Требования DFM/DFA в системной инженерии

Как обсуждалось в предыдущей статье, при проектировании печатной платы (ПП) необходимо учитывать ряд технических требований, связанных с функциональностью, потреблением энергии, размером, электромагнитной совместимостью и т. д. Однако требования к производству и сборке не менее важны. Проектирование высокопроизводительной схемы, соответствующей всем функциональным спецификациям или нормативным требованиям, будет бессмысленным, если дизайн невозможно изготовить или если при сборке возникнут проблемы, которые могут увеличить производственные затраты или, в худшем случае, сделать продукт нежизнеспособным.

В этой статье мы сосредоточимся на том, как подходить к управлению требованиями, чтобы обеспечить производимость дизайна и возможность его сборки. В частности, мы обсудим, как интегрировать CAD и CAM в систему управления, учитывая не только технические требования, изложенные в предыдущей статье, но и факторы, влияющие на изготовление и сборку схемы (такие как ширина дорожек, расстояние между ними, сверление, маски, размещение компонентов и т. д.).

Введение в DFM/DFA

Производители и сборщики печатных плат требуют, чтобы разработанные схемы были производимы и могли быть собраны соответственно. Это подчеркивает необходимость следования определенным правилам или рекомендациям проектирования, учитывающим различные этапы и технологии, используемые при производстве печатных плат, а также различные техники сборки, обеспечивая производимость и возможность сборки продукта. Эта необходимость порождает понятия DFM (Проектирование с учетом производимости) и DFA (Проектирование с учетом сборки).

• DFM, или Проектирование с учетом производимости, - это набор процессов, правил и рекомендаций, которым необходимо следовать на этапе проектирования, чтобы обеспечить возможность изготовления печатной платы (PCB) с использованием современных технологий и ограничений производства.
• Аналогично, DFA, или Проектирование с учетом сборки, - это набор процессов, правил и рекомендаций, которым необходимо следовать на этапе проектирования, чтобы обеспечить возможность сборки печатной платы (PCB) с использованием современных технологий и ограничений сборки.

При создании проекта мы должны задать следующие вопросы:

• Может ли разрабатываемая нами печатная плата быть изготовлена?
• Могла ли она быть спроектирована иначе для оптимизации затрат?
• Может ли она быть собрана с использованием автоматизированных процессов?
• Требует ли она ручных или сложных процессов, увеличивающих затраты?
• Есть ли проблемы со складом?

Все эти вопросы могут быть решены с помощью концепций DFM и DFA. Хотя обязательных регламентов нет, проектирование схемы с основными правилами производственной пригодности является существенным для обеспечения возможности изготовления дизайна. В противном случае мы можем столкнуться с неприятными сюрпризами, когда отправим производственную документацию выбранному производителю. То же самое касается правил проектирования, направленных на сборку электронной платы. Если не следовать соответствующим рекомендациям по проектированию для возможной автоматизированной сборки, мы столкнемся с серьезными производственными проблемами, требующими ручных и сложных процессов, что увеличит стоимость сборки электронной платы.

Важно отметить, что каждый производитель обладает различными возможностями, основанными на процессах и оборудовании, которые они используют. Поэтому мы можем сказать, что DFM/DFA зависят от производителя. Пример: Производитель, способный изготавливать печатные платы на 8 слоев, не может изготовить печатную плату на 12 слоев из-за своих производственных возможностей.

По мере усложнения дизайнов (с увеличением количества слоев, плотности, уменьшением ширины и расстояния между дорожками, диаметра отверстий, слепых или закрытых переходных отверстий и т. д.), DFM становится всё более сложным. В результате появляется больше правил проектирования, и соблюдение этих правил становится более критичным для обеспечения возможности изготовления печатной платы.

Следовательно, цели DFM/DFA заключаются в следующем:

1. Определение процессов, правил и руководящих принципов проектирования.
2. Обеспечение производимости и возможности сборки дизайна.

Для упрощения всего этого в 1957 году был создан Институт Печатных Плат (IPC), который разработал стандарт IPC, помогающий дизайнерам и производителям в задаче создания производимых дизайнов. Стандарты IPC учитывают различные технологии производства и их ограничения, и на их основе были созданы различные документы, касающиеся разных областей дизайна. Дерево стандартов IPC показано по следующей ссылке.

