DFM Analysehandleiding voor printplaten en geassembleerde printplaten

Printplaten (PCB's) vormen de levensader van de moderne elektronica. Het ontwerpen van een printplaat die naar behoren functioneert, is echter slechts een deel van het verhaal; het is net zo belangrijk om ervoor te zorgen dat deze efficiënt, betrouwbaar en kosteneffectief kan worden geproduceerd. Hier komt PCB Design for Manufacturing (DFM) om de hoek kijken. Door uw ontwerpen af te stemmen op de realiteit van de productie, minimaliseert DFM Printed circuit board-productie fouten voorkomt, kosten verlaagt en de tijd tot marktintroductie verkort.

Bovendien kunnen ontwerpfouten die niet tijdig worden opgemerkt, voor ingenieurs leiden tot vertragingen, herstelwerkzaamheden of productstoringen. Of u nu een eenvoudige enkellaagse printplaat nodig hebt of een complexe meerlaagse printplaat: met een DFM-analyse kunt u een schema omzetten in een meesterwerk dat klaar is voor productie. Laten we eens dieper op de details ingaan en ontdekken hoe u uw volgende printplaatontwerp zowel uitmuntend als produceerbaar kunt maken.

Wat is een DFM-analyse?

Een DFM-analyse (Design for Manufacturability) zorgt ervoor dat printplaatontwerpen eenvoudig en soepel kunnen worden geproduceerd. Door verschillende aspecten van het ontwerp te onderzoeken (waaronder de lay-out, de plaatsing van componenten en toleranties), worden mogelijke problemen tijdens de assemblage en productie opgespoord. DFM-controles kunnen ontwerpfouten aan het licht brengen die productieproblemen veroorzaken, helpen bij het naleven van productieschema’s en verspilling tegengaan. Het doel is om het ontwerp- en productieproces van printplaten zo soepel mogelijk te laten verlopen en tegelijkertijd te zorgen dat aan de functionele en productie-eisen wordt voldaan.

Het belang van DFM-analyse bij de productie van printplaten

Een DFM-analyse (Design for Manufacturing) is van cruciaal belang om een soepele overgang van ontwerp naar productie te garanderen. Hieronder volgen enkele belangrijke voordelen van DFM bij het ontwerpen van printplaten:

Kosten verlagen	Met DFM kunnen productieproblemen al in de vroege ontwerpfasen worden opgespoord en opgelost, waardoor productiefouten, materiaalverspilling en herstelwerkzaamheden worden verminderd en de totale productiekosten dalen.
De opbrengst verbeteren	Een goed ontwerp dat voldoet aan de productienormen kan de productieopbrengst verbeteren, het aantal defecte printplaten verminderen en het totale assemblageproces efficiënter maken.
De levertijd verkorten	Omdat een DFM-analyse garandeert dat het ontwerp zonder ingrijpende aanpassingen klaar is voor productie, wordt de productietijd verkort en neemt ook de wachttijd af.
De betrouwbaarheid van het product verbeteren	DFM zorgt er niet alleen voor dat printplaten gemakkelijker te produceren zijn, maar garandeert ook dat ze betrouwbaar functioneren. Door mogelijke thermische, elektrische en mechanische problemen aan te pakken, kan DFM de prestaties en de levensduur van het eindproduct verbeteren.

DFM-analyse vóór de printplaat en de productie van printplaten

Zodra je de printplaat hebt voltooid en naar de fabrikant hebt gestuurd voor productie, zou je fabrikant je definitieve Gerber-bestand moeten gebruiken om zijn eigen Design-Manufacturing Match (DFM)-analyse uit te voeren. Let wel dat ik “zou moeten” gebruik, omdat niet alle fabrikanten dit zullen doen; bij sommige zal de printplaat, zodra u uw Gerber-bestand hebt geüpload, ongetwijfeld precies zo worden geproduceerd als weergegeven in uw productiedocumenten. Bij andere moet u expliciet om dit serviceniveau vragen, aangezien verschillende serviceniveaus mogelijk alleen als extra optie worden aangeboden. Zodra u de DFM-analyse van de fabrikant hebt ontvangen, ziet u veel resultaten op twee gebieden: controle van de spleetbreedtes voor procescapaciteit en controle op branchespecifieke vereisten.

Controleer de afmetingen van de onderdelen op basis van de procescapaciteiten.

