DFM Guida all'analisi dei circuiti stampati (PCB) e dei circuiti stampati assemblati (PCBA)

Circuiti stampati (PCB) sono la linfa vitale dell'elettronica moderna. Tuttavia, realizzare un circuito stampato che funzioni come previsto è solo una parte del quadro; garantire che possa essere prodotto in modo efficiente, affidabile ed economico è altrettanto importante. È qui che entra in gioco la progettazione dei circuiti stampati in funzione della produzione (DFM). Allineando i progetti alle realtà produttive, il DFM riduce al minimo Produzione di circuiti stampati riduce gli errori, abbassa i costi e accelera il time-to-market.

Inoltre, per gli ingegneri, i difetti di progettazione che non vengono individuati in tempo possono tradursi in ritardi, rilavorazioni o guasti del prodotto. Che abbiate bisogno di un semplice PCB a singolo strato o di un complesso PCB multistrato, l’analisi DFM può trasformare uno schema in un capolavoro pronto per la produzione. Entriamo nei dettagli e scopriamo come rendere il vostro prossimo progetto di PCB sia eccezionale che realizzabile.

Che cos’è l’analisi DFM?

L'analisi della progettabilità per la produzione (DFM) garantisce che i progetti dei circuiti stampati possano essere realizzati in modo semplice e senza intoppi. Esaminando diversi aspetti del progetto (tra cui il layout, il posizionamento dei componenti e le tolleranze), individua potenziali problemi durante l’assemblaggio e la produzione. I controlli DFM consentono di individuare difetti di progettazione che causano difficoltà di produzione, di rispettare i tempi di produzione e di ridurre gli scarti. Il suo obiettivo è rendere il processo di progettazione e produzione dei PCB il più fluido possibile, garantendo al contempo la conformità ai requisiti funzionali e produttivi.

L'importanza dell'analisi DFM nella produzione di circuiti stampati

L'analisi DFM (Design for Manufacturing) è fondamentale per garantire una transizione senza intoppi dalla fase di progettazione a quella di produzione. Ecco alcuni dei principali vantaggi del DFM nella progettazione dei circuiti stampati:

Ridurre i costi	Il DFM consente di individuare e risolvere i problemi di produzione già nelle prime fasi della progettazione, riducendo gli errori di produzione, lo spreco di materiale e le rilavorazioni, con conseguente riduzione dei costi complessivi di produzione.
Migliorare la resa	Una progettazione ben concepita e conforme agli standard di produzione può migliorare la resa produttiva, ridurre il numero di schede difettose e rendere più efficiente l'intero processo di assemblaggio.
Ridurre i tempi di consegna	Poiché l'analisi DFM garantisce che il progetto sia pronto senza necessità di modifiche sostanziali, i tempi di produzione si riducono e anche i tempi di attesa diminuiscono.
Migliorare l'affidabilità del prodotto	Il DFM non solo semplifica la produzione dei circuiti stampati, ma ne garantisce anche il funzionamento affidabile. Affrontando potenziali problemi termici, elettrici e meccanici, il DFM può migliorare le prestazioni e la durata del prodotto finale.

Analisi DFM prima della realizzazione del PCB e produzione di circuiti stampati assemblati (PCBA)

Una volta completato il circuito stampato e inviato al produttore per la produzione, quest’ultimo dovrebbe utilizzare il file Gerber definitivo per eseguire la propria analisi di compatibilità tra progettazione e produzione (DFM). Si noti che uso il termine “dovrebbe” perché non tutti i produttori lo fanno; alcuni, una volta caricato il file Gerber, produrranno senza dubbio il circuito stampato esattamente come indicato nei documenti di produzione. Per altri, sarà necessario richiedere esplicitamente questo livello di servizio, poiché livelli di servizio diversi potrebbero essere offerti solo come opzione aggiuntiva. Una volta ottenuta l’analisi DFM dal produttore, vedrete numerosi risultati in due aree: verifiche delle tolleranze relative alla capacità di processo e verifiche dei requisiti specifici del settore.

Verificare le dimensioni dei pezzi in base alle capacità di processo.

