Wymagania DFM/DFA w inżynierii systemowej

Jak omówiono w poprzednim artykule, projektując PCB, kluczowe jest uwzględnienie zestawu wymagań technicznych związanych z funkcjonalnością, zużyciem energii, rozmiarem, kompatybilnością elektromagnetyczną itp. Jednakże, wymagania dotyczące możliwości produkcyjnych i montażowych są równie ważne. Projektowanie wysokowydajnego obwodu, spełniającego wszystkie specyfikacje funkcjonalne lub wymagania regulacyjne, byłoby daremne, jeśli projekt nie jest możliwy do wyprodukowania lub jeśli napotka problemy montażowe, które mogą zwiększyć koszty produkcji lub, w najgorszym przypadku, uczynić produkt nieopłacalnym.

W tym artykule skupimy się na tym, jak podejść do zarządzania wymaganiami, aby zapewnić, że projekt jest możliwy do wyprodukowania i może być zmontowany. W szczególności omówimy, jak zintegrować CAD i CAM w systemie zarządzania, biorąc pod uwagę nie tylko wymagania techniczne przedstawione w poprzednim artykule, ale także czynniki wpływające na produkcję i montaż obwodu (takie jak szerokości ścieżek, odstępy, wiercenia, maski, umieszczanie komponentów itp.).

Wprowadzenie do DFM/DFA

Zarówno producenci PCB, jak i montażyści wymagają, aby zaprojektowane obwody były możliwe do wyprodukowania i montażu, odpowiednio. Podkreśla to potrzebę stosowania określonych zasad lub wytycznych projektowych, które uwzględniają różne etapy i technologie używane w produkcji PCB oraz różne techniki montażu, zapewniając, że produkt jest zarówno możliwy do wyprodukowania, jak i montażu. Ta konieczność prowadzi do pojęć DFM (Design for Manufacturability) i DFA (Design for Assembly).

• DFM, czyli Projektowanie z myślą o produkcji, to zbiór procesów, zasad i wytycznych, które muszą być przestrzegane podczas fazy projektowania, aby zapewnić, że płyta drukowana (PCB) może być wyprodukowana przy użyciu obecnych technologii i ograniczeń produkcyjnych.
• Podobnie, DFA, czyli Projektowanie z myślą o montażu, to zbiór procesów, zasad i wytycznych, które muszą być przestrzegane podczas fazy projektowania, aby zapewnić, że płyta drukowana (PCB) może być zmontowana przy użyciu obecnych technologii i ograniczeń montażowych.

Podczas tworzenia projektu musimy rozważyć następujące pytania:

• Czy PCB, które projektujemy, może być wyprodukowane?
• Czy mogło być zaprojektowane inaczej, aby zoptymalizować koszty?
• Czy może być zmontowane przy użyciu zautomatyzowanych procesów?
• Czy wymaga ręcznych lub skomplikowanych procesów, które zwiększają koszty?
• Czy występują problemy ze stanem magazynowym?

Wszystkie te pytania mogą zostać rozwiązane poprzez zastosowanie koncepcji DFM i DFA. Chociaż nie ma obowiązkowych regulacji, projektowanie obwodu z podstawowymi zasadami produkowalności jest kluczowe, aby zapewnić, że projekt jest wykonalny. W przeciwnym razie możemy napotkać niemiłe niespodzianki, gdy wyślemy dokumentację produkcyjną do wybranego producenta. To samo dotyczy zasad projektowania skierowanych na montaż płytki elektronicznej. Jeśli nie zostaną przestrzegane odpowiednie wytyczne projektowe dla wykonalnego zautomatyzowanego montażu, napotkamy znaczące problemy produkcyjne, wymagające ręcznych i skomplikowanych procesów, które zwiększą koszt montażu płytki elektronicznej.