Wanneer u uw ontwerpdocumenten bij de fabrikant indient en deze een DFM-analyse uitvoert, zult u waarschijnlijk veel resultaten zien met betrekking tot spelingcontroles. De fabrikant zou de hierboven genoemde punten al moeten hebben gecontroleerd, maar hij moet ook de afmetingen en spelingen van uw ontwerpelementen vergelijken met zijn productiemogelijkheden. Zelfs als u dit proces al hebt doorlopen met de oorspronkelijke Gerber-bestanden toen u uw offerte indiende, is het raadzaam om het nogmaals uit te voeren, aangezien u wellicht iets over het hoofd hebt gezien.

Belangrijkste punten van de DFM-analyse (Design for Manufacturing) voor printplaten en geassembleerde printplaten

Design for Manufacturing (DFM)-analyse van printplaten (PCB’s) en PCBA’s (assemblageprintplaten) kan afwijkingen tussen ontwerp en proces opsporen en corrigeren voordat de bestanden voor printplaten en oppervlaktemontage worden gegenereerd, waardoor de productiekosten worden verlaagd en de opbrengst wordt verbeterd.

Belangrijkste inspectiepunten voor DFM van onbedrukte printplaten

Lijnbreedte/afstand	Controleer of de draden binnen de maximale verwerkingscapaciteit van de fabriek vallen (bijvoorbeeld minder dan 3 mil/3 mil) om te voorkomen dat er open circuits ontstaan door te dunne koperdraden of kortsluitingen door een te kleine afstand tussen de draden.
Gatgrootte en ringvormige ring	Controleer de diameter van de via, de afmetingen van het pad en de marge rond het gat om ervoor te zorgen dat de koperen ring na het boren voldoende steun heeft, zodat het gat niet breekt.
Soldeermasker dam	Controleer de breedte van het soldeermasker tussen de pads om kortsluitingen te voorkomen die worden veroorzaakt door soldeerbruggen tijdens het solderen.
Afstand tussen koper en rand	Houd een veilige afstand (meestal ≥ 0,3 mm) aan tussen het koperpatroon en de rand van de printplaat om te voorkomen dat er tijdens het frezen koper bloot komt te liggen of kortsluiting ontstaat.

Belangrijkste inspectiepunten bij de assemblage van printplaten (DFA)

Speling tussen onderdelen	Controleer de afstand tussen hoge componenten (zoals elektrolytische condensatoren en transformatoren) en de omliggende kleine componenten om interferentie tijdens het SMT-plaatsen of schaduweffecten tijdens het golfsolderen te voorkomen.
Koppeling van pad en pin	Controleer of de afmetingen van de pads voor oppervlaktemontage (SMD) voldoen aan de IPC-norm. Te grote pads kunnen gemakkelijk leiden tot verschuiving van componenten (het Manhattan-effect), terwijl te kleine pads resulteren in onvoldoende soldeer.
Paneelindeling en procesranden	Beoordeel de paneelindeling van de grote printplaat (V-Cut of gestanste gaten) en houd een procesrand (meestal ≥ 5 mm) vrij aan de rand van de printplaat om te voldoen aan de eisen voor SMT-sporen.
Aanduidingen voor richting en polariteit	Zorg ervoor dat de zeefdruk op gepolariseerde componenten, zoals diodes, IC’s en elektrolytische condensatoren, duidelijk en onbelemmerd zichtbaar is, zodat de productie en de handmatige inspectie soepel verlopen.

DFM-beoordelingsproces en implementatiestappen

Voorbereidingen	Exporteer standaard Gerber-bestanden, coördinatenbestanden (Centroid) en stuklijsten.
Regels laden	Importeer de procesparameters van de partner-gieterij in professionele DFM-software (zoals Altium 365 of Siemens PADS).
Softwarematige controle en handmatige beoordeling	Voer geautomatiseerde foutcontroles uit en optimaliseer handmatig onderdelen met een hoog risico (zoals ‘tombstone’-defecten en slechte soldeerverbindingen).
Rapport genereren	We gaan pas met de productie van start nadat alle kritieke en ernstige fouten zijn verholpen.

Gedetailleerde DFM-inspectierichtlijnen voor PCB- of PCBA-projecten

Hieronder volgen enkele gedetailleerde richtlijnen voor de analyse van de produceerbaarheid bij PCB- en PCBA-projecten, samengevat door het engineeringteam van Geyuan Electronics. Hoe uitgebreider de analyse van de produceerbaarheid, hoe kleiner het risico op problemen bij het project.

