Yêu cầu DFM/DFA trong Kỹ thuật Hệ thống

Như đã thảo luận trong bài viết trước, khi thiết kế một PCB, việc xem xét một bộ yêu cầu kỹ thuật liên quan đến chức năng, tiêu thụ năng lượng, kích thước, khả năng tương thích điện từ, v.v. là rất quan trọng. Tuy nhiên, yêu cầu về khả năng sản xuất và lắp ráp cũng quan trọng không kém. Việc thiết kế một mạch hiệu suất cao, đáp ứng tất cả các thông số kỹ thuật chức năng hoặc yêu cầu quy định sẽ trở nên vô ích nếu thiết kế không thể sản xuất được hoặc nếu nó gặp phải các vấn đề lắp ráp có thể làm tăng chi phí sản xuất hoặc, trong trường hợp xấu nhất, làm cho sản phẩm không khả thi.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ tập trung vào cách tiếp cận quản lý yêu cầu để đảm bảo một thiết kế có thể được sản xuất và lắp ráp. Cụ thể, chúng ta sẽ thảo luận về cách tích hợp CAD và CAM trong hệ thống quản lý, xem xét không chỉ các yêu cầu kỹ thuật được trình bày trong bài viết trước mà còn các yếu tố ảnh hưởng đến việc sản xuất và lắp ráp mạch (như chiều rộng đường dẫn, khoảng cách, khoan, mặt nạ, vị trí linh kiện, v.v.).

Giới thiệu về DFM/DFA

Cả nhà sản xuất và lắp ráp PCB đều yêu cầu mạch được thiết kế phải có khả năng sản xuất được và có thể lắp ráp được, tương ứng. Điều này nhấn mạnh sự cần thiết phải tuân theo các quy tắc hoặc hướng dẫn thiết kế cụ thể, xem xét các giai đoạn và công nghệ sử dụng trong sản xuất PCB cũng như các kỹ thuật lắp ráp khác nhau, đảm bảo sản phẩm vừa có thể sản xuất được vừa có thể lắp ráp được. Sự cần thiết này dẫn đến sự ra đời của các khái niệm DFM (Thiết kế cho Khả năng Sản xuất) và DFA (Thiết kế cho Khả năng Lắp ráp).

• DFM, hay Thiết kế cho Sản xuất, là tập hợp các quy trình, quy tắc và hướng dẫn cần phải tuân theo trong giai đoạn thiết kế để đảm bảo rằng một bảng mạch in (PCB) có thể được sản xuất sử dụng các công nghệ và giới hạn sản xuất hiện tại.
• Tương tự, DFA, hay Thiết kế cho Lắp ráp, là tập hợp các quy trình, quy tắc và hướng dẫn cần phải tuân theo trong giai đoạn thiết kế để đảm bảo rằng một bảng mạch in (PCB) có thể được lắp ráp sử dụng các công nghệ và giới hạn lắp ráp hiện tại.

Khi tạo một thiết kế, chúng ta cần xem xét các câu hỏi sau:

• PCB mà chúng ta đang thiết kế có thể được sản xuất không?
• Liệu nó có thể được thiết kế khác đi để tối ưu hóa chi phí không?
• Liệu nó có thể được lắp ráp bằng các quy trình tự động không?
• Liệu nó có yêu cầu các quy trình thủ công hoặc phức tạp làm tăng chi phí không?
• Có vấn đề về tồn kho không?

Tất cả những câu hỏi này có thể được giải quyết thông qua các khái niệm về DFM và DFA. Mặc dù không có quy định bắt buộc nào, nhưng việc thiết kế mạch với các quy tắc sản xuất cơ bản là cần thiết để đảm bảo thiết kế có thể sản xuất được. Nếu không, chúng ta có thể gặp phải những bất ngờ không mong muốn khi chúng ta gửi tài liệu sản xuất cho nhà sản xuất được chọn. Điều tương tự cũng áp dụng cho các quy tắc thiết kế nhằm vào việc lắp ráp bảng mạch điện tử. Nếu không tuân theo các hướng dẫn thiết kế phù hợp cho việc lắp ráp tự động khả thi, chúng ta sẽ đối mặt với những vấn đề sản xuất đáng kể, yêu cầu quy trình thủ công và phức tạp sẽ làm tăng chi phí lắp ráp bảng mạch điện tử.

