DFM/DFAの要件 システムエンジニアリングにおいて

前回の記事で議論したように、PCBを設計する際には、機能性、消費電力、サイズ、電磁両立性などに関連する一連の技術要件を考慮することが不可欠です。しかし、製造性と組み立て要件も同様に重要です。高性能な回路を設計し、すべての機能仕様や規制要件を満たしても、設計が製造不可能であったり、生産コストを増加させるか、最悪の場合、製品を実現不可能にする組み立て問題に遭遇した場合は無意味です。

この記事では、設計が製造可能であり、組み立てられることを確実にするために、要件管理にどのように取り組むかに焦点を当てます。具体的には、前の記事で概説された技術要件だけでなく、回路の製造と組み立てに影響を与える要因（トレース幅、間隔、ドリリング、マスク、コンポーネントの配置など）も考慮して、管理システム内でCADとCAMをどのように統合するかについて議論します。

DFM/DFAへの導入

PCB製造業者と組み立て業者は、設計された回路が製造可能であり、それぞれ組み立て可能であることを要求します。これは、PCB製造のさまざまな段階や使用される技術、および異なる組み立て技術を考慮した特定の設計ルールやガイドラインに従う必要性を強調しています。これにより、製品が製造可能であり、組み立てられることを保証します。この必要性から、DFM（製造性のための設計）およびDFA（組み立てのための設計）の概念が生まれます。

• DFM、または製造のための設計は、プリント回路基板（PCB）が現在の製造技術と制限を使用して製造できるようにするために、設計段階で従わなければならないプロセス、ルール、およびガイドラインのセットです。
• 同様に、DFA、または組み立てのための設計は、プリント回路基板（PCB）が現在の組み立て技術と制限を使用して組み立てられるようにするために、設計段階で従わなければならないプロセス、ルール、およびガイドラインのセットです。

設計を行う際には、次の質問を考慮する必要があります：

• 私たちが設計しているPCBは製造可能ですか？
• コストを最適化するために異なる方法で設計されていた可能性はありますか？
• 自動化プロセスを使用して組み立てることができますか？
• コストを増加させる手動または複雑なプロセスが必要ですか？
• 在庫に問題はありますか？

これらの質問はすべて、DFMとDFAの概念を通じて対処できます。義務的な規制はありませんが、基本的な製造可能性のルールに従って回路を設計することは、設計が製造可能であることを確実にするために不可欠です。そうでなければ、選択した製造業者に製造文書を送信した後に、不愉快な驚きに遭遇するかもしれません。電子ボードの組み立てを目的とした設計ルールにも同じことが当てはまります。実行可能な自動組み立てのための適切な設計ガイドラインに従わない場合、手動で複雑なプロセスを必要とする重大な生産問題に直面することになり、電子ボードの組み立てコストが増加します。

各製造業者が使用するプロセスと機械に基づいて異なる能力を持っていることに注意することが重要です。したがって、DFM/DFAは製造業者依存であると言えます。例：8層のPCBを製造できる能力を持つ製造業者は、その製造能力のために12層のPCBを製造できません。

設計がより複雑になるにつれて（より多くの層、より高い密度、より小さいトレース幅と分離、より小さいドリル径、ブラインドビアや埋め込みビアなど）、DFMはますます複雑になります。その結果、考慮すべき設計ルールが増え、これらのルールを遵守することが、PCBが製造可能であることを確実にするためにより重要になります。

したがって、DFM/DFAの目的は次のとおりです。

1. プロセス、ルール、および設計ガイドラインを定義する。
2. 設計が製造可能であり、組み立てられることを保証する。

これを簡素化するために、印刷回路研究所（IPC）は1957年に設立され、製造可能な設計を作成するための設計者と製造者を支援するIPC標準を開発しました。IPC標準は、さまざまな製造技術と制限を考慮し、これらに基づいてさまざまな設計領域を対象とした異なる文書が作成されています。IPC標準のツリーは次のリンクで示されています。