Quando invii i documenti di progettazione al produttore e questi esegue un’analisi DFM, probabilmente vedrai molti risultati relativi ai controlli di spazio libero. Il produttore dovrebbe aver già verificato le aree sopra elencate, ma deve anche confrontare le dimensioni delle tue caratteristiche e gli spazi liberi con le proprie capacità produttive. Anche se avete già eseguito questa procedura con i file Gerber iniziali al momento della richiesta di preventivo, è consigliabile ripeterla, poiché potreste aver tralasciato qualche dettaglio.

Punti chiave dell'analisi DFM (Design for Manufacturing) per PCB e PCBA

Analisi del “Design for Manufacturing” (DFM) dei PCB (circuiti stampati) e PCBA (schede assemblate) è in grado di individuare e correggere eventuali discrepanze tra progettazione e processo prima della generazione dei file relativi alle schede e al montaggio superficiale, riducendo così i costi di produzione e migliorando la resa.

Elementi chiave da verificare nella progettazione DFM delle schede PCB non assemblate

Larghezza/Spaziatura delle tracce	Verificare che i fili non superino la capacità massima di lavorazione prevista dal produttore (ad esempio, meno di 3 mil/3 mil) per evitare circuiti aperti causati da fili di rame eccessivamente sottili o cortocircuiti causati da una distanza tra i fili eccessivamente ridotta.
Dimensioni del foro e anello anulare	Verificare il diametro del via, le dimensioni del pad e il margine del foro per garantire un sostegno sufficiente dell'anello di rame dopo la foratura, al fine di evitare la rottura del foro.
Maschera di saldatura diga	Verificare la larghezza della maschera di saldatura tra i pad per evitare cortocircuiti causati dalla formazione di ponti di saldatura durante la saldatura.
Distanza tra il rame e il bordo	Mantenere una distanza di sicurezza (di solito ≥ 0,3 mm) tra il tracciato in rame e il bordo del PCB per evitare che il rame rimanga esposto o si verifichino cortocircuiti durante la fresatura.

Assemblaggio PCBA (DFA) – Punti chiave di ispezione

Gioco dei componenti	Verificare la distanza tra i componenti di grandi dimensioni (come i condensatori elettrolitici e i trasformatori) e i componenti di piccole dimensioni circostanti, al fine di evitare interferenze durante il posizionamento SMT o effetti di oscuramento durante la saldatura ad onda.
Corrispondenza tra cuscinetti e perni	Verificare che le dimensioni dei pad per il montaggio superficiale (SMD) siano conformi allo standard IPC. I pad troppo grandi possono facilmente causare lo spostamento dei componenti (effetto Manhattan), mentre quelli troppo piccoli comportano una saldatura insufficiente.
Panelizzazione e bordi di lavorazione	Valutare il metodo di panelizzazione della scheda di grandi dimensioni (V-Cut o fori stampati) e lasciare un margine di lavorazione (di solito ≥ 5 mm) sul bordo della scheda per soddisfare i requisiti delle piste SMT.
Indicazioni di direzione e polarità	Assicurarsi che la serigrafia sui componenti polarizzati, quali diodi, circuiti integrati e condensatori elettrolitici, sia chiara e ben visibile, in modo da facilitare la produzione e l’ispezione manuale.

Processo di revisione DFM e fasi di implementazione

Preparativi preliminari	Esporta file Gerber standard, file di coordinate (centroide) ed elenchi delle distinte base.
Caricamento delle regole	Importare i parametri di processo dalla fonderia partner in un software DFM professionale (come Altium 365 o Siemens PADS).
Scansione automatica e revisione manuale	Eseguire controlli automatici degli errori e effettuare ottimizzazioni manuali per gli elementi ad alto rischio (come difetti di tipo “tombstone” e giunti di saldatura difettosi).
Genera report	Inizieremo la produzione solo dopo aver risolto tutti i bug critici e gravi.

Linee guida dettagliate per l'ispezione DFM nei progetti relativi a PCB o PCBA

Di seguito sono riportate alcune linee guida dettagliate per l'analisi della producibilità nei progetti PCB e PCBA, sintetizzate dal team di ingegneri di Geyuan Electronics. Quanto più completa è l'analisi della producibilità, tanto minore è il rischio di problemi nel progetto.