Quan trọng là phải lưu ý rằng mỗi nhà sản xuất có những khả năng khác nhau dựa trên các quy trình và máy móc họ sử dụng. Do đó, chúng ta có thể nói rằng DFM/DFA phụ thuộc vào nhà sản xuất. Ví dụ: Một nhà sản xuất có khả năng sản xuất PCB 8 lớp không thể sản xuất PCB 12 lớp do khả năng sản xuất của họ.

Khi các thiết kế trở nên phức tạp hơn (với nhiều lớp hơn, mật độ cao hơn, chiều rộng và khoảng cách dấu vết nhỏ hơn, đường kính khoan nhỏ hơn, vias mù hoặc chôn, v.v.), DFM trở nên phức tạp hơn. Kết quả là, có nhiều quy tắc thiết kế cần xem xét hơn, và việc tuân thủ những quy tắc này trở nên quan trọng hơn để đảm bảo rằng một PCB có thể được sản xuất.

Vì vậy, mục tiêu của DFM/DFA là:

1. Xác định quy trình, quy tắc và hướng dẫn thiết kế.
2. Đảm bảo rằng thiết kế có thể được sản xuất và lắp ráp.

Để đơn giản hóa tất cả những điều này, Viện Mạch In (IPC) đã được thành lập vào năm 1957 và phát triển tiêu chuẩn IPC, giúp các nhà thiết kế và nhà sản xuất trong nhiệm vụ tạo ra các thiết kế có thể sản xuất được. Tiêu chuẩn IPC xem xét các công nghệ sản xuất và hạn chế khác nhau, và các tài liệu khác nhau đã được tạo ra dựa trên những điều này, giải quyết các lĩnh vực thiết kế khác nhau. Cây tiêu chuẩn IPC được hiển thị tại liên kết sau.

Mặc dù tiêu chuẩn IPC xứng đáng có một bài viết riêng do số lượng lớn quy tắc mà nó bao gồm, nhưng đáng chú ý là có một bộ quy tắc cho việc thiết kế các PCB cứng, linh hoạt và cứng-linh hoạt (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), cũng như một bộ quy tắc liên quan đến thiết kế cho lắp ráp (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Sự gắn kết giữa CAD/CAM và DFM/DFA

CAD và CAM đề cập đến quy trình Thiết kế Hỗ trợ bởi Máy tính và Sản xuất Hỗ trợ bởi Máy tính tương ứng.

Giống như các nhà thiết kế sử dụng công cụ CAD (ECAD trong trường hợp của kỹ sư điện tử), như Altium Designer, các nhà sản xuất sử dụng các công cụ khác giúp họ trong việc sản xuất PCB, lắp ráp và các quy trình liên quan, được biết đến là phần mềm CAM. Ví dụ bao gồm CircuitCAM8 hoặc bất kỳ phần mềm cụ thể nào được tích hợp vào máy lắp ráp tự động (Pick & Place). 

Từ góc độ quy trình thiết kế (CAD), các kỹ sư, dựa trên các hướng dẫn DFM/DFA, nhập các quy tắc vào công cụ thiết kế (ví dụ, sử dụng Altium's Constraint Manager) và sau đó kiểm tra sự tuân thủ với các quy tắc này (DRC – Kiểm tra Quy tắc Thiết kế).

Sau khi thiết kế hoàn tất và được xác minh đáp ứng tất cả các quy tắc cần thiết cho khả năng sản xuất và lắp ráp, nó được gửi đến nhà sản xuất. Sử dụng các công cụ khác nhau (CAM), nhà sản xuất có thể kiểm tra tất cả các thông số sản xuất PCB và phát hiện nếu có bất kỳ giá trị nào vượt quá giới hạn cho phép và cần chỉnh sửa để đảm bảo sản xuất đáng tin cậy. Tương tự, những người lắp ráp PCB phân tích mạch được thiết kế và kiểm tra xem có vấn đề tiềm ẩn nào có thể phát sinh trong quá trình lắp ráp trước khi tiến hành lắp ráp. 

Vậy, câu hỏi được đặt ra: Những thông số nào được kiểm tra để xác định xem một PCB có thể sản xuất được và có thể lắp ráp không? Hoặc nói cách khác, những quy tắc nào nên được tuân theo để đảm bảo thiết kế của tôi vừa có thể sản xuất được vừa có thể lắp ráp được?

