Оптимизация дизайна печатных плат для производства: ключевые стратегии и лучшие практики

Быстрая навигация:
Что такое Design for Manufacturing (DFM)?
Какова цель DFM?
Факторы DFM
Как DFM применяется к топологии печатных плат
Проверки DFM от Millennium Circuits Limited

Design for Manufacturing (DFM) печатных плат

Во всех секторах производства и бизнеса огромное количество машин полагается на печатные платы (ПП). Также возможности ПП делают реальностью устройства, которые потребители используют ежедневно.

Поскольку на кону в дизайне и производстве ПП стоит так много, критически важно внедрять производство с максимальной эффективностью. Для этого, однако, все участники, вовлеченные в стадию проектирования и производственный процесс, должны быть в постоянном контакте, чтобы довести идею продукта до реализации. Именно здесь вступает в игру концепция, известная как Design for Manufacturing (DFM — проектирование для производства), и её последовательность шагов.

Что такое Design for Manufacturing?

Design for Manufacturing (DFM) — это процесс, позволяющий производителям изучать дизайн продукта в ряде категорий для оптимизации его размеров, материалов, допусков и функциональности через самые эффективные производственные средства. С DFM сертифицированные подрядчики по продуктам проверяют каждую новую идею продукта в ряде областей, чтобы найти лучшие измерения, материалы и производственные процессы для данного продукта.

Производители, желающие одновременно сократить накладные расходы и улучшить качество продукта, используют DFM. DFM также позволяет находить альтернативные производственные методы для изделий в короткой серии. Например, если компании нужен продукт в небольших количествах, может быть расточительно настраивать дорогое высокотехнологичное арсенал формовочных устройств для производства этого ограниченного тиража.

В то же время этот продукт может требовать уникальных измерений, которые трудно произвести без обычного промышленного арсенала. DFM помогает производителям находить альтернативные методы, экономящие деньги, такие как методы термоформовки для деталей, которые иначе требовали бы отдельных формовочных полостей.

DFM также помогает производителям улучшать существующие дизайны. Если компания массово производила продукт в прошлом и теперь планирует возобновить производство, она может сэкономить на этот раз, пересмотрев исходный дизайн и процессы, использовавшиеся для его производства. Если они определят, что какие-то из предыдущих шагов были расточительными, они могут исключить их из процесса.

Какова цель DFM?

Цель DFM — устранить когда-то распространенную некоммуникацию между дизайнерами и производителями. В прошлые десятилетия две стороны часто вступали в конфликт из-за взаимных недопониманий. В типичном сценарии дизайнер конструировал продукт с набором измерений и списком материалов. Затем дизайнер отправлял чертежи и эскизы производителю, чья задача — перевести дизайн в производство. Если они находили проблемы в дизайне, дизайнер оставлял их производителю для исправления.

С точки зрения дизайнера, шаги, происходившие после стадии дизайна, включая модификации, были ответственностью производителя. Проблема в том, что производитель обычно не понимал тонкостей процесса дизайна, но знал, когда определенные измерения или материалы были непрактичными или невозможными. В таких случаях производство иногда задерживалось на внезапные переработки дизайна, что часто обходилось дорого для сторон. Иногда производители спешили запустить дизайн в производство в любом случае, несмотря на недостатки и риск дефектов продукта и недовольства клиентов.

С DFM-инженерией специалисты со всех стадий процесса дизайна, разработки и производства работают вместе на каждом шагу. Вместе они формируют объединенную команду, где инженеры каждого отдела слышат вклад и обратную связь других в реальном времени по мере разработки, тестирования и отправки на доработку продуктов. DFM экономит деньги и время, помогая компаниям выявлять дефекты дизайна почти сразу и исправлять их задолго до того, как производственная команда начнет производство.

Команды продуктов и разработки, использующие DFM, также включают вклад сторон за пределами производственного процесса, таких как закупщики, поставщики и юристы. После финализации дизайна продукта компании потратят лишь долю общего производственного бюджета, но дизайн определит большую часть затрат на продукт. Поэтому производители рискуют слишком большим, когда коммиттят к продукту.