Хотя стандарт IPC заслуживает отдельной статьи из-за большого количества правил, которые он охватывает, стоит выделить, что существует набор правил для проектирования жестких, гибких и жестко-гибких печатных плат (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), а также набор правил, связанных с проектированием для сборки (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Согласованность между CAD/CAM и DFM/DFA

CAD и CAM относятся к процессам компьютерного проектирования и компьютерного производства соответственно.

Так же, как дизайнеры используют инструменты CAD (ECAD в случае электронных инженеров), такие как Altium Designer, производители используют другие инструменты, которые помогают им в производстве печатных плат, сборке и связанных процессах, известные как программное обеспечение CAM. Примеры включают CircuitCAM8 или любое конкретное программное обеспечение, интегрированное в автоматическую сборочную машину (Pick & Place). 

С точки зрения процесса проектирования (CAD), инженеры, исходя из руководств по DFM/DFA, вводят правила в инструмент проектирования (например, используя Altium's Constraint Manager) и затем проверяют соответствие этим правилам (DRC – проверка правил проектирования).

После завершения проектирования и проверки соответствия всем необходимым правилам производимости и сборки, проект отправляется производителю. Используя различные инструменты (CAM), производитель может проверить все параметры изготовления печатной платы и обнаружить, если какие-либо значения выходят за пределы допусков и требуют изменения для обеспечения надежного производства. Аналогичным образом, сборщики печатных плат анализируют разработанную схему и проверяют, не возникнут ли потенциальные проблемы на этапе сборки перед началом сборки. 

Таким образом, возникает вопрос: Какие параметры проверяются для определения, может ли печатная плата быть изготовлена и собрана? Или иными словами, каким правилам следует следовать, чтобы мой проект был производим и мог быть собран?

Примеры требований DFM/DFA

После определения всех функциональных требований, требований к системам и подсистемам, требований заказчика и т. д., мы должны определить требования DFM/DFA. Другими словами, мы должны учитывать эти требования перед началом проектирования, чтобы наш проект мог быть изготовлен без неожиданностей или проблем.

Хотя список параметров, которые следует учитывать, может быть обширным и во многом зависит от каждого производителя и его производственных возможностей, краткое изложение необходимых требований для определения может быть следующим.

Примеры требований DFM

• REQ-DFM-01: Минимальный диаметр металлизированного отверстия.

• REQ-DFM-02: Минимальный диаметр неметаллизированного отверстия.

• REQ-DFM-03: Соотношение сторон.

• REQ-DFM-04: Минимальная ширина / зазор дорожки (внешние слои).

• REQ-DFM-05: Минимальная ширина / зазор дорожки (внутренние слои).

• REQ-DFM-06: Минимальное кольцо аннуляра (внешние слои).

• REQ-DFM-07: Минимальное кольцо аннуляра (внутренние слои).

• REQ-DFM-08: Минимальный диаметр микровиа.

• REQ-DFM-09: Минимальное расстояние между микровиа.

• REQ-DFM-10: Минимальное расстояние между микровиа разных уровней (смещенные виа).

• REQ-DFM-11: Заполнение микровиа.

• REQ-DFM-12: Толщина печатной платы и структура (примеры 6, 8 и 10 слоев)

• REQ-DFM-13: Типы виа.

• REQ-DFM-14: Определение импедансов однопроводных дорожек.
• REQ-DFM-15: Определение импеданса дифференциальных пар дорожек.
• REQ-DFM-16: Определение необходимости обратного сверления.
• 
• REQ-DFM-17: Зазоры маски пайки (особенно на очень маленьких площадках, например, BGA)
• REQ-DFM-18: Зазоры шелкографии.
• REQ-DFM-19: Размеры шелкографии.

Примеры требований DFA

• REQ-DFA-01: Односторонняя или двусторонняя сборка и технология монтажа.

• REQ-DFA-02: Стандартизация и унификация компонентов.
• REQ-DFA-03: Зазоры компонентов.
• REQ-DFA-04: Высоты компонентов.
• REQ-DFA-05: Расстояние между компонентами и границей печатной платы.
• REQ-DFA-06: Ленты печатной платы для конвейеров.

