22 Risolvibili Design Problemi nella produzione di circuiti stampati e Guida all'analisi DFM
Durante la fase di pianificazione di un nuovo progetto, le aziende di ogni tipo si concentrano solitamente sugli aspetti tecnici e finanziari della produzione in serie dei circuiti stampati. In questo processo, è necessario ridurre al minimo i costi di produzione dei circuiti stampati ed evitare modifiche al progetto, altrimenti i margini di profitto ne risentiranno. Per evitare revisioni, gli ingegneri devono progettare meticolosamente il layout del circuito stampato per garantire un processo senza intoppi Processo di produzione dei circuiti stampati. Dopo aver ricevuto i dati CAM, i fornitori spesso correggono piccoli errori, il che comporta costi e tempi aggiuntivi. Questo articolo riassume 22 aspetti relativi alla progettazione orientata alla produzione (DFM) che possono migliorare la produzione dei circuiti stampati, aiutando i progettisti di prodotto, gli ingegneri e i responsabili degli acquisti ad analizzare rapidamente i potenziali problemi di produzione nei progetti di progettazione dei circuiti stampati in corso.
Che cos’è il DFM nei circuiti stampati?
DFM è l’acronimo di “Design for Manufacturability” (progettazione per la producibilità). Si tratta di un approccio che contribuisce a ridurre i problemi di produzione. Nelle regole di progettazione definiamo le distanze minime e i limiti di tolleranza. Pertanto, nel DFM dei PCB, prepariamo la scheda per le applicazioni reali. Le tolleranze devono corrispondere al sistema effettivo. Durante la fase di layout del PCB, i progettisti seguono una checklist di DFM per PCB. Questo processo contribuisce a ottimizzare la progettazione del PCB in vista della fase di produzione. Riduce i costi e garantisce la qualità, oltre a fungere da promemoria per i progettisti affinché seguano i controlli DFM ogni volta che intendono produrre un progetto. Il DFM dei PCB è una componente fondamentale del lavoro di squadra interfunzionale e della collaborazione con i team della catena di fornitura, oltre a essere parte integrante del processo complessivo di progettazione del prodotto.
22 domande sulla progettazione di circuiti stampati e riferimenti per l'analisi DFM
Di seguito sono riportati 22 errori di progettazione dei PCB che possono essere evitati prima della produzione, riassunti dal team di ingegneri di Geyuan Electronics. Come ingegneri, tutti noi abbiamo vissuto questa esperienza: dopo aver portato a termine con grande impegno un progetto e aver completato la scheda, la inviamo per la prototipazione, solo per scoprire, una volta ricevuto il campione, che tutti i nostri sforzi sono stati vanificati. I problemi specifici della scheda possono essere legati alla progettazione o alla produzione. Naturalmente, molti problemi possono essere evitati prima della produzione. La nostra sintesi dei 22 errori evitabili nella progettazione dei PCB può aiutarvi a realizzare PCB efficienti e privi di difetti.
1. Documenti di progettazione incompleti e non validi
Che si tratti di file Gerber, ODB++ o BOM, i file di input contengono informazioni fondamentali quali immagini dei livelli, distinta dei materiali, contorni delle schede, netlist IPC, disegni di riferimento e ordine dei livelli. Qualsiasi ambiguità nelle specifiche può causare problemi nelle fasi successive. Pertanto, tutti i documenti obbligatori devono essere verificati prima dell’invio alla produzione.
2. Materiale del substrato non idoneo
Alcuni circuiti richiedono materiali speciali a seconda della loro funzione. Ad esempio, i substrati standard non sono in grado di gestire adeguatamente i segnali ad alta frequenza. In questi casi, i produttori devono valutare i requisiti relativi ai materiali e selezionare i materiali appropriati per i substrati dei circuiti stampati sin dalle fasi iniziali.
3. Larghezza del cavo non corretta
Le piste in rame collegano tutti i componenti di un circuito. Eventuali difetti nelle piste possono causare cortocircuiti, distorsione del segnale e surriscaldamento. La capacità di trasporto di corrente di un conduttore (pista) aumenta con la sua larghezza. Se attraverso la pista scorre una corrente più elevata, verrà dissipato più calore, causando il surriscaldamento della scheda. Pertanto, ottimizzate la larghezza del conduttore in base ai requisiti del vostro circuito e assicuratevi che la larghezza della traccia dello strato esterno sia superiore a 4 mil. È possibile utilizzare strumenti online per ottimizzare la larghezza della traccia, la capacità di corrente e l’aumento di temperatura.