Ví dụ về Yêu cầu DFM/DFA

Sau khi tất cả các yêu cầu về chức năng, hệ thống và hệ thống con, yêu cầu của khách hàng, v.v., được xác định, chúng ta phải xác định yêu cầu DFM/DFA. Nói cách khác, chúng ta cần xem xét những yêu cầu này trước khi bắt đầu thiết kế để đảm bảo thiết kế của chúng ta có thể được sản xuất mà không gặp bất ngờ hoặc vấn đề nào.

Mặc dù danh sách các thông số cần xem xét có thể rất dài và phụ thuộc nhiều vào từng nhà sản xuất và khả năng sản xuất của họ, nhưng một bản tóm tắt các yêu cầu cần định nghĩa có thể như sau.

Ví dụ về yêu cầu DFM

• REQ-DFM-01: Đường kính lỗ phủ kim loại tối thiểu.

• REQ-DFM-02: Đường kính lỗ không phủ kim loại tối thiểu.

• REQ-DFM-03: Tỷ lệ khía cạnh.

• REQ-DFM-04: Độ rộng / Khoảng cách dấu vết tối thiểu (Lớp ngoài).

• REQ-DFM-05: Độ rộng / Khoảng cách dấu vết tối thiểu (Lớp trong).

• REQ-DFM-06: Vòng tròn tối thiểu (Lớp ngoài).

• REQ-DFM-07: Vòng tròn tối thiểu (Lớp trong).

• REQ-DFM-08: Đường kính Microvia tối thiểu.

• REQ-DFM-09: Khoảng cách Microvia tối thiểu.

• REQ-DFM-10: Khoảng cách tối thiểu giữa Microvias ở các cấp độ khác nhau (Vias xếp chồng).

• REQ-DFM-11: Lấp đầy Microvia.

• REQ-DFM-12: Độ dày PCB và Cấu trúc xếp lớp (ví dụ về 6, 8, và 10 Lớp)

• REQ-DFM-13: Các loại vias.

• REQ-DFM-14: Định nghĩa về trở kháng Đường dẫn Đơn.
• REQ-DFM-15: Định nghĩa về trở kháng Cặp Đường dẫn Đối xứng.
• REQ-DFM-16: Định nghĩa về Khoan lùi nếu cần thiết.
• 
• REQ-DFM-17: Khoảng cách Mặt nạ hàn (đặc biệt là ở các pad nhỏ, ví dụ như BGA)
• REQ-DFM-18: Khoảng cách Mực in.
• REQ-DFM-19: Kích thước Mực in.

Ví dụ về Yêu cầu DFA

• REQ-DFA-01: Lắp ráp và công nghệ gắn kết một hoặc hai mặt.

• REQ-DFA-02: Tiêu chuẩn hóa và thống nhất linh kiện.
• REQ-DFA-03: Khoảng cách giữa các linh kiện.
• REQ-DFA-04: Chiều cao của linh kiện.
• REQ-DFA-05: Khoảng cách giữa linh kiện và biên giới PCB.
• REQ-DFA-06: Dải PCB cho băng chuyền.

• REQ-DFA-07: Điểm định vị (Kích thước, vị trí, và số lượng cho mỗi mặt).

• REQ-DFA-08: Mặt nạ hàn (mở và giảm).
• REQ-DFA-09: Công nghệ hàn lỗ xuyên (sóng, chọn lọc, thủ công).

Sau khi thiết kế hoàn tất và đáp ứng các yêu cầu đã nêu trên, bước đầu tiên là phân tích DRC sử dụng công cụ Kiểm tra Quy tắc Thiết kế. Công cụ này kiểm tra tất cả các thông số mà chúng ta đã định nghĩa trong các quy tắc so với những gì đã được thiết kế và cung cấp một báo cáo về bất kỳ thông số nào không được tuân thủ. Công cụ này có thể được giữ hoạt động xuyên suốt giai đoạn thiết kế (DRC Trực tuyến) để Altium thông báo cho chúng ta theo thời gian thực nếu có bất kỳ quy tắc nào bị vi phạm. 

Khi DRC không hiển thị lỗi nào, chúng ta sẽ sẵn sàng tạo ra các tài liệu cần thiết để gửi cho nhà sản xuất và lắp ráp PCB. 