Ważne jest, aby zauważyć, że każdy producent ma różne możliwości, w zależności od procesów i maszyn, które wykorzystuje. Dlatego możemy powiedzieć, że DFM/DFA są zależne od producenta. Przykład: Producent mający możliwości wytworzenia płytki PCB o 8 warstwach nie może wyprodukować płytki PCB o 12 warstwach z powodu swoich możliwości produkcyjnych.

W miarę jak projekty stają się bardziej skomplikowane (więcej warstw, wyższa gęstość, mniejsze szerokości i odstępy ścieżek, mniejsze średnice wierceń, ślepe lub zakopane przelotki itp.), DFM staje się coraz bardziej skomplikowane. W rezultacie pojawia się więcej zasad projektowych do rozważenia, a przestrzeganie tych zasad staje się bardziej krytyczne, aby zapewnić, że PCB może być wyprodukowane.

W związku z tym cele DFM/DFA są następujące:

1. Zdefiniowanie procesów, zasad i wytycznych projektowych.
2. Zapewnienie, że projekt jest wykonalny i może być zmontowany.

Aby uprościć cały ten proces, w 1957 roku został założony Instytut Obwodów Drukowanych (IPC), który opracował standard IPC, wspomagający projektantów i producentów w zadaniu tworzenia projektów możliwych do wykonania. Standardy IPC uwzględniają różne technologie produkcyjne i ograniczenia, a na ich podstawie powstały różne dokumenty, adresujące różne obszary projektowania. Drzewo standardów IPC jest pokazane pod następującym linkiem.

Chociaż standard IPC zasługiwałby na osobny artykuł ze względu na dużą liczbę zawartych w nim zasad, warto podkreślić, że istnieje zestaw zasad dotyczących projektowania PCB sztywnych, elastycznych i sztywno-elastycznych (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), jak również zestaw zasad związanych z projektowaniem pod kątem montażu (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Spójność między CAD/CAM a DFM/DFA

CAD i CAM odnoszą się odpowiednio do procesów Projektowania wspomaganego komputerowo oraz Produkcji wspomaganej komputerowo.

Tak jak projektanci używają narzędzi CAD (ECAD w przypadku inżynierów elektroników), takich jak Altium Designer, producenci używają innych narzędzi, które wspomagają ich w produkcji PCB, montażu i pokrewnych procesach, znanych jako oprogramowanie CAM. Przykłady obejmują CircuitCAM8 lub dowolne specyficzne oprogramowanie zintegrowane z automatyczną maszyną montażową (Pick & Place). 

Z perspektywy procesu projektowania (CAD), inżynierowie, opierając się na wytycznych DFM/DFA, wprowadzają reguły do narzędzia projektowego (np. używając Altium's Constraint Manager) a następnie weryfikują zgodność z tymi regułami (DRC – Sprawdzanie reguł projektowych).

Po zakończeniu projektu i zweryfikowaniu, czy spełnia on wszystkie niezbędne zasady dotyczące możliwości produkcyjnych i montażowych, jest on wysyłany do producenta. Korzystając z różnych narzędzi (CAM), producent może sprawdzić wszystkie parametry fabrykacji PCB i wykryć, czy jakiekolwiek wartości są poza tolerancją i wymagają modyfikacji, aby zapewnić niezawodną produkcję. Podobnie, montażyści PCB analizują zaprojektowany obwód i sprawdzają, czy mogą pojawić się jakiekolwiek potencjalne problemy podczas etapu montażu, zanim przejdą do montażu. 

Więc pojawia się pytanie: Jakie parametry są sprawdzane, aby określić, czy PCB jest możliwe do wyprodukowania i może być zmontowane? Innymi słowy, jakie zasady należy przestrzegać, aby zapewnić, że mój projekt jest zarówno możliwy do wyprodukowania, jak i może być zmontowany?

