22 Oplosbaar Ontwerp Problemen bij de productie van printplaten en referentie voor DFM-analyse
Tijdens de planningsfase van een nieuw project richten bedrijven van allerlei aard zich doorgaans op de technische en financiële aspecten van de massaproductie van printplaten. In dit proces moeten de productiekosten van printplaten tot een minimum worden beperkt en moeten ontwerpwijzigingen worden vermeden, anders komen de winstmarges in het gedrang. Om herzieningen te voorkomen, moeten ingenieurs de lay-out van de printplaat zorgvuldig ontwerpen om een soepel verloop te garanderen Productieproces van printplaten. Nadat ze de CAM-gegevens hebben ontvangen, corrigeren leveranciers vaak kleine fouten, wat extra kosten en tijd met zich meebrengt. Dit artikel geeft een overzicht van 22 ‘Design for Manufacturing’ (DFM)-kwesties die de productie van printplaten kunnen verbeteren, waardoor productontwerpers, ingenieurs en inkoopmanagers snel mogelijke productieproblemen in lopende printplaatontwerpprojecten kunnen analyseren.
Wat is DFM bij printplaten?
DFM staat voor Design for Manufacturability (ontwerp met het oog op produceerbaarheid). Het is een onderwerp dat helpt bij het verminderen van productieproblemen. In ontwerpregels leggen we afstanden en toleranties vast. Daarom bereiden we bij PCB-DFM de printplaat voor op praktische toepassingen. Toleranties moeten aansluiten bij het daadwerkelijke systeem. Tijdens de PCB-lay-outfase volgen ontwerpers een PCB-DFM-checklist. Dit proces helpt het ontwerp van de printplaat te optimaliseren voor de productiefase. Het verlaagt de kosten en verbetert de kwaliteit, en herinnert ontwerpers eraan om de DFM-controles te volgen telkens wanneer ze een ontwerp willen produceren. PCB-DFM is een kernonderdeel van functieoverschrijdend teamwerk en samenwerking met teams in de toeleveringsketen, en het is tevens een integraal onderdeel van het algehele productontwerpproces.
22 vragen over PCB-ontwerp en bronnen voor DFM-analyse
Hieronder volgen 22 fouten bij het ontwerpen van printplaten die vóór de productie kunnen worden vermeden, samengevat door het engineeringteam van Geyuan Electronics. Als ingenieurs hebben we dit allemaal wel eens meegemaakt: nadat we een project zorgvuldig hebben afgerond en de printplaat klaar is, sturen we deze op voor prototyping, om vervolgens te ontdekken dat het monster aankomt en al onze inspanningen voor niets zijn geweest. Specifieke problemen met de printplaat kunnen te maken hebben met het ontwerp of met de productie. Natuurlijk kunnen veel problemen al vóór de productie worden voorkomen. Onze samenvatting van 22 vermijdbare fouten bij het ontwerpen van printplaten kan u helpen bij het bouwen van efficiënte en foutloze printplaten.
1. Onvolledige en ongeldige ontwerpdocumenten
Of het nu gaat om Gerber-, ODB++- of BOM-bestanden: de invoerbestanden bevatten essentiële informatie, zoals laagafbeeldingen, stuklijsten, printplaatcontouren, IPC-netlijsten, hoofdtekeningen en de laagvolgorde. Elke onduidelijkheid in de specificaties kan in latere fasen tot problemen leiden. Daarom moeten alle verplichte documenten worden gecontroleerd voordat ze aan de productie worden doorgegeven.
2. Ongeschikt substraatmateriaal
Sommige schakelingen vereisen, afhankelijk van hun functie, speciale materialen. Zo zijn gangbare substraten bijvoorbeeld niet goed bestand tegen hoogfrequente signalen. In dergelijke gevallen moeten fabrikanten in een vroeg stadium de materiaalvereisten bespreken en geschikte materialen voor het PCB-substraat selecteren.
3. Onjuiste kabelbreedte
Koperen sporen verbinden alle componenten in een schakeling. Eventuele defecten in de sporen kunnen leiden tot kortsluitingen, signaalvervorming en oververhitting. Het stroomvermogensvermogen van een geleider (spoor) neemt toe met de breedte ervan. Als er een hogere stroom door het spoor vloeit, wordt er meer warmte afgegeven, waardoor de printplaat oververhit raakt. Optimaliseer daarom de geleiderbreedte op basis van de eisen van uw circuit en zorg ervoor dat de breedte van de spoorlijnen in de buitenste laag minimaal 4 mil bedraagt. U kunt online tools gebruiken om de spoorbreedte, stroomcapaciteit en temperatuurstijging te optimaliseren.
