Jak projektować płytki, które współpracują z procesem, a nie działają przeciwko niemu

Większość opóźnień w produkcji PCB nie wynika z wad wytwórczych. Ich źródłem jest niepełna dokumentacja, niejednoznaczne oznaczenia tolerancji oraz specyfikacje materiałowe, które nie są zgodne ze standardowymi możliwościami procesowymi producenta. Traktowanie DFM jako pozycji do odhaczenia na końcu cyklu projektowego, zamiast jako zintegrowanego elementu projektowania, jest podstawową przyczyną większości opóźnień harmonogramu przy pierwszej iteracji produkcyjnej.

Rzeczywisty problem inżynieryjny polega na tym, że projektanci często przekazują pakiety danych zoptymalizowane pod kątem parametrów elektrycznych, nie uwzględniając ograniczeń procesowych producenta. Projekt, który przechodzi wszystkie kontrole reguł EDA, nadal może być niewykonalny produkcyjnie albo możliwy do wykonania jedynie przy kosztownych odstępstwach procesowych, jeśli dokumentacja nie komunikuje wystarczająco jasno założeń projektowych, by producent mógł podjąć właściwe decyzje procesowe.

Najważniejsze wnioski

• Większość opóźnień w produkcji PCB wynika z błędów dokumentacyjnych, a nie z wad wytwarzania. Niepełne uwagi produkcyjne, niejednoznaczne oznaczenia tolerancji i specyfikacje materiałowe niedopasowane do standardowych możliwości procesowych producenta powodują więcej opóźnień pierwszej produkcji niż cokolwiek na hali produkcyjnej.
• Jawnie określaj tylko tolerancje wynikające z wymagań funkcjonalnych. Określanie ścisłych tolerancji dla każdej cechy podnosi koszt bez poprawy produktu. Kontrola impedancji, przejścia flex-rigid, wymagania dotyczące pierścienia wokół otworu dla mikrootworów oraz tolerancje położenia otworów wymagają jednoznacznych oznaczeń; wszystko pozostałe powinno opierać się na standardowych możliwościach procesu.
• Same pliki Gerber nie komunikują założeń projektowych. Kompletny pakiet dokumentacji produkcyjnej, obejmujący docelowe wartości kontrolowanej impedancji, wymagania materiałowe, założenia stackupu oraz wymagania dotyczące obróbki specyficznej dla danych obszarów, eliminuje dni zbędnej wymiany informacji, które w przeciwnym razie opóźniłyby produkcję.
• Przegląd DFM powinien być częścią procesu, a nie jego końcowym etapem. Każda zmiana wpływająca na geometrię miedzi, stackup lub apertury szablonu wymaga ponownego uruchomienia kontroli DFM przed wydaniem dokumentacji. Wczesne zaangażowanie przeglądu DFM po stronie producenta pozwala wychwycić problemy specyficzne dla procesu, których kontrole reguł EDA nie są w stanie wykryć.

Dobór materiałów i ryzyko zakupowe

Określenie jednego konkretnego materiału laminatu według producenta i numeru części tworzy zależność zakupową. Jeśli Twój producent nie ma tego konkretnego materiału na stanie lub nie przetwarza go regularnie, jednocześnie wprowadzasz opóźnienia zakupowe i ryzyko procesowe.

Praktyczne podejście polega na określeniu, które właściwości materiału są niepodlegające negocjacji dla Twojego projektu (wymagania dotyczące strat przy częstotliwości pracy, Tg dla środowiska termicznego, dopasowanie CTE pod kątem niezawodności), a gdzie masz elastyczność. Danie producentowi swobody w doborze materiału tam, gdzie pozwalają na to wymagania eksploatacyjne, często skutkuje lepszą ceną i krótszym czasem realizacji.

Rysunki stackupu mogą określać konkretne grubości i komercyjne marki materiałów, jak pokazano na tym obrazie z Draftsman firmy Altium.