4. Distanza tra i cavi non corretta
Assicurarsi che la distanza tra i conduttori non venga sacrificata a favore di un layout del circuito più compatto, poiché una distanza insufficiente tra le tracce può causare scariche elettriche e diafonia. È necessario seguire le linee guida standard e garantire una distanza sufficiente tra i conduttori. Analogamente alla larghezza delle tracce, è possibile utilizzare un calcolatore di distanza tra conduttori e tensione per determinare la distanza ottimale tra i conduttori.
5. Filtro per acidi
Durante la fresatura, se una traccia forma un angolo acuto (inferiore a 90°), si crea una sacca di acido. Durante l’incisione, l’acido residuo può rimanere intrappolato nella curva, causando un’eccessiva incisione della traccia. È possibile evitare la formazione di sacche di acido in Progettazione di circuiti stampati evitando curve ad angolo acuto durante la fresatura.
6. Distanza insufficiente tra la traccia o il foro e il bordo
È necessario mantenere una distanza ottimale tra i bordi e le piste nel layout del circuito. Se per qualsiasi motivo si riduce tale distanza, i conduttori esterni potrebbero essere parzialmente rasati o tagliati durante la demetallizzazione. Una distanza insufficiente tra il rame e il bordo del circuito stampato può causare l'esposizione del rame e la formazione di bave sui bordi.
7. Errore nel processo di foratura
In circuiti stampati (PCB), i produttori praticano fori per vari scopi, quali vie di collegamento, allineamento e posizionamento dei componenti. La foratura è un processo irreversibile e qualsiasi foratura non necessaria può compromettere il progetto. Altri fattori da considerare includono le dimensioni, la spaziatura, il rapporto di aspetto, il numero di fori sulla scheda e il tipo di macchina (laser/meccanica). Tra gli errori più comuni che compromettono la foratura figurano gli anelli di foratura e la distanza insufficiente tra la punta da trapano e il rame.
8. Difetti dell'anello
L'anello collegherà il via alla pista. Se il diametro dell'anello è insufficiente, interromperà il flusso del segnale tra il conduttore e il via. I fori finiti possono avere una tolleranza di ±2 mil; pertanto, se tale tolleranza è inferiore a 2 mil, l’anello anulare potrebbe rompersi. Ciò comporterà un circuito aperto. Inoltre, un anello anulare insufficiente per il foro di un componente può causare giunti di saldatura difettosi dopo l’assemblaggio.
9. errore nella maschera di saldatura
La maschera di saldatura su un PCB protegge la superficie dalla contaminazione e isola i collegamenti. I produttori lasciano scoperte alcune aree (footprint e pad) per il posizionamento dei componenti durante il processo di saldatura. Se non vi è una distanza adeguata tra l’apertura della maschera relativa al via e l’apertura del componente adiacente, durante l’assemblaggio possono formarsi ponti di saldatura, causando giunti di saldatura difettosi e un’inefficienza del processo. Pertanto, è necessario mantenere uno strato adeguato di maschera di saldatura tra l’apertura del via e quella del componente adiacente. D’altra parte, uno strato inadeguato di maschera di saldatura può causare la formazione di fori di saldatura, esponendo il rame alla corrosione.
10. Rame e resist per saldatura
Le strisce di rame sono segmenti sottili di rame residuo, legati in modo non saldo, che si formano durante la fase di stampa. Durante la galvanizzazione, queste strisce possono staccarsi e cadere nella soluzione di placcatura. Questi frammenti di fotoresist possono depositarsi in qualsiasi punto del circuito stampato, causando cortocircuiti. Allo stesso tempo, nelle aree in cui il fotoresist viene rimosso può formarsi del rame indesiderato sul circuito stampato, compromettendone potenzialmente la funzionalità. Le strisce di maschera di saldatura si formano durante il processo di imaging della maschera di saldatura, lasciando in posizione lo strato di maschera per impedire la formazione di ponti di saldatura. Quando la barriera ha uno spessore inferiore a 4 mil, queste barriere poco salde possono potenzialmente trasformarsi in strisce ed essere lavate via durante la fase di sviluppo.