Przykładowe wymagania DFM/DFA

Po zdefiniowaniu wszystkich wymagań funkcjonalnych, wymagań systemowych i podsystemowych, wymagań klienta itp., musimy określić wymagania DFM/DFA. Innymi słowy, musimy wziąć pod uwagę te wymagania przed rozpoczęciem projektowania, aby zapewnić, że nasz projekt może być wyprodukowany bez niespodzianek czy problemów.

Chociaż lista parametrów do rozważenia może być obszerna i w dużej mierze zależy od każdego producenta i jego możliwości produkcyjnych, podsumowanie niezbędnych wymagań do zdefiniowania mogłoby wyglądać następująco.

Przykłady wymagań DFM

• REQ-DFM-01: Minimalna średnica otworu metalizowanego.

• REQ-DFM-02: Minimalna średnica otworu niemetalizowanego.

• REQ-DFM-03: Stosunek wysokości do średnicy otworu.

• REQ-DFM-04: Minimalna szerokość ścieżki / odstęp (warstwy zewnętrzne).

• REQ-DFM-05: Minimalna szerokość ścieżki / odstęp (warstwy wewnętrzne).

• REQ-DFM-06: Minimalna szerokość pierścienia lutowniczego (warstwy zewnętrzne).

• REQ-DFM-07: Minimalna szerokość pierścienia lutowniczego (warstwy wewnętrzne).

• REQ-DFM-08: Minimalna średnica mikroprzewiertu.

• REQ-DFM-09: Minimalny odstęp między mikroprzewiertami.

• REQ-DFM-10: Minimalny odstęp między mikroprzewiertami różnych poziomów (przewierty schodkowe).

• REQ-DFM-11: Wypełnienie mikroprzewiertu.

• REQ-DFM-12: Grubość PCB i układ warstw (przykłady 6, 8 i 10 warstw)

• REQ-DFM-13: Typy przewiertów.

• REQ-DFM-14: Definicja impedancji ścieżek jednostronnych.
• REQ-DFM-15: Definicja impedancji par różnicowych.
• REQ-DFM-16: Definicja wiercenia zwrotnego, jeśli jest to konieczne.
• 
• REQ-DFM-17: Odległości maski lutowniczej (szczególnie przy bardzo małych padach, np. BGA)
• REQ-DFM-18: Odległości sitodruku.
• REQ-DFM-19: Rozmiary sitodruku.

Przykłady wymagań DFA

• REQ-DFA-01: Montaż jednostronny lub dwustronny i technologia montażu.

• REQ-DFA-02: Standaryzacja i unifikacja komponentów.
• REQ-DFA-03: Odległości między komponentami.
• REQ-DFA-04: Wysokości komponentów.
• REQ-DFA-05: Odległość między komponentami a brzegiem PCB.
• REQ-DFA-06: Taśmy PCB dla przenośników.

• REQ-DFA-07: Fiducjale (rozmiar, pozycja i ilość na stronę).

• REQ-DFA-08: Maska pasty (otwory i redukcje).
• REQ-DFA-09: Technologia lutowania otworów przelotowych (fala, selektywna, ręczna).

Gdy projekt zostanie zakończony i spełni wymienione wyżej wymagania, pierwszym krokiem jest analiza DRC przy użyciu narzędzia Kontroli Zasad Projektowych (Design Rule Check). To narzędzie sprawdza wszystkie parametry, które zdefiniowaliśmy w zasadach, w stosunku do tego, co zostało zaprojektowane, i dostarcza raport o wszelkich parametrach, które nie zostały przestrzegane. To narzędzie może być aktywne przez całą fazę projektowania (DRC Online), tak aby Altium informowało nas w czasie rzeczywistym o każdym naruszeniu zasady. 

Gdy DRC nie wykaże żadnych błędów, będziemy gotowi do wygenerowania niezbędnej dokumentacji do wysłania do producenta i montażysty PCB. 