IPC標準には多くのルールが含まれているため、それ自体が記事に値するものですが、リジッド、フレキシブル、リジッドフレックスPCBの設計に関する一連のルール（IPC-21xx、IPC-22xx、IPC-26xx）および組み立てに関する設計のための一連のルール（IPC-D-279、IPC-D-326、IPC-7351）があることを強調する価値があります。

CAD/CAMとDFM/DFAの結束

CADおよびCAMはそれぞれコンピュータ支援設計とコンピュータ支援製造プロセスを指します。

設計者が電子エンジニアの場合はECADツール（例：Altium Designer）を使用するように、製造業者はPCB製造、組み立て、関連プロセスを支援する他のツール、CAMソフトウェアを使用します。例としてはCircuitCAM8や自動組み立て機（ピック＆プレース）に統合された特定のソフトウェアがあります。 

設計プロセス（CAD）の観点から、エンジニアはDFM/DFAガイドラインに基づいて設計ツール（例：Altiumの制約マネージャーを使用して）にルールを入力し、その後これらのルールの遵守を確認します（DRC – 設計ルールチェック）。

設計が完了し、製造および組み立てのための必要なすべてのルールを満たしていることが確認されると、製造業者に送られます。CAM（コンピュータ支援製造）などの異なるツールを使用して、製造業者はPCB製造パラメーターをすべてチェックし、許容範囲外の値があるかどうかを検出し、信頼性の高い製造を保証するために修正が必要かどうかを判断できます。同様に、PCB組み立て業者は設計された回路を分析し、組み立て段階で潜在的な問題が発生する可能性があるかどうかをチェックした後で組み立てを進めます。

そこで、問題が生じます：PCBが製造可能であり、組み立てることができるかどうかを判断するためにチェックされるパラメーターは何ですか？または、別の言い方をすると、設計が製造可能であり、組み立てることができるようにするためには、どのようなルールに従うべきですか？

DFM/DFA要件の例

すべての機能要件、システムおよびサブシステム要件、顧客要件などが定義されたら、DFM/DFA要件を定義する必要があります。言い換えれば、設計を開始する前にこれらの要件を考慮して、設計が驚きや問題なく製造できるようにする必要があります。

考慮すべきパラメーターのリストは広範にわたり、各製造業者とその製造能力に大きく依存するかもしれませんが、定義する必要がある要件の要約は以下のようになります。

DFM要件の例

• REQ-DFM-01: 最小メッキ穴径。

• REQ-DFM-02: 最小非メッキ穴径。

• REQ-DFM-03: アスペクト比。

• REQ-DFM-04: 最小トレース幅／クリアランス（外層）。

• REQ-DFM-05: 最小トレース幅／クリアランス（内層）。

• REQ-DFM-06: 最小アニュラーリング（外層）。

• REQ-DFM-07: 最小アニュラーリング（内層）。

• REQ-DFM-08: 最小マイクロビア径。

• REQ-DFM-09: 最小マイクロビア間隔。

• REQ-DFM-10: 異なるレベルのマイクロビア間の最小間隔（スタッガードビア）。

• REQ-DFM-11: マイクロビア充填。

• REQ-DFM-12: PCBの厚さとスタックアップ（6層、8層、10層の例）

• REQ-DFM-13: ビアの種類。

• REQ-DFM-14: シングルエンドトレースのインピーダンス定義。
• REQ-DFM-15: 差動ペアインピーダンストレースの定義。
• REQ-DFM-16: 必要に応じてのバックドリリングの定義。
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• REQ-DFM-17: ソルダーマスクのクリアランス（特に非常に小さいパッド、例えばBGAなど）
• REQ-DFM-18: シルクスクリーンのクリアランス。
• REQ-DFM-19: シルクスクリーンのサイズ。

設計上の要件の例

• REQ-DFA-01: 単面または両面の組み立ておよび実装技術。

• REQ-DFA-02: コンポーネントの標準化と統一。
• REQ-DFA-03: コンポーネントのクリアランス。
• REQ-DFA-04: コンポーネントの高さ。
• REQ-DFA-05: コンポーネントとPCBの境界との距離。
• REQ-DFA-06: コンベヤ用のPCBバンド。