4. Onjuiste kabelafstand
Zorg ervoor dat de afstand tussen geleiders niet wordt opgeofferd ten gunste van een compactere schakelingindeling, aangezien onvoldoende afstand tussen de sporen kan leiden tot overslag en overspraak. Volg de standaardrichtlijnen en zorg voor voldoende ruimte tussen de geleiders. Net als bij de spoorbreedte kunt u een calculator voor geleiderafstand en spanning gebruiken om de optimale afstand tussen geleiders te berekenen.
5. Zuurvanger
Als tijdens het frezen een spoor een scherpe hoek (minder dan 90°) vormt, ontstaat er een zuurvanger. Tijdens het etsen kan er restzuur in de bocht blijven zitten, wat leidt tot overmatig etsen van het spoor. Zuurvangers kunnen worden voorkomen door PCB-ontwerp door te voorkomen dat er tijdens het frezen scherpe bochten ontstaan.
6. Onvoldoende afstand tussen het spoor of het boorgat en de rand
Zorg ervoor dat u in uw printplaatontwerp voldoende ruimte tussen de randen en de sporen aanhoudt. Als u om welke reden dan ook de ruimte verkleint, kunnen externe geleiders tijdens het demetalliseren gedeeltelijk worden afgeschaafd of doorgesneden. Onvoldoende ruimte tussen het koper en de rand van de printplaat kan leiden tot blootliggend koper en bramen aan de randen.
7. Fout in het boorproces
In printplaten (PCB's), boren fabrikanten gaten voor verschillende doeleinden, zoals via’s, uitlijning en de plaatsing van componenten. Boren is een onomkeerbaar proces, en onnodig boren kan je ontwerp verpesten. Andere factoren waarmee rekening moet worden gehouden zijn onder meer de grootte, de afstand tussen de gaten, de aspectverhouding, het aantal gaten op de printplaat en het type machine (laser/mechanisch). Veelvoorkomende fouten bij het boren zijn onder meer gatringen en onvoldoende afstand tussen de boor en het koper.
8. Gebreken aan de ring
De ringverbinding verbindt de via met het spoor. Als de diameter van de ringverbinding te klein is, wordt de signaalstroom tussen de geleider en de via onderbroken. Afgewerkte boorgaten kunnen een tolerantie van ±2 mils hebben; wanneer deze tolerantie kleiner is dan 2 mils, kan de ringbreuk ontstaan. Dit leidt tot een open circuit. Bovendien kan een te smalle ring bij een componentgat leiden tot slechte soldeerverbindingen na de assemblage.
9. fout in het soldeermasker
Het soldeermasker op een printplaat beschermt het oppervlak tegen verontreiniging en isoleert verbindingen. Fabrikanten laten bepaalde gebieden (footprints en pads) vrij voor het plaatsen van componenten tijdens het soldeerproces. Als er onvoldoende ruimte is tussen de opening in het via-masker en de aangrenzende opening voor een component, kunnen er tijdens de assemblage soldeerbruggen ontstaan, wat leidt tot slechte soldeerverbindingen en inefficiëntie. Daarom moet er een voldoende dikke soldeermaskerlaag worden aangehouden tussen de via-opening en de aangrenzende componentopening. Aan de andere kant kan een onvoldoende dikke soldeermaskerlaag soldeergaten veroorzaken, waardoor het koper wordt blootgesteld aan corrosie.
10. Koper en soldeerresist
Koperstroken zijn losjes gehechte, dunne reststukjes koper die tijdens het drukproces ontstaan. Tijdens het galvaniseren kunnen deze losjes gehechte stroken losraken en in de galvanisatieoplossing terechtkomen. Deze fotoresistfragmenten kunnen zich overal op de printplaat afzetten en kortsluiting veroorzaken. Tegelijkertijd kunnen op plaatsen waar fotoresist is verwijderd ongewenst koper op de printplaat achterblijven, wat de functionaliteit ervan kan beïnvloeden. Soldermaskerstrips worden gevormd tijdens het belichtingsproces van het soldermasker, waarbij de soldermaskerlaag op zijn plaats blijft om soldeerbruggen te voorkomen. Wanneer de dam minder dan 4 mils dik is, kunnen deze los gebonden dammen mogelijk in stroken veranderen en tijdens de ontwikkelingsfase worden weggespoeld.