Lijnanalyse

Minimale lijnbreedte	Bij het ontwerpen van printplaatlay-outs moeten ingenieurs letten op de breedte van de sporen. De breedte van de sporen hangt samen met het stroomdraagvermogen. Als de spoorbreedte te klein is, wordt de stroom te groot en zal het spoor doorbranden.
Minimale afstand	De afstand tussen de sporen op een printplaat moet zo groot mogelijk zijn. De minimale afstand moet voldoende zijn om de spanning te kunnen weerstaan. Bij een lage spordichtheid kan de afstand tussen signaallijnen op gepaste wijze worden vergroot. Een te kleine afstand tussen verschillende signaallijnen kan leiden tot overspraak.
SMD-afstand	SMD staat voor ‘surface mount pads’ (oppervlakte-montagepunten). Als de twee montagepunten van hetzelfde onderdeel dicht bij elkaar liggen, kan er door het solderen kortsluiting tussen die twee punten ontstaan. Ook als verschillende onderdelen dicht bij elkaar liggen, kan solderen tussen verschillende circuits kortsluiting veroorzaken.
afmetingen van het soldeerpunt	De grootte van de soldeerpunten is van invloed op het soldeerproces. Zo kunnen kleine soldeerpunten op chipcomponenten leiden tot slechte soldeerverbindingen, terwijl te grote soldeerpunten ervoor kunnen zorgen dat de component uit het midden wordt getrokken of omvalt.
Kopergaas	Om de warmteafvoer van de printplaat te verbeteren en te voorkomen dat de soldeermaskerlaag loslaat, is de koperfolie ontworpen in een rasterpatroon. De kleine rasterafstand en lijnbreedte brengen bepaalde uitdagingen bij de productie met zich mee.
Maat van de ring met gat	Als de lasring van het insteekgat te klein is, kan het zijn dat er niet gelast kan worden. Als de ring van het doorvoergat te klein is, bestaat het risico op een open circuit.
Van boorgat naar kabel	Bij meerlaagse printplaten ligt de afstand tussen de gaten in de binnenlagen en de geleiders te dicht bij elkaar. De lamineer- en boorprocessen van meerlaagse printplaten kennen bepaalde toleranties, en onvoldoende afstand tussen gaten en geleiders kan tijdens de productie leiden tot kortsluitingen. Elektrische signalen: onderbroken geleiders duiden op ontwerpfouten die open circuits veroorzaken; geïsoleerde koperdraden en scherpe hoeken kunnen productieproblemen veroorzaken.
Koper tot aan de rand van de plaat	Als het koper aan de rand van de printplaat te dicht bij de vorm ligt, kan dit tijdens het gieten leiden tot blootliggend koper, wat op zijn beurt kan leiden tot kortsluiting tijdens de installatie van het eindproduct.
Pads voor op het boorgat	De gaten in de pads hebben betrekking op de gaten in de pads voor oppervlaktemontage, die van invloed kunnen zijn op het solderen van componenten voor oppervlaktemontage.
Open kortsluiting	Met een analyse van open circuits en kortsluitingen worden ontwerpfouten opgespoord die tot open circuits of kortsluitingen leiden.

Boranalyse

Diameter van het boorgat	Een kleine gatdiameter heeft invloed op de productiekosten; de grens voor mechanisch boren ligt bij 0,15 mm, en hoe kleiner de gatdiameter, hoe hoger de kosten.
Van hole naar hole	Door de kleine afstand tussen de gaten kan de boor tijdens het boren breken, wat tot een bepaald kortsluitingsprobleem kan leiden.
Afstand van het gat tot de rand van de plaat	Als het insteekgat te dicht bij de rand van de printplaat ligt, zal de soldeerring breken en dit heeft gevolgen voor het solderen. Als de via te dicht bij de rand van de printplaat ligt, zullen er problemen ontstaan met de elektrische geleiding.
Poriëndichtheid	De poriëndichtheid is het aantal poriën per vierkante meter, uitgedrukt in tienduizenden per vierkante meter (10.000/m). Een hogere dichtheid leidt tot een langere productietijd. Een poriëndichtheid die een bepaalde waarde overschrijdt, heeft invloed op zowel de prijs als de productietermijn.
Speciale gaten	Onder speciale gaten worden halve gaten en vierkante gaten verstaan. Halve gaten die te klein zijn, bevatten mogelijk geen koper. Vierkante gaten kunnen vanwege problemen met EDA-software niet worden herkend en vereisen daarom speciale opmerkingen.
Lek	De ontwerpfout in het detectiesysteem kan ertoe hebben geleid dat boorgaten per ongeluk zijn weggelaten, met als gevolg onderbrekingen in het circuit of het onvermogen om componenten te solderen.
extra gaten	Detecteer ontbrekende boorgaten, bijvoorbeeld wanneer het Gerber-bestand en de boorgaten niet met elkaar overeenkomen, of wanneer er gaten zitten op plaatsen waar die niet zouden moeten zitten.
Niet-geleidende via	Onder niet-geleidende gaten wordt verwezen naar de eigenschappen van de geleidende laag bij blinde en verborgen gaten. Een gat wordt als niet-geleidend beschouwd wanneer tijdens het boren slechts één geleidende laag wordt doorboord.