Oznaczenia tolerancji, które podnoszą koszt

Rysunek produkcyjny, który określa jedynie „Wykonać zgodnie z IPC-6012 Klasa 2, najnowsza rewizja”, zapewnia wyłącznie podstawowe wytyczne. Z kolei rysunki określające niepotrzebnie ścisłe tolerancje dla każdej cechy zwiększają koszt bez poprawy produktu.

Poprawną praktyką jest określenie, które tolerancje wynikają z wymagań funkcjonalnych, i jawne ich oznaczenie. Kontrola impedancji na określonych warstwach, wzajemne pozycjonowanie między przejściami flex i rigid, wymagania dotyczące pierścienia wokół otworu dla mikrootworów — te elementy zasługują na jednoznaczne oznaczenia tolerancji. Cechy, które nie są krytyczne dla parametrów użytkowych, należy pozostawić w zakresie standardowych możliwości procesu.

Dokumentacja produkcyjna i założenia projektowe

Pliki Gerber są jednym z formatów wyjściowych, których producenci mogą używać do wytwarzania gołych płytek, ale stanowią tylko jeden ze sposobów dostarczenia dokumentacji i wymagań potrzebnych zakładowi produkcyjnemu. Twój producent nie uczestniczył w podejmowaniu decyzji projektowych i nie może wywnioskować intencji wyłącznie z geometrii miedzi. Celem dokumentacji produkcyjnej jest na tyle jasne zakomunikowanie założeń projektowych, aby producent mógł podejmować prawidłowe decyzje procesowe bez zgadywania.

Skuteczne uwagi produkcyjne powinny określać:

• Wymagania dotyczące kontrolowanej impedancji wraz z wartościami docelowymi, tolerancjami i warstwami odniesienia
• Wymagania materiałowe lub dopuszczalne zamienniki wraz z kryteriami parametrów użytkowych
• Założenia stackupu, w tym grubości dielektryków i gramatury miedzi
• Wymagania specyficzne dla danych obszarów, takie jak lokalne usztywnienia, selektywne pokrycia galwaniczne lub rozmieszczenie kuponów impedancyjnych
• Cechy wymagające szczególnej uwagi podczas wiercenia, laminowania lub galwanizacji

Kompletny zestaw uwag produkcyjnych eliminuje dni komunikacji tam i z powrotem, które w przeciwnym razie opóźniłyby realizację.

Późne zmiany projektowe i weryfikacja

Zmiany projektowe wprowadzane po zakończeniu trasowania mogą powodować naruszenia DFM w obszarach o dużej gęstości upakowania lub z kontrolowaną impedancją, nawet jeśli zmiany wydają się niewielkie. Przesunięta ścieżka może naruszać reguły odstępów względem sąsiednich elementów. Dodany komponent może wymagać modyfikacji szablonu, która wpływa na objętość pasty na sąsiednich padach.

Każda zmiana wpływająca na geometrię miedzi, stackup lub projekt apertur szablonu wymaga ponownego uruchomienia kontroli DFM przed wydaniem dokumentacji. Nie jest to opcjonalne w projektach o dużej gęstości lub wysokiej szybkości, gdzie marginesy są już niewielkie. Koszt ponownej weryfikacji jest znikomy w porównaniu z kosztem wstrzymania produkcji lub ponownego wykonania projektu płytki.

Włączenie przeglądu DFM do procesu wydawania projektu

Przegląd DFM nie powinien być traktowany jako końcowa bramka przed wydaniem. Powinien stanowić część Twojego workflow obok weryfikacji elektrycznej jako standardowy etap procesu projektowego. Większość producentów przeprowadza przegląd DFM bez dodatkowych kosztów, szczególnie dla stałych klientów, a wykrycie naruszeń przed wydaniem eliminuje najczęstsze źródło opóźnień produkcyjnych.

Przegląd DFM po stronie producenta wychwytuje problemy specyficzne dla procesu, których kontrola reguł projektowych w narzędziu EDA nie potrafi wskazać:

• Problemy z wykorzystaniem panelu wpływające na cenę lub termin dostawy
• Ograniczenia współczynnika aspektu wierceń dla ich konkretnego sprzętu
• Problemy z pozycjonowaniem związane z ich procesem laminowania
• Ograniczenia przetwarzania specyficzne dla materiału wpływające na wyrównanie warstwa-do-warstwy
• Problemy z bilansem miedzi powodujące wypaczanie podczas laminowania

Wczesne zaangażowanie w taki przegląd i traktowanie informacji zwrotnej jako użytecznego wkładu projektowego skraca czas cyklu i poprawia uzysk przy pierwszym przejściu.