11. dissipatore di calore
Il processo di saldatura genera un calore eccessivo, che può danneggiare il circuito stampato. Per evitare ciò, è necessario prevedere un numero sufficiente di pad termici. I pad termici sono costituiti da piccoli raggi di rame denominati “piastre termiche” che favoriscono la conduzione del calore. Se queste piastre termiche non sono collegate ai pad di saldatura o al piano, vengono definite “piastre termiche isolate”. Un numero insufficiente di piastre termiche comporta una scarsa conduttività termica e causa il surriscaldamento del circuito stampato.
12. Errore di serigrafia
La serigrafia viene eseguita nelle fasi finali del processo di produzione. Se la serigrafia si sovrappone ai pad, alle superfici del PCB, ai fori, ecc., può causare problemi durante l'assemblaggio. Ad esempio, se la serigrafia viene applicata sui pad, può fondersi nei giunti di saldatura e creare discontinuità.
13. Progettazione di circuiti stampati orientata all’assemblaggio
Il Design for Assembly (DFA) colma il divario tra la visione del progettista e la realtà del processo produttivo. È necessario verificare la disponibilità e il posizionamento dei componenti; il DFA può aiutare a semplificare il layout del PCB per ridurre i costi complessivi del progetto e la probabilità di errori di progettazione. .
14. Inefficienza dei dati
Analogamente al DFM, è necessario verificare tutte le schede tecniche di base e i parametri chiave, quali le dimensioni del contenitore, i dati XY, le specifiche DNI, i dati SI e i codici articolo, prima che il progetto entri nella fase di assemblaggio. Ciò consentirà di evitare correzioni e conferme successive.
15. Scelta di un componente errato
La scelta dei componenti influisce sul processo di assemblaggio. Ad esempio, i componenti a foro passante richiedono processi di produzione più complessi rispetto alla tecnologia a montaggio superficiale (SMT). Pertanto, è preferibile utilizzarli solo quando necessario. Scegliete sempre componenti standard anziché componenti personalizzati, poiché i primi sono facilmente reperibili presso diversi fornitori. I componenti personalizzati, invece, sono spesso inadatti alla produzione in grandi volumi e aumentano i costi, poiché è possibile procurarseli solo da fornitori selezionati.
16. Disponibilità dei componenti
Prima di creare una distinta base (BOM), è sempre necessario verificare la disponibilità dei componenti. Se le scorte sono insufficienti, è necessario essere pronti a ricorrere a componenti alternativi provenienti da fornitori diversi. Attualmente esistono numerosi siti web che consentono di effettuare ricerche sui materiali delle distinte base, fornendo informazioni sui materiali e avvisi in caso di esaurimento delle scorte.
17. Imballaggio errato dell'oggetto
La distinta base (BOM) specifica tutti i componenti necessari per assemblare il circuito stampato. Se le dimensioni dei componenti specificate nella distinta base non corrispondono ai dati del pacchetto CAD, sarà difficile completare il circuito. Ciò causerà notevoli difficoltà alle linee di assemblaggio automatizzate. Risolvere questa situazione richiederà molto tempo e sarà costoso. Pertanto, le dimensioni dei componenti dovrebbero essere verificate attentamente durante la fase di progettazione.
18. Distanza insufficiente tra i componenti
Una distanza insufficiente durante il posizionamento dei componenti può causare sovrapposizioni tra i componenti stessi e la formazione di ponti di saldatura. Garantire uno spazio adeguato tra i componenti facilita inoltre la saldatura manuale e la rilavorazione. Prestare particolare attenzione alla spaziatura dei componenti sensibili quali QFP/QFN, POP o BGA. Talvolta, gli elementi vengono posizionati molto vicini tra loro per ottenere un fattore di forma più compatto. È consigliabile seguire le linee guida sulla spaziatura per garantire una tolleranza zero nella spaziatura dei componenti.
19. Distanza insufficiente tra i componenti e i bordi
Dopo l'assemblaggio, il pannello viene sottoposto a un processo di separazione. Durante questo processo, i componenti situati alle estremità dei circuiti stampati dovranno sopportare sollecitazioni elevate che potrebbero danneggiarli. Pertanto, è necessario garantire una distanza sufficiente tra i componenti e i bordi. Inoltre, le opzioni di spaziatura variano a seconda del processo di assemblaggio. Nell’assemblaggio manuale, rispetto a quello automatizzato, è possibile posizionare i componenti più vicini ai bordi.