Analisi delle linee

Larghezza minima della linea	Nella progettazione dei layout dei circuiti stampati, gli ingegneri devono prestare attenzione alla larghezza delle piste. La larghezza delle piste è correlata alla capacità di trasporto di corrente. Se la larghezza della pista è troppo ridotta, la corrente sarà eccessiva e la pista si brucerà.
Distanza minima	La distanza tra le tracce sul PCB deve essere la più ampia possibile. La distanza minima deve essere sufficiente a sopportare la tensione. Quando la densità delle tracce è bassa, è possibile aumentare opportunamente la distanza tra le linee di segnale. Una distanza ridotta tra linee di segnale diverse può causare diafonia.
Distanza tra i componenti SMD	Il termine SMD si riferisce ai pad di montaggio superficiale. Se i due pad dello stesso dispositivo sono vicini tra loro, la saldatura può causare un cortocircuito tra i due pad. Allo stesso modo, se dispositivi diversi sono vicini tra loro, la saldatura tra reti diverse può anch’essa causare cortocircuiti.
dimensioni del punto di saldatura	Le dimensioni dei punti di saldatura influiscono sul processo di saldatura. Ad esempio, punti di saldatura di piccole dimensioni sui componenti a chip possono causare una saldatura non corretta, mentre punti di saldatura troppo grandi possono far sì che il componente venga spostato dal centro o si ribalti.
Rete in rame	Per migliorare le prestazioni di dissipazione del calore del circuito stampato e impedire che la maschera antisaldatura si stacchi, la lamina di rame è stata progettata con un motivo a griglia. La ridotta distanza tra le maglie della griglia e la larghezza delle linee comportano alcune difficoltà di produzione.
Misura dell'anello del foro	Se l'anello di saldatura del foro di inserimento è troppo piccolo, potrebbe risultare impossibile eseguire la saldatura. Se l'anello del foro passante è troppo piccolo, sussiste il rischio di un circuito aperto.
Dal foro al cavo	Nelle schede multistrato, la distanza tra i fori degli strati interni e le piste è troppo ridotta. I processi di laminazione e foratura delle schede multistrato presentano determinate tolleranze e una distanza insufficiente tra fori e piste può causare cortocircuiti durante la produzione. Segnali elettrici: le piste interrotte indicano difetti di progettazione che causano circuiti aperti; i fili di rame isolati e gli angoli acuti possono creare difficoltà di produzione.
Rame fino al bordo della lastra	Se il rame presente sul bordo della scheda è troppo vicino alla sagoma, potrebbe verificarsi un’esposizione del rame durante lo stampaggio, con conseguente rischio di perdite durante l’installazione del prodotto finito.
Cuscinetti da foro	I fori presenti sui pad si riferiscono ai fori presenti sui pad di montaggio superficiale, che possono influire sulla saldatura dei componenti a montaggio superficiale.
Circuito aperto in cortocircuito	L'analisi dei circuiti aperti e in cortocircuito individua i difetti di progettazione che causano circuiti aperti o in cortocircuito.

Analisi della perforazione

Diametro del foro	Il diametro ridotto dei fori incide sui costi di produzione; il limite per la foratura meccanica è di 0,15 mm e, più piccolo è il diametro del foro, maggiore è il costo.
Buca per buca	La distanza ridotta tra i fori può causare la rottura della punta durante la foratura, con conseguente insorgere di un problema di cortocircuito.
Distanza dal foro al bordo della piastra	Se il foro di inserimento è troppo vicino al bordo della scheda, si romperà l'anello di saldatura e ciò comprometterà la saldatura. Se il via è troppo vicino al bordo della scheda, si verificheranno problemi di conduttività elettrica.
Densità dei pori	La densità dei pori è il numero di pori per metro quadrato, espresso in decine di migliaia per metro quadrato (10.000/m). Una densità più elevata comporta tempi di produzione più lunghi. Una densità dei pori superiore a un determinato valore inciderà sia sul prezzo che sui tempi di produzione.
Fori speciali	Per "fori speciali" si intendono i mezzi fori e i fori quadrati. I mezzi fori troppo piccoli potrebbero non contenere rame. I fori quadrati non possono essere riconosciuti a causa di problemi legati al software EDA e richiedono annotazioni specifiche.
Perdita	L'errore di progettazione del sistema di rilevamento potrebbe aver causato la cancellazione accidentale dei fori, con conseguente formazione di circuiti aperti o impossibilità di saldare i componenti.
fori aggiuntivi	Rileva i fori inesistenti, ad esempio quando il file Gerber e i fori non corrispondono, oppure quando sono presenti fori in punti in cui non dovrebbero esserci.
Via non conduttiva	Per "fori non conduttivi" si intendono le proprietà dello strato conduttivo dei fori ciechi e sepolti. Un foro è considerato non conduttivo quando, durante la foratura, viene collegato un solo strato conduttivo.