• REQ-DFA-07: フィデューシャル（サイズ、位置、および側面ごとの数量）。

• REQ-DFA-08: ペーストマスク（開口部と縮小）。
• REQ-DFA-09: スルーホールはんだ技術（波、選択的、手動）。

設計が完了し、上記の要件を満たした場合、最初のステップはデザインルールチェックツールを使用したDRC分析です。このツールは、ルールで定義したすべてのパラメータを設計されたものと照らし合わせてチェックし、従われていないパラメータのレポートを提供します。このツールは、設計フェーズ全体を通じてアクティブに保つことができ（DRCオンライン）、Altiumがリアルタイムでルール違反がある場合に通知してくれます。 

DRCがゼロエラーを示した場合、PCB製造業者および組立業者に送るために必要なドキュメントを生成する準備が整います。 

• Gerberファイル
• ドリルファイル
• ODB++ファイル
• 部品表（重要なコンポーネントの代替品を含む）
• ピック＆プレース機用のコンポーネント座標（XY）ファイル
• 組立図面（Draftsmanファイル）PDF形式
• 必要に応じて検査、テスト、およびプログラミング手順
• 特別な組立指示（ヒートシンク組立、コーティング分配など、必要に応じて）

DFMおよびDFAに関連する設計要件をすべて満たし、DRCをゼロエラーで通過し、基板の製造と組み立てに必要なすべての文書を製造業者に送付した場合、設計の検証フェーズで機能障害が発生した場合の不確実性を大幅に減らすことができます。これにより、製造および/または組み立ての問題を除外し、設計された回路の分析に集中することができます。

主なポイント

DFM/DFAを念頭に置いて設計する重要性

PCB設計者は、コンピュータ上で描いているものが最終的に現実のものとして実現されなければならないことを忘れてはなりません。紙（またはこの場合、コンピュータ）は何でも受け入れることができますが、現実はまったく異なります。したがって、PCBおよびPCBAの能力と製造プロセスを考慮しながら設計することが重要です。

DFM/DFAを最初から設計要件として扱う必要性

DFM/DFA要件を機能要件やシステム要件と同じくらい重要な追加の基準として扱うことが不可欠です。プロジェクトの初めからこれらを考慮に入れないと、プロジェクトの成功を危険にさらす可能性のある遅延やコスト超過につながる可能性があります。

設計を開始する前に製造業者と連携する

前述のポイントを踏まえて、製造業者とのコミュニケーションを取ることが非常に推奨されます（場合によっては必須です）。可能であれば、設計プロセスを開始する前に製造業者を選定することが望ましいです。これにより、彼らの能力や材料について徹底的に理解し、インピーダンス計算の検証などが可能になります。これらの問題を設計段階の途中や後で対処すると、予期せぬ問題が発生する可能性があります。

DRC（設計ルールチェック）の重要性を認識する

DRCツール（設計ルールチェック）の重要性を過小評価しないでください。これは、PCB設計を完了した後の最初のステップであり、最初に設定されたDFM/DFA要件を満たしているかを確認し、設計が製造可能であるという最初のレベルの保証として機能します。

製造業者には包括的なドキュメントが必要

設計の結論として、PCBを構築するために必要なすべてのファイルを含む高品質のドキュメントを作成することが不可欠です。可能であれば、すべての組み立て指示や、ボードの適切な製造と組み立てに必要なその他の追加の詳細を含めるべきです。同様に、必要に応じて、様々な検査、テスト、およびプログラミングプロセスをドキュメントに含めるべきです。

DFM/DFAをPCB設計に統合することで成功を確実にする

PCBを設計することは、機能要件を満たす以上のことです。設計が成功裏に製造および組み立てられ、リスクとコストを最小限に抑えることを確実にする必要があります。製造のための設計（DFM）および組み立てのための設計（DFA）の原則を最初から統合することで、設計者は生産上の問題、遅延、そしてプロジェクトを危険にさらす可能性のある予期せぬコストを大幅に削減できます。