabbricazione o di una nuova iterazione della scheda.

Integrare la revisione DFM nel processo di rilascio del progetto

La revisione DFM non dovrebbe essere trattata come un controllo finale prima del rilascio. Deve far parte del flusso di lavoro insieme alla verifica elettrica come fase standard del processo di progettazione. La maggior parte dei produttori esegue la revisione DFM senza costi aggiuntivi, in particolare per i clienti consolidati, e individuare le violazioni prima del rilascio elimina la fonte più comune di ritardi nella build.

La revisione DFM del produttore rileva problemi specifici del processo che il controllo delle regole di progettazione del tuo strumento EDA non può segnalare:

• Problemi di utilizzo del pannello che incidono su prezzo o consegna
• Limiti del rapporto di aspetto dei fori per le loro attrezzature specifiche
• Problemi di registrazione con il loro processo di laminazione
• Vincoli di lavorazione specifici del materiale che influenzano l’allineamento tra gli strati
• Problemi di bilanciamento del rame che causano deformazioni durante la laminazione

Coinvolgere presto questa revisione e trattare il feedback come input progettuale operativo riduce il tempo di ciclo e migliora il rendimento al primo passaggio.

Passa dalla progettazione al rilascio con meno attrito

Preparare correttamente la documentazione di fabbricazione è una parte di un processo di rilascio affidabile. L’altra è avere un flusso di lavoro che mantenga collegati progetto, revisione e output dal primo schema fino al pacchetto dati finale.

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Domande frequenti

Qual è la differenza tra DRC e DFM nella progettazione PCB?

Un design rule check (DRC) verifica se un layout rispetta le regole definite nel tuo strumento EDA (clearance, larghezze delle tracce, anelli anulari minimi). Il DFM va oltre: verifica se il progetto può essere realizzato in modo affidabile entro le reali capacità di processo di uno specifico produttore, inclusi limiti del rapporto di aspetto di foratura, bilanciamento del rame per la laminazione, utilizzo del pannello e tolleranze di registrazione. Una scheda può superare tutti i controlli DRC e comunque causare un fermo di fabbricazione se la documentazione non è allineata al modo in cui la fabbrica esegue realmente il proprio processo.

Cosa dovrebbero includere le note di fabbricazione PCB?

Note di fabbricazione efficaci dovrebbero coprire:

• Requisiti di impedenza controllata con valori obiettivo, tolleranze e strati di riferimento
• Requisiti dei materiali o sostituzioni accettabili con i criteri prestazionali che li determinano
• Intento dello stackup inclusi spessori dielettrici e pesi del rame
• Requisiti specifici per determinate aree come placcatura selettiva o posizionamento degli irrigiditori
• Qualsiasi caratteristica che richieda particolare attenzione durante foratura, laminazione o placcatura 

I file Gerber comunicano la geometria del rame, le note di fabbricazione comunicano l’intento progettuale.

Quando dovrebbero essere eseguiti i controlli DFM durante la progettazione PCB?

I controlli DFM dovrebbero essere eseguiti insieme alla verifica elettrica durante tutto il processo di progettazione, non solo prima del rilascio. Controlli tardivi possono portare a ordini interni di modifica tecnica, nuove iterazioni della scheda, ritardi e costi aggiuntivi. Qualsiasi modifica che influisca sulla geometria del rame, sullo stackup o sulle aperture dello stencil richiede una nuova esecuzione prima che il pacchetto dati venga rilasciato, anche quando la modifica sembra minore.

Specificare tolleranze strette su ogni caratteristica migliora la qualità del PCB?

No. Indicare tolleranze inutilmente strette su caratteristiche che non sono sensibili alle prestazioni aumenta il costo di fabbricazione senza migliorare il prodotto. Le tolleranze strette richiedono eccezioni di processo, setup aggiuntivi o passaggi manuali che aumentano i costi ed estendono i tempi di consegna. La pratica corretta consiste nell’identificare quali tolleranze sono guidate da requisiti funzionali e indicarle esplicitamente, lasciando tutto il resto alle capacità di processo standard del produttore.