20. Dimensioni e spaziatura errate dei cuscinetti
La scelta di pad di dimensioni ridotte può causare giunti di saldatura difettosi nei componenti SMT e può persino portare alla rottura dei componenti a foro passante. Rendere i pad il più grandi possibile probabilmente non è la soluzione. I pad più larghi occupano più spazio e possono causare lo spostamento dei componenti SMT dalla loro posizione durante la saldatura. Analogamente alle dimensioni dei pad, anche la distanza tra i pad non dovrebbe essere né troppo ridotta né troppo ampia, poiché ciò può causare problemi durante il posizionamento dei componenti.
21. errore di serigrafia
Lo strato serigrafato contiene una grande quantità di informazioni importanti. Ne sono un esempio i contrassegni relativi all’orientamento dei componenti, quelli relativi al pin 1, quelli relativi alla polarità, quelli relativi al catodo e così via. Se questi dettagli mancano o non sono chiari, lo stabilimento di assemblaggio perderà tempo a verificare la correttezza dei dati. Nel peggiore dei casi, se la polarità o altri dati sono stampati in modo errato sulla serigrafia e l’addetto all’assemblaggio installa i componenti di conseguenza, il circuito stampato potrebbe non funzionare correttamente. È necessario assicurarsi che la serigrafia sia leggibile prima dell’inizio dell’assemblaggio.
22. Errore di alta temperatura
I produttori devono prestare attenzione durante il processo di saldatura, poiché questo genera un calore eccessivo che può danneggiare il circuito stampato. È fondamentale controllare il calore generato durante questo processo. È necessario prevedere un numero sufficiente di cuscinetti termici per garantire un’efficace dissipazione del calore. Le linee guida DFM e DFA possono aiutare a evitare alcuni problemi di progettazione dei PCB e a ridurre al minimo l’impatto degli errori di progettazione. Sul mercato sono disponibili diversi strumenti di progettazione DFM e ne ho provati personalmente alcuni che ho trovato piuttosto validi. Potete scegliere quello più adatto alle vostre esigenze.
Il ruolo principale del DFM nella progettazione dei circuiti stampati
Il DFM è un processo fondamentale per la produzione di circuiti stampati di alta qualità. Solo dopo un’accurata analisi della producibilità è possibile realizzare prodotti che soddisfino i requisiti di progettazione, garantendo così la qualità del prodotto finale. Di seguito viene illustrato il ruolo del DFM nella progettazione dei circuiti stampati.
Garantire la producibilità
Verificare che il progetto sia conforme alle capacità fisiche e ai limiti di processo delle apparecchiature di produzione (quali linee di incisione, foratrici, macchine pick-and-place, forni di rifusione, AOI, ecc.) (ad esempio larghezza/spaziatura minima delle linee, diametro minimo dei fori, dimensioni dei pad, larghezza dei ponti della maschera di saldatura, ecc.).
Migliorare la resa produttiva
Individuare e correggere i potenziali problemi di progettazione che potrebbero causare difetti di fabbricazione (quali spaziature insufficienti che favoriscono i cortocircuiti, piste troppo fragili soggette a rottura, pad progettati in modo tale da favorire il fenomeno del “tombstoning” e spaziature tra i componenti eccessivamente ridotte che possono causare ponti di saldatura), riducendo così gli scarti e le rilavorazioni nel processo di produzione.
Ridurre i costi di produzione
Ridurre i prodotti difettosi e le rilavorazioni significa ridurre lo spreco diretto di materiali e manodopera. Una progettazione ottimizzata facilita l'uso di materiali standard, aperture standard e dimensioni standard, evitando il ricorso a processi speciali o costosi. Inoltre, agevola la produzione automatizzata e migliora l'efficienza produttiva.
Accorciare il ciclo di lancio dei prodotti
Affrontare i problemi di produzione sin dalle prime fasi della progettazione riduce in modo significativo i ritardi nella produzione causati dalle modifiche al progetto, consentendo di lanciare i prodotti sul mercato più rapidamente sin dalla fase di progettazione.
Migliorare l'affidabilità del prodotto
Evitando difetti di progettazione che potrebbero causare potenziali problemi (come punti di concentrazione delle sollecitazioni termiche, scarsa dissipazione del calore e fori di interconnessione con resistenza meccanica insufficiente), è possibile migliorare la stabilità e l'affidabilità a lungo termine del prodotto finale.