Ontwerp van printplaten en behuizingen

Het ontwerp van de pads vormt een risicogebied voor DFM-problemen en moet tijdens de beoordeling stuk voor stuk worden gecontroleerd.

contactpunten voor weerstanden en condensatoren	De afstand tussen de pads moet gelijk zijn aan de lengte van het componentlichaam minus de overhang aan beide uiteinden, doorgaans 0,1–0,3 mm aan elk uiteinde. Als er per ongeluk een 0603-pad wordt gebruikt voor een 0402-behuizing, treedt er tijdens het reflow-solderen tombstoning op; als de pads te smal zijn, neemt de kans op koude soldeerverbindingen toe.
IC- en QFN-behuizingen	De warmteafvoerpads aan de onderzijde van QFN’s moeten worden ontworpen volgens de afmetingen die in het gegevensblad van het onderdeel worden aanbevolen: als ze te groot zijn, veroorzaken ze kortsluiting door het uitpuilen van soldeerpasta; als ze te klein zijn, hebben ze een negatieve invloed op de warmteafvoer en de soldeersterkte. De aanbevolen diameter van BGA-pads is 70%–80% van de baldiameter. Of NSMD (zonder soldeermaskerdefinitie) of SMD (met soldeermaskerdefinitie) wordt gebruikt, hangt af van de afstand tussen de pads.
Stekkers	De breedte van de ring van het insteekgat mag niet minder dan 0,15 mm (6 mil) bedragen. Een onvoldoende ringbreedte tijdens het boren met een verschuiving leidt ertoe dat de ring breekt en er een open circuit ontstaat. Het wordt aanbevolen om de speling tussen de gatdiameter en de penndiameter te beperken tot 0,2–0,4 mm.

Soldeermasker en zeefdruk

Lasweerstandsbrug	Uit een analyse van soldeermaskerbruggen blijkt dat er een risico bestaat op soldeerbruggen en kortsluitingen wanneer er geen soldeermasker tussen de pads aanwezig is. Soldeermaskerbedekkingen zijn plaatsen waar het soldeermaskervenster het spoor bedekt, waardoor sporen bloot komen te liggen. Blootliggende sporen tussen verschillende netten vormen een risico op kortsluitingen.
Soldeermasker met minder openingen	Met ‘openingen in het soldeermasker’ worden de delen van de printplaat bedoeld die blootgelegd moeten worden om te kunnen solderen. Als de soldeerpunten niet zijn blootgelegd, worden ze bedekt door het soldeermasker en kunnen ze niet worden gesoldeerd.
Afmetingen van het lasweerstandsvenster	De opening moet 0,05 mm naar binnen liggen ten opzichte van de rand van de koperfolie om te voorkomen dat het substraat bloot komt te liggen; de breedte van de soldeermaskerbrug mag niet minder dan 0,1 mm bedragen, aangezien deze gemakkelijk kan breken als hij te smal is.
zeefdruketikettering	Zeefdruklijnen mogen de soldeerpunten niet bedekken, en de polariteitsmarkeringen voor diodes, elektrolytische condensatoren en pin 1 van IC’s moeten duidelijk zichtbaar zijn en in dezelfde richting wijzen.
Afstand tussen zeefdruk en drukplaten	De dikte mag niet minder dan 0,15 mm bedragen om te voorkomen dat de soldeerresist-inkt de soldeerpunten verontreinigt en de soldeerbaarheid aantast.

Lijsten en procesranden

Breedte van de procesrand	Voor de bevestiging van SMT-transportrails is aan elke zijde minimaal 5 mm vrije ruimte vereist; als er componenten aan de rand van de printplaat zitten, is een extra veiligheidsafstand van ten minste 3 mm vereist.
Montagemethode voor panelen	V-CUT is geschikt voor het recht snijden van panelen met een plaatdikte van maximaal 2,0 mm; het frezen van groeven (stempelgaten) is geschikt voor het snijden van panelen met een onregelmatige vorm. De restdikte bij V-CUT bedraagt doorgaans 1/3 van de plaatdikte.
Markeerpunt (uitgangspunt)	Elk paneel moet ten minste 3 globale markeerpunten hebben. Het wordt aanbevolen om lokale markeerpunten toe te voegen in de buurt van de diagonaal van elk QFP- of BGA-component. Binnen een straal van 5 mm rond de markeerpunten mag geen zeefdruk of koper deze punten hinderen.
Optisch positioneringspunt	Gebruik ronde, blanke koperen puntjes met een diameter van 1,0–1,5 mm; het oppervlak moet zijn voorzien van een anti-oxidatiebehandeling.