11. koellichaam
Het soldeerproces genereert overmatige warmte, wat de printplaat kan beschadigen. Om dit te voorkomen, moet u zorgen voor voldoende warmtevoeren. Warmtevoeren bestaan uit kleine koperen spaken, zogenaamde “warmteplaten”, die de warmtegeleiding bevorderen. Als deze warmteplaten niet in contact staan met de soldeerpunten of het soldeervlak, worden ze ‘starved heat plates’ genoemd. Onvoldoende warmteplaten leiden tot een slechte warmtegeleiding en zorgen ervoor dat de printplaat oververhit raakt.
12. Fout bij zeefdrukken
Zeefdrukken vindt pas in een laat stadium van het productieproces plaats. Als de zeefdruk overlapt met contactpunten, printplaatoppervlakken, gaten enz., kan dit problemen opleveren tijdens de assemblage. Als de zeefdruk bijvoorbeeld op contactpunten wordt aangebracht, kan deze in de soldeerverbindingen smelten en onderbrekingen veroorzaken.
13. Montagegericht printplaatontwerp
Design for Assembly (DFA) overbrugt de kloof tussen de visie van de ontwerper en de realiteit van het productieproces. Je moet de beschikbaarheid en plaatsing van componenten controleren; DFA kan helpen de lay-out van de printplaat te vereenvoudigen, waardoor de totale projectkosten en de kans op ontwerpfouten worden verminderd. .
14. Inefficiënt gebruik van gegevens
Net als bij DFM moet u alle basisgegevensbladen en belangrijke parameters, zoals de afmetingen van de behuizing, XY-gegevens, DNI-specificaties, SI-gegevens en onderdeelnummers, controleren voordat het ontwerp het assemblageproces ingaat. Zo voorkomt u dat er achteraf correcties en bevestigingen nodig zijn.
15. Het kiezen van het verkeerde onderdeel
De keuze van componenten is van invloed op het assemblageproces. Zo vereisen doorvoercomponenten complexere productieprocessen in vergelijking met oppervlaktemontagetechnologie (SMT). Daarom kun je ze het beste alleen gebruiken wanneer dat nodig is. Kies altijd voor standaardcomponenten in plaats van op maat gemaakte componenten, aangezien standaardcomponenten bij meerdere leveranciers direct verkrijgbaar zijn. Op maat gemaakte onderdelen zijn daarentegen vaak ongeschikt voor massaproductie en verhogen de kosten, omdat u ze alleen bij geselecteerde leveranciers kunt inkopen.
16. Beschikbaarheid van onderdelen
Voordat u een stuklijst (BOM) opstelt, moet u altijd controleren of de onderdelen beschikbaar zijn. Als er onvoldoende voorraad is, moet u erop voorbereid zijn om alternatieve onderdelen van andere leveranciers te gebruiken. Er zijn momenteel veel websites waarop u stuklijstonderdelen kunt opzoeken en die informatie over materialen en meldingen bij uitverkochte artikelen bieden.
17. Onjuiste verpakking van het object
De stuklijst (BOM) geeft alle componenten aan die nodig zijn voor de assemblage van de printplaat. Als de in de stuklijst opgegeven afmetingen van de componenten niet overeenkomen met de gegevens in het CAD-pakket, zal het moeilijk zijn om het circuit te voltooien. Dit leidt tot aanzienlijke problemen voor geautomatiseerde assemblagelijnen. Het verhelpen van deze situatie zal tijdrovend en kostbaar zijn. Daarom moeten de afmetingen van de componenten tijdens de ontwerpfase zorgvuldig worden gecontroleerd.
18. Onvoldoende afstand tussen de componenten
Onvoldoende afstand bij het plaatsen van componenten kan leiden tot overlapping van componenten en soldeerbruggen. Het aanhouden van voldoende ruimte tussen componenten vergemakkelijkt ook het handmatig solderen en herstelwerk. Besteed speciale aandacht aan de afstand tussen gevoelige componenten zoals QFP/QFN, POP of BGA. Soms worden componenten heel dicht bij elkaar geplaatst om een kleinere vormfactor te realiseren. Het is het beste om de richtlijnen voor de afstand te volgen om een nultolerantie in de afstand tussen componenten te garanderen.
19. Onvoldoende afstand tussen onderdelen en randen
Na de assemblage ondergaat het paneel een depanelingproces. Tijdens dit proces worden componenten aan de uiteinden van de printplaten blootgesteld aan hoge belastingen die schade kunnen veroorzaken. Daarom moet er voldoende ruimte worden gelaten tussen de componenten en de randen. Bovendien variëren de mogelijkheden voor de afstanden afhankelijk van het assemblageproces. Bij handmatige assemblage kunt u de componenten dichter bij de randen plaatsen dan bij geautomatiseerde assemblage.