• REQ-DFA-07: Фидуциалы (размер, позиция и количество на сторону).

• REQ-DFA-08: Маска пасты (отверстия и уменьшения).
• REQ-DFA-09: Технология пайки сквозных отверстий (волной, выборочно, вручную).

После завершения проекта и выполнения вышеупомянутых требований первым шагом является анализ DRC с использованием инструмента проверки правил проектирования (Design Rule Check). Этот инструмент проверяет все параметры, которые мы определили в правилах, с тем, что было спроектировано, и предоставляет отчет о любых параметрах, которые не были соблюдены. Этот инструмент может быть активирован на протяжении всей фазы проектирования (DRC Online), так что Altium уведомляет нас в реальном времени, если какое-либо правило нарушается. 

Когда DRC показывает ноль ошибок, мы будем готовы сгенерировать необходимую документацию для отправки производителю и сборщику печатных плат. 

• Файлы Gerber
• Файлы сверления
• Файлы ODB++
• Спецификация материалов (с альтернативой для критически важных компонентов)
• Файлы координат компонентов (XY) для машины Pick & Place
• Чертежи сборки (файлы Draftsman) в формате PDF
• Процедуры инспекции, тестирования и программирования, если необходимо
• Специальные инструкции по сборке (монтаж радиатора, нанесение покрытия или что-либо еще, если требуется)

Если мы удовлетворили все требования к проектированию, связанные с DFM и DFA, успешно прошли DRC без ошибок и отправили производителю всю необходимую документацию для изготовления и сборки нашей платы, мы значительно снизим неопределенность в случае функциональных сбоев во время фазы валидации нашего проекта. Это позволит нам исключить проблемы с производством и/или сборкой, давая возможность сосредоточиться исключительно на анализе разработанной схемы. 

Ключевые выводы

Важность проектирования с учетом DFM/DFA

Конструкторам печатных плат необходимо помнить, что то, что они рисуют на компьютере, в конечном итоге должно быть воплощено в реальность. Бумага (или, в данном случае, компьютер) может вместить что угодно, но реальность совсем иная. Поэтому крайне важно проектировать, учитывая возможности и процессы производства печатных плат и сборки печатных плат (PCBA).

Необходимость рассматривать требования DFM/DFA как требования к проектированию с самого начала

Крайне важно рассматривать требования DFM/DFA как дополнительный набор критериев, не менее важных, чем функциональные или системные требования. Не учитывать их с начала проекта может привести к задержкам и перерасходу бюджета, что может поставить под угрозу успех проекта.

Взаимодействие с производителями перед началом проектирования

На основе предыдущего пункта настоятельно рекомендуется (если не обязательно) общаться с производителями и, по возможности, выбирать производителя до начала процесса проектирования. Это обеспечивает тщательное понимание их возможностей и материалов, позволяет проверить расчеты импеданса и т. д. Решение этих вопросов во время или после фазы проектирования может привести к неприятным сюрпризам.

Уделяйте должное внимание проверке по правилам проектирования (DRC)

Не недооценивайте важность инструмента DRC (Design Rules Check). Это первый шаг после завершения проектирования печатной платы для проверки соответствия требованиям DFM/DFA, установленным в начале, и служит первым уровнем уверенности в том, что дизайн может быть изготовлен.

Производителю требуется полная документация

По завершении проектирования крайне важно создать качественную документацию, содержащую все необходимые файлы для изготовления печатной платы и, по возможности, включающую все инструкции по сборке и любые другие дополнительные детали, необходимые для правильного изготовления и сборки платы. Аналогично, при необходимости, документация должна включать различные процессы инспекции, тестирования и программирования.

Обеспечение успеха через интеграцию DFM/DFA в проектирование печатных плат

Проектирование печатной платы - это не только выполнение функциональных требований. Необходимо также убедиться, что дизайн может быть успешно изготовлен и собран с минимальными рисками и затратами. Интегрируя принципы проектирования с учетом производственных возможностей (DFM) и проектирования с учетом сборки (DFA) с самого начала, разработчики могут значительно снизить производственные проблемы, задержки и непредвиденные расходы, которые в противном случае могли бы поставить под угрозу проект.