製造性を考慮した設計は、部品選定から始まります

試作ビルドの2週間前、あるチームは、数か月前に定格電流を理由に選定した基板対電線コネクタが「新規設計非推奨」（NRND）に変更されていたことを知ります。その部品を扱っている唯一のディストリビュータの在庫は、必要数量を下回っており、メーカーの補充納期は40週間との回答でした。最も近い代替品は同じケーブルと嵌合できますが、フットプリントが異なり、高さも約1mm高くなります。

そこで電気設計者はコネクタ周辺を再配線することになります。しかし高くなったハウジングが筐体内のボスと干渉し、機械設計者はそのボスを移動して金型見積もりを取り直さなければならず、結果として試作ビルドのスケジュールは数週間遅延します。

この一連の手戻りは、すべて最初のコネクタ選定にさかのぼります。その部品は単一メーカー製で、選定当時から在庫は薄かったにもかかわらず、電気的仕様だけを基準に採用されました。そしてNRND通知が出るまで、誰も再確認しなかったのです。Design for manufacturability（DFM）は、こうした初期判断に生産要件を織り込み、リリースまで継続して見直せるようにする考え方であり、ほとんどの電子製品では、その判断を機械設計と電気設計が共同で行うことを意味します。

重要なポイント

• 初期の部品選定、アーキテクチャ、製造方法の選択は、製品コストの主要因を決定づけます。したがって、それらの判断を行う際には生産要件も考慮する必要があります。
• 部品を最初に選定する際に、ライフサイクル状況、パッケージ、ディストリビュータ在庫を確認し、そのうえで認定済み代替品、または対策計画をBOMに記録しておきましょう。
• 推奨部品リストによって固有部品を減らし、スタックアップを決める前に、製造業者の対応可能なスタックアップ構成とインピーダンス許容差を入手しておきましょう。
• コネクタ選定や部品高さのような共有判断事項は、早い段階で機械設計者と電気設計者が一緒に決めるべきです。

製造コストはどこで決まるのか

コスト見積もりに関する研究で昔からよく言われている経験則では、製品コストの約70%は設計初期段階で決まるとされています。『Design for Manufacturability』の著者であるDavid M. Andersonも、予算の観点から同じ傾向を説明しています。すなわち、設計が完了する時点では製品予算のうち実際に使われたのは約8%にすぎない一方で、その時点ですでに約80%のコストが実質的に確定している、というものです。どちらも概算ですが、示している内容は同じです。つまり、コストは早い段階で固定化されるのです。

各プロジェクト段階は、それ以前の判断の積み重ねの上に成り立っています。そのため、問題の発見が遅れるほど、一般に修正コストは高くなります。大規模なハードウェアおよびソフトウェアシステムにおけるエラー修正コストの増大を定量化したNASAの研究では、要求定義段階で1単位のコストで修正できる要求エラーが、設計段階では3～8単位、製造段階では7～16単位、統合・試験段階では21～78単位のコストになることが示されました。

こうして固定化されるコストの多くは、日常的な設計判断のほんの一部から生じます。以下の4つの実践は、機械設計者と電気設計者が最も直接的に制御できる項目に対応するものです。

レイアウト開始前にコストを下げる4つのDFM実践

1. 設計を簡素化する

Geoffrey BoothroydとPeter Dewhurstが開発したDFMA（Design for manufacture and assembly）の手法は、部品点数に着目するところから始まります。部品を1つ削減するたびに、その調達コスト、組立コスト、在庫コスト、さらに潜在的な故障モードまで取り除けるからです。Boothroyd Dewhurstによれば、成熟製品に対するDFMAレビューでは、機能を変えることなく通常15～40%のコスト削減が実現されています。

総実装点数とBOM上の固有ラインアイテム数を減らすことは、それぞれ異なる形でコスト削減につながります。実装点数が少なければ組立時間が短縮され、固有ラインアイテムが少なければフィーダー段取りや在庫負担を減らせます。両方を追跡し、機能をより少ないデバイスへ統合する、BOM上で一度しか使われていない抵抗値や容量値を見直す、ばらのねじ類よりスナップフィットを優先するといった方法で、望ましい方向へ改善していきましょう。

簡素化は組立ラインにも及びます。たとえば、実装機が確実に搭載・検証できるピッチのパッケージ選定、高密度部品周辺における検査やリワークのためのクリアランス確保、そして配線で基板が埋まる前にテストポイントを配置しておくことなどが含まれます。

2. 部品と材料を標準化する

推奨部品リストがあれば、標準化は日々の習慣になります。IntelのSystems Groupで部品標準化プログラムを運営していたAndersonは、20,000点の部品を500点の推奨リストに集約し、抵抗、コンデンサ、ダイオードの2,000種類の値を35種類にまで削減したと報告しています。