Sjabloonontwerp

De opening van het sjabloon heeft een directe invloed op de kwaliteit van het bedrukken met soldeerpasta. Bij DFM-audits moet op de volgende punten worden gelet.

Openingsverhouding	Voor standaardweerstanden en condensatoren moet de stencilopening worden ontworpen met een verhouding van 1:1 ten opzichte van het padoppervlak; voor 0402- en kleinere behuizingen wordt aanbevolen om een interne uitsparing (Home Plate of U-vormige opening) aan te brengen om soldeerbolletjes te voorkomen.
Dikte van het staalgaas	Een dikte van 0,1 mm is geschikt voor QFP-chips met een pitch van 0,5 mm; een dikte van 0,12 mm is geschikt voor gemengde montage van 0603- en 0805-componenten; een dikte van 0,08 mm is geschikt voor BGA-chips met een pitch van 0,4 mm.
Pads voor grote oppervlakken	De warmteafvoerpads zijn onderverdeeld in rasters (kruisvormig of rastervormig) om te voorkomen dat overtollige soldeerpasta soldeerbruggen of holtes veroorzaakt.
Detectiemethoden	Dit soort las- en montagefouten worden doorgaans online opgespoord met behulp van AOI-technologie (Automated Optical Inspection).

Productie van printplaten en geassembleerde printplaten problemen door middel van DFM-analyse

Hoewel we geen specifieke klantgegevens kunnen vrijgeven, kunnen we wel een typisch voorbeeld noemen: Een klant die… PCB-ontwerp tijdens de productie voortdurend te maken gehad met problemen met een lage soldeeropbrengst bij QFN-componenten. Uit onze DFM-analyse bleek dat het openingsgebied van de sjabloon voor het centrale aardingspad onvoldoende was (slechts 30%) en dat de afstand tussen de perifere pinpads te klein was. We adviseerden om het openingsgebied van het centrale pad aan te passen naar 50% en voor de perifere pads een breder in-circuit- en langer out-of-circuit-ontwerp te gebruiken. Na het doorvoeren van deze aanbevelingen verbeterde het slagingspercentage bij het solderen van 82% naar 98,5%, tot grote tevredenheid van de klant.

Waarom zou u Geyuan Electronics kiezen als uw partner voor PCB- en PCBA-projecten?

Op de zeer competitieve markt voor elektronicafabricage leidt een hoog first-pass-rendement tot een sterker concurrentievermogen en een hogere winstgevendheid. Geyuan Electronics overbrugt met zijn professionele DFM-analysecapaciteiten en uitgebreide ervaring in de fabricage van PCB’s en PCBA’s de kloof tussen ontwerp en productie, en zorgt ervoor dat uw producten vanaf het begin zijn ontworpen voor een zeer efficiënte productie. Neem contact met ons op om kennis te maken met onze professionele DFM-analysediensten en het first-pass-rendement van uw PCBA-productie te verhogen tot meer dan 98%, waardoor de productiekosten dalen, de levertijden worden verkort en uw concurrentiepositie op de markt wordt versterkt! Voor al uw behoeften op het gebied van PCB-ontwerp of PCBA-productie kunt u altijd contact opnemen met Geyuan Electronics. Ons professionele team staat klaar om u technische ondersteuning en diensten te bieden.

Conclusie

Printplaten (PCB’s) werken in theorie misschien prima. Maar om in de praktijk te kunnen functioneren – bij massaproductie, hoge temperaturen, hoge druk en reële productietoleranties – moeten ze produceerbaar zijn. Hier komt Design for Manufacturing (DFM) om de hoek kijken. Het is geen poespas en het maakt uw PCB er ook niet mooier uit; het zorgt ervoor dat het echt functioneert. Het bespaart kosten, voorkomt fouten en helpt u de voortgang te beheersen. Goede ingenieurs ontwerpen producten voor de productievloer, niet voor het laboratorium. Als u betrouwbare producten en voorspelbare opbrengsten wilt, integreer dan Design for Manufacturing (DFM) in uw ontwerpproces. Als u printplaten of geassembleerde printplaten nodig heeft, neem dan contact met ons op voor hulp.