• Pliki Gerber
• Pliki wiercenia
• Pliki ODB++
• Lista Materiałów (z alternatywą dla krytycznych komponentów)
• Pliki współrzędnych komponentów (XY) dla maszyny Pick & Place
• Rysunki montażowe (pliki Draftsman) w formacie PDF
• Procedury inspekcji, testowania i programowania, jeśli są potrzebne
• Specjalne instrukcje montażowe (montaż radiatora, dozowanie powłoki lub cokolwiek, jeśli jest potrzebne)

Jeśli spełniliśmy wszystkie wymagania projektowe związane z DFM i DFA, przeszliśmy DRC bez żadnych błędów i wysłaliśmy producentowi całą niezbędną dokumentację do wykonania i montażu naszej płytki, znacząco zmniejszymy niepewność w przypadku awarii funkcjonalnych podczas fazy walidacji naszego projektu. Pozwoli nam to wykluczyć problemy z produkcją i/lub montażem, umożliwiając nam skupienie się wyłącznie na analizie zaprojektowanego obwodu. 

Podstawowe wnioski

Znaczenie projektowania z myślą o DFM/DFA

Projektanci PCB muszą pamiętać, że to, co rysują na komputerze, ostatecznie musi zostać zrealizowane w rzeczywistym świecie. Papier (lub w tym przypadku komputer) może pomieścić wszystko, ale rzeczywistość jest zupełnie inna. Dlatego kluczowe jest projektowanie, biorąc pod uwagę możliwości i procesy produkcyjne PCB i PCBA.

Potrzeba traktowania DFM/DFA jako wymagań projektowych od początku

Essencjalne jest traktowanie wymagań DFM/DFA jako dodatkowego zestawu kryteriów, równie ważnych co wymagania funkcjonalne lub systemowe. Nieuwzględnienie ich od początku projektu może prowadzić do opóźnień i przekroczeń kosztów, które mogą zagrozić sukcesowi projektu.

Zaangażowanie producentów przed rozpoczęciem projektowania

Kontynuując poprzedni punkt, zdecydowanie zaleca się (jeśli nie jest to obowiązkowe) komunikację z producentami i, jeśli to możliwe, wybór producenta przed rozpoczęciem procesu projektowania. Zapewnia to dokładne zrozumienie ich możliwości i materiałów, umożliwia weryfikację obliczeń impedancji itp. Zajmowanie się tymi kwestiami w trakcie lub po fazie projektowania może prowadzić do niemiłych niespodzianek.

Przywiąż odpowiednią wagę do DRC (Design Rules Check)

Nie lekceważ znaczenia narzędzia DRC (Design Rules Check). Jest to pierwszy krok po zakończeniu projektowania PCB, aby zweryfikować, czy spełnia ono wymagania DFM/DFA ustalone na początku i służy jako pierwszy poziom zapewnienia, że projekt jest wykonalny.

Producent Wymaga Kompleksowej Dokumentacji

Na zakończenie projektu niezbędne jest stworzenie wysokiej jakości dokumentacji, która zawiera wszystkie niezbędne pliki do budowy PCB i, jeśli to możliwe, obejmuje wszystkie instrukcje montażu oraz wszelkie inne dodatkowe szczegóły wymagane do prawidłowego wytwarzania i montażu płytki. Podobnie, jeśli jest to wymagane, dokumentacja powinna zawierać różne procesy inspekcji, testowania i programowania.

Zapewnienie sukcesu poprzez integrację DFM/DFA w projektowaniu PCB

Projektowanie PCB to coś więcej niż spełnianie wymagań funkcjonalnych. Musisz upewnić się, że projekt może być pomyślnie wyprodukowany i zmontowany przy minimalnych ryzykach i kosztach. Poprzez integrację zasad Projektowania z myślą o Produkcji (DFM) oraz Projektowania z myślą o Montażu (DFA) od samego początku, projektanci mogą znacząco zmniejszyć problemy produkcyjne, opóźnienia i nieprzewidziane koszty, które w przeciwnym razie mogłyby zagrozić projektowi.