20. Onjuiste afmetingen en tussenruimtes van de pads
Het kiezen van kleinere padmaten kan leiden tot slechte soldeerverbindingen bij SMT-componenten en kan zelfs breuk veroorzaken bij doorvoercomponenten. Het zo groot mogelijk maken van de padmaat is waarschijnlijk geen oplossing. Bredere pads nemen meer ruimte in beslag en kunnen ervoor zorgen dat SMT-componenten tijdens het solderen uit hun positie verschuiven. Net als bij de padgrootte mag de afstand tussen de pads niet te klein of te groot zijn, omdat dit problemen kan veroorzaken bij het plaatsen van componenten.
21. zeefdrukfout
De zeefdruklaag bevat een schat aan belangrijke informatie. Voorbeelden hiervan zijn markeringen voor de oriëntatie van componenten, markeringen voor pin 1, polariteitsmarkeringen, kathodemarkeringen, enzovoort. Als deze details ontbreken of onduidelijk zijn, zal de assemblagefabriek tijd verspillen aan het controleren van de juiste gegevens. In het ergste geval, als de polariteit of andere gegevens onjuist op de zeefdruk zijn afgedrukt en de monteur de componenten op basis daarvan monteert, kan de printplaat defect raken. U moet ervoor zorgen dat de zeefdruk goed leesbaar is voordat de assemblage begint.
22. Fout bij hoge temperatuur
Fabrikanten moeten tijdens het soldeerproces voorzichtig te werk gaan, aangezien hierbij overmatige hitte vrijkomt die de printplaat kan beschadigen. Het is van cruciaal belang om de tijdens dit proces vrijgekomen hitte onder controle te houden. Zorg voor voldoende warmtegeleidingspads voor een effectieve warmteafvoer. DFM- en DFA-richtlijnen kunnen u helpen bepaalde ontwerpproblemen bij printplaten te voorkomen en de gevolgen van ontwerpfouten tot een minimum te beperken. Er zijn verschillende DFM-ontwerptools op de markt verkrijgbaar, en ik heb er zelf een aantal uitgeprobeerd die ik erg goed vond. U kunt er een kiezen die bij uw behoeften past.
De belangrijkste rol van DFM bij het ontwerpen van printplaten
DFM is een essentieel proces voor de productie van hoogwaardige printplaatproducten. Pas na een grondige analyse van de produceerbaarheid kunnen producten worden vervaardigd die aan de ontwerpvereisten voldoen, waardoor de kwaliteit van het eindproduct wordt gewaarborgd. Hieronder volgt een toelichting op de rol van DFM bij het ontwerpen van printplaten.
Zorg ervoor dat het product produceerbaar is
Controleer of het ontwerp voldoet aan de fysieke mogelijkheden en procesbeperkingen van de productieapparatuur (zoals etslijnen, boormachines, pick-and-place-machines, reflow-ovens, AOI, enz.) (zoals minimale lijnbreedte/afstand, minimale gatdiameter, padgrootte, breedte van de soldeermaskerbrug, enz.).
De productieopbrengst verbeteren
Potentiële problemen in het ontwerp die tot fabricagefouten kunnen leiden (zoals onvoldoende tussenruimte waardoor kortsluiting kan ontstaan, zwakke sporen die gemakkelijk kunnen breken, padontwerpen die gevoelig zijn voor ‘tombstoning’, en een te kleine tussenruimte tussen de componenten die soldeerbruggen kan veroorzaken) identificeren en verhelpen, waardoor het aantal afkeuren en het aantal herstelwerkzaamheden in het productieproces wordt verminderd.
De productiekosten verlagen
Door het aantal defecte producten en het aantal herstelwerkzaamheden te verminderen, ontstaat er minder directe verspilling van materialen en arbeid. Een geoptimaliseerd ontwerp maakt het gebruik van standaardmaterialen, standaardopeningen en standaardafmetingen mogelijk, waardoor speciale of dure processen kunnen worden vermeden. Het bevordert bovendien de geautomatiseerde productie en verbetert de productie-efficiëntie.
De productlanceringscyclus verkorten
Door productieproblemen al in een vroeg stadium van de ontwerpfase aan te pakken, worden productievertragingen als gevolg van herontwerp aanzienlijk beperkt, waardoor producten sneller vanaf de ontwerpfase op de markt kunnen worden gebracht.
De betrouwbaarheid van het product verbeteren
Door ontwerpfouten te vermijden die tot mogelijke problemen kunnen leiden (zoals punten waar thermische spanning zich concentreert, slechte warmteafvoer en via’s met onvoldoende mechanische sterkte), kunnen de stabiliteit en betrouwbaarheid van het eindproduct op lange termijn worden verbeterd.