Promuovere la collaborazione tra progettazione e produzione
L'introduzione delle regole di produzione e delle competenze pratiche sin dalle prime fasi del processo di progettazione facilita una comunicazione più fluida tra i team di progettazione e di produzione, riducendo i problemi causati dall'asimmetria informativa.
Ridurre il numero di iterazioni di progettazione
L'analisi DFM consente di individuare un gran numero di potenziali problemi di produzione già in fase di progettazione (ancora prima della realizzazione del PCB), permettendo ai progettisti di apportare modifiche tempestive ed evitando il lungo processo previsto dal modello tradizionale, che prevede l'invio dei progetti ai produttori per le revisioni.
Migliora in modo significativo la percentuale di successo della prima produzione.
Un progetto ottimizzato con il DFM presenta un elevato tasso di successo già dal primo ciclo di produzione, riducendo notevolmente il rischio di insuccesso nella produzione in serie dovuto a difetti di progettazione.
Migliorare in modo significativo il tasso di resa della produzione
Questo è il vantaggio economico più immediato. Evitare difetti comuni quali cortocircuiti, circuiti aperti, saldature difettose e "tombstoning" aumenta in modo significativo la percentuale di PCB conformi prodotti rispetto al totale in ingresso. Il miglioramento della resa si traduce direttamente in una riduzione dei costi.
Ridurre in modo efficace i costi unitari di produzione
Riduzione degli scarti di materiale (minor numero di prodotti difettosi), maggiore disponibilità delle attrezzature (funzionamento più fluido della linea di produzione), minori costi di rilavorazione e maggiore facilità nell'ottenere sconti all'ingrosso.
Ottimizzare i processi e migliorare l'efficienza produttiva
Ad esempio, un progetto ben concepito facilita l’assemblaggio della scheda e ottimizza l’utilizzo dei materiali; una disposizione e un orientamento adeguati dei componenti aiutano le macchine di montaggio ad alta velocità a raggiungere prestazioni ottimali; una distribuzione uniforme del rame e strati di cablaggio bilanciati contribuiscono a controllare la deformazione della scheda.
Migliorare l'affidabilità dei prodotti e ridurre i guasti post-vendita (ridurre il tasso di guasti sul campo).
L'eliminazione di difetti di progettazione, quali problemi di gestione termica, rischi legati alla compatibilità elettromagnetica (EMC) e punti di sollecitazione meccanica, rende i prodotti più durevoli presso le sedi dei clienti, riducendo i costi di manutenzione e le ripercussioni negative sulla reputazione del marchio.
Promuovere la standardizzazione dei processi
Gli standard DFM (Design, Manufacturing, and Equipment) possono spesso aiutare le aziende o i fornitori a sviluppare una base unificata di regole di progettazione e produzione e di standard di ispezione, migliorando così il livello complessivo di progettazione e produzione.
Produttori di circuiti stampati e fornitori di servizi EMS chiavi in mano
Geyuan Electronics è un produttore specializzato di circuiti stampati (PCB) e un fornitore di servizi EMS, che offre servizi di produzione di circuiti stampati, Assemblaggio di circuiti stampati, approvvigionamento dei componenti e soluzioni chiavi in mano per la produzione elettronica. Produciamo circuiti stampati multistrato, circuiti stampati HDI, circuiti stampati ad alta velocità, circuiti stampati RF e a microonde, circuiti stampati con rame spesso, circuiti stampati in ceramica, circuiti stampati in alluminio, circuiti stampati flessibili e circuiti stampati rigido-flessibili, dalla prototipazione alla produzione in serie. Non esitate a contattarci per un preventivo di progetto se avete bisogno di qualsiasi tipo di PCB.
Conclusione
Solo attraverso l’analisi del Design for Manufacturing (DFM) è possibile realizzare prodotti PCB di altissima qualità. Ciò vale sia che si tratti della progettazione di un progetto semplice, sia di un circuito stampato industriale complesso e ad alta velocità. Tenere presente il DFM in ogni progetto di PCB apporterà innumerevoli vantaggi ai progetti di cui siete responsabili, a beneficio anche dei progettisti e delle future commesse dell’azienda. Queste procedure controllano il processo di produzione e riducono il costo complessivo della produzione dei circuiti stampati. Se avete bisogno di PCB di alta qualità, contattate il team di Geyuan Electronics. I nostri ingegneri e il nostro team di produzione vantano una vasta esperienza nella produzione di tutti i tipi di PCB.