• Tệp Gerber
• Tệp khoan
• Tệp ODB++
• Danh sách Vật liệu (với các lựa chọn thay thế cho các linh kiện quan trọng)
• Tệp tọa độ linh kiện (XY) cho máy Chọn & Đặt
• Bản vẽ lắp ráp (tệp Draftsman) dưới dạng PDF
• Quy trình Kiểm tra, Thử nghiệm và Lập trình, nếu cần
• Hướng dẫn Lắp ráp Đặc biệt (lắp đặt tản nhiệt, phân phối lớp phủ, hoặc bất cứ điều gì nếu cần)

Nếu chúng ta đã đáp ứng tất cả các yêu cầu thiết kế liên quan đến DFM và DFA, vượt qua DRC mà không có lỗi nào, và đã gửi cho nhà sản xuất tất cả tài liệu cần thiết cho việc sản xuất và lắp ráp bảng mạch của chúng ta, chúng ta sẽ đã giảm đáng kể sự không chắc chắn trong trường hợp có sự cố về chức năng trong giai đoạn xác nhận thiết kế của chúng ta. Điều này sẽ cho phép chúng ta loại trừ các vấn đề liên quan đến sản xuất và/hoặc lắp ráp, cho phép chúng ta tập trung hoàn toàn vào việc phân tích mạch điện đã thiết kế. 

Điểm Chính

Tầm quan trọng của việc Thiết kế với DFM/DFA trong tâm trí

Những người thiết kế PCB phải nhớ rằng những gì họ vẽ trên máy tính cuối cùng phải được hiện thực hóa trong thế giới thực. Giấy (hoặc trong trường hợp này, máy tính) có thể chứa đựng bất cứ điều gì, nhưng thực tế lại hoàn toàn khác biệt. Do đó, việc thiết kế trong khi xem xét khả năng và quy trình sản xuất của PCB và PCBA là rất quan trọng.

Sự cần thiết phải xem xét DFM/DFA như là các yêu cầu thiết kế ngay từ đầu

Việc xem xét các yêu cầu DFM/DFA như một bộ tiêu chí bổ sung, quan trọng không kém gì các yêu cầu về chức năng hoặc hệ thống, là điều cần thiết. Không tính đến những yêu cầu này ngay từ đầu dự án có thể dẫn đến sự chậm trễ và vượt quá chi phí, có thể làm ảnh hưởng đến sự thành công của dự án.

Tương tác với Nhà sản xuất trước khi Bắt đầu Thiết kế

Xây dựng trên điểm trước, việc liên lạc với nhà sản xuất và, nếu có thể, chọn nhà sản xuất trước khi bắt đầu quá trình thiết kế là điều cực kỳ được khuyến nghị (nếu không muốn nói là bắt buộc). Điều này đảm bảo hiểu biết kỹ lưỡng về khả năng và vật liệu của họ, cho phép xác minh các tính toán trở kháng, v.v. Việc giải quyết những vấn đề này trong hoặc sau giai đoạn thiết kế có thể dẫn đến những bất ngờ không mong muốn.

Đưa ra Sự Quan Trọng Đúng Mức cho DRC (Kiểm Tra Quy Tắc Thiết Kế)

Đừng coi thường tầm quan trọng của công cụ DRC (Kiểm Tra Quy Tắc Thiết Kế). Đây là bước đầu tiên sau khi hoàn thành thiết kế PCB để xác minh liệu nó có đáp ứng các yêu cầu DFM/DFA được đặt ra từ đầu và phục vụ như một cấp độ đảm bảo đầu tiên rằng thiết kế có thể sản xuất được.

Nhà Sản Xuất Yêu Cầu Tài Liệu Toàn Diện

Ở kết thúc quá trình thiết kế, việc tạo ra tài liệu chất lượng cao chứa tất cả các tệp cần thiết để xây dựng PCB và, nếu có thể, bao gồm tất cả hướng dẫn lắp ráp và bất kỳ chi tiết bổ sung nào cần thiết cho việc sản xuất và lắp ráp bảng mạch đúng cách là điều thiết yếu. Tương tự, nếu cần, tài liệu nên bao gồm các quy trình kiểm tra, thử nghiệm và lập trình khác nhau.

Đảm Bảo Thành Công Thông Qua Việc Tích Hợp DFM/DFA trong Thiết Kế PCB

Thiết kế PCB không chỉ là đáp ứng các yêu cầu về chức năng. Bạn cần đảm bảo rằng thiết kế có thể được sản xuất và lắp ráp thành công với rủi ro và chi phí tối thiểu. Bằng cách tích hợp nguyên tắc Thiết kế cho Khả năng Sản xuất (DFM) và Thiết kế cho Lắp ráp (DFA) ngay từ đầu, các nhà thiết kế có thể giảm đáng kể các vấn đề sản xuất, sự chậm trễ và chi phí không lường trước có thể gây nguy hiểm cho dự án.