推奨リストを作る際、電気系の有用な標準には、0402や0603といった一般的な受動部品パッケージ、短い標準値リスト、製品ファミリごとに1種類のラミネート材と表面仕上げを採用することなどがあります。機械系の標準には、標準板厚、ファスナーサイズ、スペーサー類が含まれます。もちろん、いずれも製品の電気的、熱的、信頼性要件を満たしていなければなりません。チームが直近3件の基板で実際に購入・実装・試験した部品群は、現在のライフサイクル状況と在庫を再確認したうえで、そのリストの良い出発点になります。

少量生産における材料標準化に関するある査読付き研究では、材料品目数を32から19に削減することで、サプライヤ管理と受入検査が簡素化されたことが示されています。

3. 購入できる部品を選ぶ

部品の入手性、ライフサイクル状況、セカンドソースの有無は、電圧定格や電流定格と同様に設計仕様に含めるべき項目です。これら3つはすべて、レイアウトが再設計なしに量産へ進めるかどうかに影響する可能性があるからです。Z2 Dataは、陳腐化に起因する再設計コストを2万ドルからほぼ200万ドルと見積もっており、さらに同社の分析では、2025年に廃止となった62万点超の部品のうち52%には、事前の製品変更通知がなかったとされています。

初期の調達スクリーニングでは、次の4点を確認します。

• ライフサイクル状況: アクティブであり、NRNDや生産終了通知が出ていないこと。
• 在庫: 認定ディストリビュータに、必要数量を満たす在庫があること。
• リードタイム: ビルドスケジュールに収まる十分に短い納期であること。
• 代替品: ピン互換以上の条件で適合する候補があること。ない場合は対策計画があること。

部品選定前に、電圧、電流、許容差、パッケージ制限を含む電気的許容範囲を定義しておけば、このスクリーニングは容易になります。パラメトリック検索によって、これらの条件を満たす候補部品、さらには他メーカー製の代替候補も抽出できるからです。同じ調達リスクは、コネクタ、スイッチ、ヒートシンクといった機械部品にも当てはまります。単一の置き換えで、基板外形、筐体開口部、嵌合ケーブルが変わってしまうこともあります。

選定時にスクリーニングしておけば、チームは代替案を評価する時間を確保できます。この確認を怠ると、調達問題が試作準備段階で表面化し、その時点での代替採用が基板と筐体の両方に変更を強いることになりかねません。

4. 製造業者が作れる範囲で設計する

スタックアップ、制御インピーダンス、ビア構造は、DFMとシグナルインテグリティが重なる領域です。製造業者が設計どおりのスタックアップを安定して製造できれば、完成した配線はシミュレーション予測により近い特性を保てます。Sierra Circuitsの記事で、RHartley Enterprisesのシグナルインテグリティ専門家Rick Hartleyは、設計者は基板製造業者の能力を理解し、それに合わせて設計を構築すべきだと助言しています。

これは、いくつかの繰り返し現れる選択に集約されます。

• 対称スタックアップは、積層やリフロー時の反りやねじれを抑えます。
• 標準在庫のある誘電体厚を使えば、特注材料とそれに伴う追加リードタイムを避けられます。
• 配線と組立の要求を満たす中で最も単純なビア構造を選べば、製造コストを抑えられます。フィルドビアやキャップドビアは、via-in-padやスタックドマイクロビアなど、その構造上必要な箇所にだけ指定すべきです。
• 現実的なインピーダンス許容差は、製造業者のプロセス能力に合わせる必要があります。たとえばSierra Circuitsでは、±10%、特別な場合には±5%まで対応可能です。

製造業者が安定して達成できる以上に厳しい許容差を要求する設計は、再設計や2回目の基板製造サイクルを招くリスクがあります。スタックアップと部品仕様が固まれば、残る制約はレイアウトルールで強制できます。これについては、設計ルールで検出できる8つの一般的なDFM問題に関する記事で詳しく扱っています。

機械設計と電気設計のDFMが交わる場所

上記の実践のいくつかは、両分野にまたがる部品や要素に関係しています。たとえば、コネクタ、高さのある部品、基板外形、取付穴、そしてアセンブリを固定する標準ハードウェアです。

こうしたインターフェースを、ブロック図と最初の筐体スケッチの段階で合意し、その後、詳細配置や筐体金型の確定前に詰めていけば、両方の設計を整合させやすくなります。共有部品を推奨部品リストに追加すれば、その整合性を次の製品にも引き継げます。CAD作業が始まった後は、同期された電子・機械CAD（ECAD-MCAD）ワークフローによって、その整合性を維持できます。これについては、ECAD–MCADコラボレーションに関する記事で説明しています。