De samenwerking tussen ontwerp en productie bevorderen
Door al in een vroeg stadium van het ontwerpproces rekening te houden met productieregels en praktijkervaring verloopt de communicatie tussen de ontwerp- en productieteams soepeler, waardoor problemen als gevolg van informatieasymmetrie worden verminderd.
Het aantal ontwerpiteraties verminderen
Met een DFM-analyse kunnen in de ontwerpfase (nog vóór de productie van de printplaat) een groot aantal mogelijke productieproblemen worden opgespoord, waardoor ontwerpingenieurs tijdig aanpassingen kunnen doorvoeren en het langdurige proces wordt vermeden waarbij ontwerpen in het traditionele model naar fabrikanten worden gestuurd voor herziening.
Verbetert het slagingspercentage bij de eerste productie aanzienlijk.
Een ontwerp dat met DFM is geoptimaliseerd, heeft een hoog slagingspercentage bij de eerste productierun, waardoor het risico op mislukkingen bij de massaproductie als gevolg van ontwerpfouten aanzienlijk wordt verminderd.
De productieopbrengst aanzienlijk verbeteren
Dit is het meest directe economische voordeel. Door veelvoorkomende defecten zoals kortsluitingen, onderbrekingen, slecht soldeerwerk en tombstoning te voorkomen, neemt het aandeel van de geproduceerde goedgekeurde printplaten ten opzichte van de totale input aanzienlijk toe. Een verbeterde opbrengst vertaalt zich direct in lagere kosten.
De productiekosten per eenheid effectief verlagen
Minder materiaalverspilling (minder defecte producten), een hogere beschikbaarheid van de apparatuur (soepelere werking van de productielijn), lagere kosten voor herstelwerkzaamheden en het gemakkelijker behalen van bulkkortingen.
Processen optimaliseren en de productie-efficiëntie verbeteren
Zo zorgt een doordacht ontwerp bijvoorbeeld voor een vlotte montage van de printplaat en een maximale benutting van het materiaal; een juiste plaatsing en oriëntatie van de componenten helpen hogesnelheids-pick-and-place-machines om optimaal te presteren; een gelijkmatige koperverdeling en evenwichtige bedradingslagen helpen kromtrekken van de printplaat tegen te gaan.
De betrouwbaarheid van het product verbeteren en het aantal storingen na verkoop verminderen (het storingspercentage in de praktijk verlagen).
Door ontwerpfouten, zoals problemen met het warmtebeheer, risico’s op het gebied van elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en mechanische spanningspunten, weg te werken, worden producten bij klanten duurzamer, waardoor onderhoudskosten en reputatieschade voor het merk worden beperkt.
Standaardisatie van processen bevorderen
DFM-normen (Design, Manufacturing, and Equipment) kunnen bedrijven of leveranciers vaak helpen bij het ontwikkelen van een uniforme set ontwerp- en productieregels en inspectienormen, waardoor het algehele niveau van ontwerp en productie wordt verbeterd.
PCB-fabrikanten en leveranciers van kant-en-klare EMS-oplossingen
Geyuan Electronics is een professionele fabrikant van printplaten en een EMS-leverancier, die printplaatproductie aanbiedt, Printed circuit board-assemblage, inkoop van componenten en kant-en-klare oplossingen voor de productie van elektronica. Wij produceren meerlaagse printplaten, HDI-printplaten, printplaten voor hoge snelheden, RF- en microgolfprintplaten, printplaten met dik koper, keramische printplaten, aluminiumprintplaten, flexibele printplaten en rigide-flexibele printplaten, van prototypen tot massaproductie. Neem contact met ons op voor een offerte als u een printplaat nodig heeft, ongeacht het type.
Conclusie
Alleen door middel van een Design for Manufacturing (DFM)-analyse kunnen printplaatproducten van werkelijk hoge kwaliteit worden geproduceerd. Dit geldt zowel voor het ontwerp van een eenvoudig project als voor een complexe, snelle industriële printplaat. Door bij elk printplaatontwerp rekening te houden met DFM, levert dit talloze voordelen op voor de projecten waarvoor u verantwoordelijk bent, en komt dit ook ten goede aan ontwerpers en de toekomstige orders van het bedrijf. Deze procedures zorgen voor controle over het productieproces en verlagen de totale kosten van de printplaatproductie. Als u printplaten van hoge kwaliteit nodig heeft, neem dan contact op met het team van Geyuan Electronics. Onze ingenieurs en ons productieteam hebben uitgebreide ervaring met de productie van alle soorten printplaten.