С DFM компании могут устранить ошибки, которые могут привести к дорогостоящим остановкам производства и расточительным тиражам, благодаря совместной проверке инженерами каждого отдела, имеющего руку в процессе. DFM также помогает производителям избегать сценариев, где бракованные продукты выпускаются на рынок, приводя к внезапным дефектам, жалобам клиентов, многочисленным судам и другим PR-фиаско, которые могут повредить имя бренда в глазах потребителей.

Факторы DFM

Шаги DFM включают следующую последовательность для определения процесса, дизайна, материала, среды и соответствия данного продукта.

1. Производственный процесс

Первая часть DFM — определить правильные типы производственных процессов для продукта. Когда вам нужно произвести продукт в определенном количестве, процесс должен отражать масштаб производства и количество прессовок, запланированных для тиража.

Для определения лучшего производственного процесса для данного продукта следует учитывать такие факторы, как размер продукта и материалы, необходимые для его производства. Также рассмотрите шаги, требуемые для поверхности продукта, и понадобятся ли вторичные шаги за пределами основных стадий сборки.

2. Дизайн продукта

Следующая часть DFM — изучить дизайн продукта и определить, подойдут ли спецификации готовому продукту, или нужно ли вносить дополнительные изменения перед началом производства. Цель этого шага — исправить возможные проблемы дизайна с предыдущим тиражом и сделать производство более плавным и эффективным на этот раз.

Если вы пересматриваете существующий дизайн, убедитесь, что модификации соответствуют фундаментальным принципам дизайна. Обязательно обсудите все такие решения в этой области с вашим контрактным производителем, так как это поможет вам обеспечить, что ваши предстоящие производственные запуски будут идти в соответствии с производственными принципами для данного продукта.

3. Материал продукта

Еще один критический аспект DFM — определить, какие материалы необходимы для продукта. В зависимости от формы, размера и предполагаемого использования продукта, вам придется учесть множество факторов, такие как прочность, текстура и тепловые свойства, требуемые для материала или продукта.

На этом этапе вам нужно будет проконсультироваться с контрактным производителем, чтобы убедиться, что выбранные материалы соответствуют требованиям для производства. Если у вас есть определенный материал в виду, вам нужно будет знать, выдержит ли этот материал тепло и будет ли проводить электричество, так как эти факторы могут сделать или сломать продукт.

4. Конечная среда

Прежде чем финализировать ваши выборы для процесса, дизайна и материала продукта, вам нужно изучить среды, в которых потребители будут его использовать. После того как вы определите, какие эффекты эта среда может иметь на материал и форму продукта, вы должны определить, достаточно ли трех предыдущих выборов DFM.

Примеры DFM включают рассмотрение того, как и где потребители будут использовать ваш продукт. Если вы разрабатываете продукт для использования на открытом воздухе круглый год, материалы должны выдерживать полный диапазон окружающих температур и погодных условий. Если пользователи будут монтировать продукт на другие объекты, дизайн должен учитывать множество вариантов установки.

5. Тестирование / Соответствие

Финальная стадия DFM — определить, удовлетворяет ли дизайн и материалы для продукта требованиям безопасности и качества различных организаций, имеющих право голоса в этом вопросе. Третьестороннее ISO-сертифицированное тестовое учреждение может определить это. Нейтральный производственный аналитик должен контролировать тестирование.

Различные сущности могут иметь стандарты, которые повлияют на вашу способность двигаться вперед с дизайном в его текущем состоянии. Например, регуляторные правила на уровне штата, федеральном или международном могут считать ваш продукт небезопасным в существующей конфигурации. Продукт может не соответствовать коду его целевой отрасли. Дизайн продукта может даже не соответствовать стандартам безопасности вашей компании.

Распространенные ошибки проектирования

Во время дизайна и производства ПП применение DFM может устранить следующие ошибки.

1. Краевой зазор (Edge Clearance)

Одна из самых серьезных ошибок, которую может совершить производитель с дизайном ПП — не обеспечить достаточное краевое зазора. Эта проблема может быть проблематичной для меди по краю ПП, так как медь может корродировать, если ей не хватает защитного покрытия. Если вы проектируете ПП без учета этого допуска, покрытие может быть удалено при финальной резке.