チェックリスト: レイアウト開始前に適用すべきDFM実践

上記4つの実践は広い範囲をカバーしていますが、本当に重要な判断は、たいてい同じような繰り返し現れるチェックポイントに集中します。レイアウト開始前に漏れがないよう、このリストを活用してください。 

• 総実装点数とBOM上の固有ラインアイテム数の両方について目標を設定し、各レビューで追跡する。
• 直近3件の基板で使った部品から推奨部品リストを作成する。
• 新規部品は選定時にライフサイクル状況、認定在庫、リードタイムを確認し、リリース前にも再確認する。
• 単一メーカー部品については、すべて認定済み代替品または対策計画をBOMに記録する。
• コネクタ、高さのある部品、基板外形は、詳細配置の前に機械設計と電気設計で共同決定する。
• スタックアップを決める前に、製造業者のスタックアップ選択肢とインピーダンス許容差を入手する。
• 配線と組立の要求を満たす最も単純なビア構造を選び、フィルやキャップはその構造上必要な箇所にだけ指定する。
• 配線で基板が埋まる前に、検査アクセスとテストポイント配置を確認する。

Octopartが製造可能な部品選定をどう支援するか

ライフサイクル、在庫、パッケージのデータが1か所で確認できれば、調達スクリーニングはより迅速に進みます。 Octopartのパラメトリック検索では、パッケージ、実装タイプ、寸法で部品を絞り込むことができ、検索結果にはライフサイクル状況、在庫、リードタイムも表示されます。Octopartは、数百のディストリビューターから数千万点の部品について価格と在庫状況を取得しています。各部品ページには現在のオファーが一覧表示され、利用可能な場合は、在庫履歴も表示され、その部品が安定して在庫されてきたのか、あるいは時間の経過とともに在庫が薄くなってきたのかを確認できます。データシートに加え、利用可能なシンボル、フットプリント、3Dモデルによって、エンジニアはその部品を評価でき、適合性やクリアランスの確認にも役立ちます。部品ページには、その部品を在庫しているディストリビューター数も表示されます。冒頭の例にあるコネクタのように、1社のディストリビューターしか扱っていない部品は、レイアウト前に解決すべきシングルソースリスクです。

部品がBOMに載ると、Octopart BOM Toolによって、各行ごとのライフサイクル状況、価格、在庫が表示されるため、チームはレイアウト開始前にリスクのある部品の代替品を見つけることができます。

次の設計を詳細レイアウトに進める前に、そのBOMで調達性のスクリーニングを実行し、さらに積層構成を製造業者と確認しておきましょう。どちらも、まだ変更しやすい段階のうちに行うことが重要です。

次に使う部品をOctopartで検索し、レイアウト開始前にそのライフサイクル状況、ディストリビューター在庫、代替品を確認しましょう →

製造性設計（DFM）に関するよくある質問

電子機器における製造性設計（DFM）とは何ですか？

DFMとは、製品を実用上できるだけ低コストで製造、組み立て、試験できるように設計する実践のことです。電子機器では、部品選定、積層構成やビアの選択、レイアウトルール、さらにPCBと筐体で共有される機械的要素がその対象に含まれます。

DFMは組立性設計（DFA）とどう違うのですか？

DFAは組み立て後の製品に焦点を当て、各部品が本当に必要か、またどれだけ容易に取り扱い・挿入できるかを問います。一方DFMは、ベアボードを含む残る各部品がどのように作られるかに焦点を当てます。Boothroyd Dewhurstはこの2つをDFMAとして組み合わせ、まずDFAを適用します。というのも、削減できる部品については、その製造を最適化する必要がないためです。

BOMに部品を追加する前に、エンジニアは何を確認すべきですか？

データシートだけでなく、その部品のライフサイクル状況、正規ディストリビューターでの在庫の厚み、現在のリードタイム、そして他メーカーから同等品が入手可能かどうかまで確認してください。単一メーカーの部品については、認定済みの代替品を用意するか、合意済みの在庫バッファや将来の再設計計画など、文書化されたリスク低減策を持たせるべきです。

DFMは機械設計にどのように適用されますか？

電子機器における機械設計のDFMには、基板外形、取り付け機構、部品高さ、コネクタ配置、筐体への収まりに加え、組み立て時間を左右する締結部品やハードウェアの選定も含まれます。

DFMはどのように市場投入までの時間を短縮しますか？

DFMは、製造上の不適合による製作差し戻し、組み立ての手直し、後工程での部品置き換えによって生じる遅延を減らします。標準部品、十分な在庫がある部品、製造業者に適合した積層構成を採用することで、見積もり、調達、組み立て準備も短縮され、初回ビルドをより早く生産ラインに載せることができます。