Przejdź od projektu do wydania z mniejszym tarciem

Poprawne przygotowanie dokumentacji produkcyjnej to jeden z elementów niezawodnego procesu wydania. Drugim jest workflow, który utrzymuje spójność projektu, przeglądu i danych wyjściowych od pierwszego schematu po finalny pakiet danych.

Altium Develop zostało stworzone dla projektantów sprzętu i małych zespołów, które chcą takiej przejrzystości bez dodatkowego narzutu. Oferuje możliwości projektowania PCB klasy Altium wraz z prostszą ścieżką od aktywnego projektu przez przegląd do wydania. Bez wymuszonej zmiany procesu. Bez złożoności klasy enterprise, o którą nie proszono.

Zacznij z Altium Develop →

Często zadawane pytania

Jaka jest różnica między DRC a DFM w projektowaniu PCB?

Kontrola reguł projektowych (DRC) sprawdza, czy layout spełnia reguły zdefiniowane w narzędziu EDA (odstępy, szerokości ścieżek, minimalne pierścienie wokół otworów). DFM idzie dalej: sprawdza, czy projekt można niezawodnie wyprodukować w ramach rzeczywistych możliwości procesowych konkretnego producenta, w tym ograniczeń współczynnika aspektu wierceń, bilansu miedzi dla laminowania, wykorzystania panelu i tolerancji pozycjonowania. Płytka może przejść wszystkie kontrole DRC, a mimo to spowodować wstrzymanie produkcji, jeśli dokumentacja nie odpowiada temu, jak zakład faktycznie prowadzi swój proces.

Co powinny zawierać uwagi produkcyjne PCB?

Skuteczne uwagi produkcyjne powinny obejmować:

• Wymagania dotyczące kontrolowanej impedancji wraz z wartościami docelowymi, tolerancjami i warstwami odniesienia
• Wymagania materiałowe lub dopuszczalne zamienniki wraz z kryteriami parametrów użytkowych, które za nimi stoją
• Założenia stackupu, w tym grubości dielektryków i gramatury miedzi
• Wymagania specyficzne dla danych obszarów, takie jak selektywne pokrycia galwaniczne lub rozmieszczenie usztywnień
• Wszelkie cechy wymagające szczególnej uwagi podczas wiercenia, laminowania lub galwanizacji 

Pliki Gerber komunikują geometrię miedzi, a uwagi produkcyjne komunikują założenia projektowe.

Kiedy należy uruchamiać kontrole DFM podczas projektowania PCB?

Kontrole DFM powinny być uruchamiane równolegle z weryfikacją elektryczną przez cały proces projektowy, a nie tylko przed wydaniem. Późne kontrole mogą prowadzić do wewnętrznych zleceń zmian inżynieryjnych, ponownego projektowania płytek, opóźnień i dodatkowych kosztów. Każda zmiana wpływająca na geometrię miedzi, stackup lub apertury szablonu wymaga ponownego uruchomienia kontroli przed wydaniem pakietu danych, nawet jeśli zmiana wydaje się niewielka.

Czy określanie ścisłych tolerancji dla każdej cechy poprawia jakość PCB?

Nie. Określanie niepotrzebnie ścisłych tolerancji dla cech, które nie są krytyczne dla parametrów użytkowych, zwiększa koszt produkcji bez poprawy produktu. Ścisłe tolerancje wymagają odstępstw procesowych, dodatkowych ustawień lub ręcznych operacji, co podnosi koszty i wydłuża czas realizacji. Poprawną praktyką jest określenie, które tolerancje wynikają z wymagań funkcjonalnych, i jawne ich oznaczenie, pozostawiając wszystko inne w zakresie standardowych możliwości procesowych producenta.