К счастью, проблемы с краевым зазором легко исправить, если добавить необходимый зазор в дизайн платы. Для внешних слоев ПП покрытию требуется всего дополнительные 0,010 дюйма (0,254 мм) к дизайну. Для внутренних слоев покрытию требуется всего дополнительные 0,015 дюйма (0,381 мм) к дизайну.

2. Создание кислотных ловушек (Acid Traps)

Кислотные ловушки могут быть повторяющейся проблемой в дизайнах ПП, которые не учитывают этот вопрос. Чтобы избежать этой возможности, никогда не проектируйте угловые трассы под острыми углами. Например, угол 45 градусов гораздо предпочтительнее угла 90 градусов. Последний может сделать ПП уязвимой для кислотных ловушек, тогда как первый обычно не склонен к этой проблеме. Всегда дважды проверяйте все углы трасс после завершения разводки, чтобы убедиться, что никакие соединенные трассы не создали кислотных ловушек.

3. Сложная компоновка платы

Если вы попадаете в ситуацию, когда ваша плата становится сложной, вы должны пересмотреть дизайн в более рациональный план, где вы можете организовать все необходимые компоненты на одной стороне. Ошибка, которую некоторые проектировщики ПП иногда совершают — размещают несколько элементов на обратной стороне платы, чтобы освободить место на основной стороне.

Когда вы размещаете компоненты на обеих сторонах ПП, это увеличивает стоимость производственного процесса. Более того, добавление компонентов на другую сторону ПП добавляет многочисленные сложности для производителя.

4. Отсутствие паяльной маски между контактными площадками

В дизайне ПП паяльная маска — один из самых критически важных элементов любой печатной платы, так как она предотвращает контакт между медью и другими металлами. Без наличия паяльной маски между контактными площадками может возникнуть контакт между негативными металлами, вызывая неожиданные короткие замыкания.

Чтобы гарантировать, что каждая печатная плата имеет достаточное количество паяльной маски, включите это в правила дизайна для всех ваших производств ПП. Таким образом, никогда не должно быть проблем с нанесением паяльной маски при конвертации настроек большой ПП в более мелкую печатную плату.

5. Размещение виа в контактных площадках

Если место на вашей ПП ограничено, вы можете быть соблазнены добавить виа для освобождения места. Однако это может ослабить монтажные возможности ПП, отводя припой от платы, тем самым делая процесс пайки неэффективным. Хотя вариант с виа может быть полезен в определенных обстоятельствах, используйте его только при необходимости. То же верно для микро-, слепых и зарытых виа.

Как Design for Manufacturing применяется к топологии печатных плат

В инженерии ПП принципы DFM помогают производителям держать все спецификации дизайна в функциональной топологии, независимо от размера ПП. При включении компонентов одной платы в более мелкую ПП может быть сложно разместить детали на месте и избежать проблем, таких как кислотные ловушки и проблемы с краевым зазором. DFM помогает избежать этих проблем до того, как плата пойдет в производство.

С DFM-инженерией сертифицированные производители проверяют дизайн печатной платы, чтобы убедиться, что её измерения достаточны для предполагаемых целей ПП. Они также изучают дизайн платы, чтобы убедиться, что она будет функционировать в своих предполагаемых средах. Например, если плата будет использоваться в машинах, генерирующих огромное тепло, дизайн ПП должен включать компоненты и защитные элементы, способные выдерживать эти условия.

Процесс DFM также гарантирует, что дизайн ПП не получит одобрение для производства, если он не пройдет серию тестов стандартов. Например, если ПП легко выходит из строя под набором вероятных рабочих условий, проектировщик должен переработать плату с дополнительными компонентами, пока она не сможет справляться с задачами своих соответствующих устройств.

В производстве ПП принципы DFM идут рука об руку с Design for Fabrication (DFF — проектирование для изготовления), которое охватывает вопросы изготовления и то, как они применяются к ПП.

Проверки DFM от Millennium Circuits Limited

Когда речь идет о проверках дизайна и тестировании соответствия, вы должны искать мнение объективного, квалифицированного третьей стороны. В Millennium Circuits Limited мы проводим DFM-анализ дизайнов и прототипов ПП для выявления дефектов и других проблем. Свяжитесь с MCL сегодня, чтобы узнать, как мы можем помочь вам улучшить ваши ПП перед запуском в производство.