Progettazione di circuiti stampati e contenitori

La progettazione dei pad rappresenta un’area ad alto rischio per quanto riguarda i problemi di DFM e deve essere verificata uno per uno durante la revisione.

piazzole per resistori e condensatori	La distanza tra i pad deve essere pari alla lunghezza del corpo del componente meno la sporgenza su entrambe le estremità, in genere compresa tra 0,1 e 0,3 mm per ciascuna estremità. Se per errore si utilizza un pad 0603 per un contenitore 0402, durante la saldatura a riflusso si verificherà il fenomeno del «tombstoning»; se i pad sono troppo stretti, aumenta la probabilità di giunti di saldatura freddi.
Contenitori di tipo IC e QFN	I pad di dissipazione del calore sul lato inferiore dei QFN devono essere progettati in base alle dimensioni raccomandate nella scheda tecnica del dispositivo: se sono troppo grandi, causeranno cortocircuiti dovuti all’estrusione della pasta saldante; se sono troppo piccoli, comprometteranno la dissipazione del calore e la resistenza della saldatura. Si raccomanda che il diametro dei pad BGA sia compreso tra 70% e 80% del diametro della sfera. La scelta tra NSMD (senza definizione della maschera di saldatura) e SMD (con definizione della maschera di saldatura) dipende dalla spaziatura.
Cuscinetti isolanti	La larghezza dell'anello del foro di inserimento non deve essere inferiore a 0,15 mm (6 mil). Una larghezza insufficiente dell'anello durante lo sfalsamento della foratura causerà la rottura dell'anello e un circuito aperto. Si raccomanda di mantenere il gioco di accoppiamento tra il diametro del foro e quello del perno compreso tra 0,2 e 0,4 mm.

Maschera di saldatura e serigrafia

Ponte di resistenza saldato	L'analisi dei ponti nella maschera di saldatura evidenzia il rischio di ponti di saldatura e cortocircuiti in assenza di maschera di saldatura tra i pad. La maschera di saldatura copre le tracce, lasciandole esposte. Le tracce esposte tra reti diverse comportano il rischio di cortocircuiti.
Resina antisolderante con un numero inferiore di aperture	Le aperture della maschera di saldatura indicano le parti della scheda che devono essere lasciate scoperte per la saldatura. Se i pad di saldatura non vengono lasciati scoperti, saranno coperti dalla maschera di saldatura e non potranno essere saldati.
Dimensioni della finestra di resistenza di saldatura	L'apertura deve trovarsi a 0,05 mm verso l'interno rispetto al bordo della lamina di rame per evitare che il substrato rimanga esposto; la larghezza del ponte della maschera di saldatura non deve essere inferiore a 0,1 mm, poiché se troppo stretta si rompe facilmente.
etichettatura serigrafica	Le linee serigrafate non devono coprire i punti di saldatura, mentre i simboli di polarità relativi ai diodi, ai condensatori elettrolitici e al pin 1 dei circuiti integrati devono essere ben visibili e orientati nella stessa direzione.
Distanza tra la serigrafia e i tamponi	Lo spessore non deve essere inferiore a 0,15 mm per evitare che l'inchiostro della vernice antisaldante contamini i pad di saldatura e comprometta la saldabilità.

Rivestimenti e bordi di lavorazione

Larghezza del bordo del processo	Per il fissaggio delle guide del trasportatore SMT è necessario lasciare uno spazio minimo di 5 mm su ciascun lato; se sul bordo della scheda sono presenti componenti, è necessaria un'ulteriore distanza di sicurezza di almeno 3 mm.
Metodo di assemblaggio dei pannelli	Il taglio a V (V-CUT) è indicato per il taglio lineare di pannelli con uno spessore della lamiera non superiore a 2,0 mm; le scanalature fresate (fori stampati) sono indicate per il taglio di pannelli di forma irregolare. Lo spessore residuo del taglio a V è solitamente pari a 1/3 dello spessore della lamiera.
Punto di riferimento (punto di base)	Ogni pannello deve avere almeno 3 punti di riferimento globali. Si raccomanda di aggiungere punti di riferimento locali in prossimità della diagonale di ciascun dispositivo QFP o BGA. Non devono esserci interferenze dovute alla serigrafia o al rame entro 5 mm dai punti di riferimento.
Punto di posizionamento ottico	Utilizzare punti circolari in rame nudo con un diametro compreso tra 1,0 e 1,5 mm; la superficie deve essere trattata con un agente antiossidante.

Progettazione di stencil

L'apertura dello stencil influisce direttamente sulla qualità della stampa della pasta saldante. Durante gli audit DFM è necessario prestare attenzione ai seguenti punti.

Rapporto di apertura	Per i resistori e i condensatori standard, l'apertura dello stencil deve essere progettata con un rapporto di 1:1 rispetto all'area del pad; per i contenitori 0402 e di dimensioni inferiori, si raccomanda di realizzare un taglio interno (a forma di "Home Plate" o a U) per evitare la formazione di sfere di saldatura.
Spessore della rete in acciaio	Lo spessore di 0,1 mm è adatto per QFP con passo di 0,5 mm; lo spessore di 0,12 mm è adatto per il montaggio misto di componenti 0603 e 0805; lo spessore di 0,08 mm è adatto per BGA con passo di 0,4 mm.
Cuscinetti per grandi superfici	I cuscinetti di dissipazione del calore sono suddivisi in griglie (a croce o a reticolo) per evitare che un eccesso di pasta saldante provochi ponti di saldatura o vuoti.
Metodi di rilevamento	Questo tipo di difetti di saldatura e montaggio viene solitamente individuato in linea tramite la tecnologia AOI (ispezione ottica automatizzata).

Produzione di circuiti stampati (PCB) e assemblaggi di circuiti stampati (PCBA) problemi individuati tramite l'analisi DFM

Sebbene non possiamo divulgare informazioni specifiche sui clienti, possiamo illustrare un caso tipico: un cliente… Progettazione di circuiti stampati Durante la produzione abbiamo riscontrato ripetutamente problemi legati alla bassa resa nella saldatura dei componenti QFN. La nostra analisi DFM ha rivelato un’area di apertura dello stencil insufficiente per il pad di massa centrale (solo 30%) e una distanza eccessivamente ridotta tra i pad dei pin periferici. Abbiamo raccomandato di regolare l’area di apertura del pad centrale a 50% e di utilizzare un design con aperture più ampie all’interno del circuito e più lunghe all’esterno del circuito per i pad periferici. Dopo aver implementato queste raccomandazioni, la percentuale di successo della saldatura è migliorata da 82% a 98,5%, con grande soddisfazione del cliente.

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Nel mercato altamente competitivo della produzione elettronica, un elevato rendimento al primo passaggio si traduce in una maggiore competitività e in una redditività più elevata. Geyuan Electronics, grazie alle sue competenze professionali nell’analisi DFM e alla vasta esperienza nella produzione di PCB e PCBA, colma il divario tra progettazione e produzione, garantendo che i vostri prodotti siano progettati fin dall’inizio per una produzione ad alta efficienza. Contattateci per provare i nostri servizi professionali di analisi DFM e aumentare la resa al primo passaggio della vostra produzione di PCBA a oltre 98%, riducendo i costi di produzione, abbreviando i tempi di consegna e migliorando la vostra competitività sul mercato! Per qualsiasi esigenza di progettazione di PCB o produzione di PCBA, non esitate a contattare Geyuan Electronics. Il nostro team di professionisti è pronto a fornirvi assistenza tecnica e servizi.

Conclusione

I circuiti stampati (PCB) possono funzionare bene in teoria. Ma per funzionare nel mondo reale — in condizioni di produzione di massa, alte temperature, alte pressioni e tolleranze di produzione effettive — devono essere realizzabili. È qui che entra in gioco il Design for Manufacturing (DFM). Non si tratta di una questione di estetica, né rende il vostro PCB più bello; lo rende semplicemente davvero funzionale. Consente di risparmiare sui costi, evita errori e vi aiuta a tenere sotto controllo lo stato di avanzamento del progetto. I bravi ingegneri progettano prodotti pensati per la linea di produzione, non per il laboratorio. Se desiderate prodotti affidabili e rendimenti prevedibili, integrate il Design for Manufacturing (DFM) nel vostro processo di progettazione. Se avete bisogno di PCB o PCBA, contattateci per ricevere assistenza.