22 Rozwiązywalne Projekt Problemy związane z produkcją płytek drukowanych oraz materiały referencyjne dotyczące analizy DFM

Na etapie planowania nowego projektu firmy wszelkiego rodzaju zazwyczaj skupiają się na technicznych i finansowych aspektach masowej produkcji płytek drukowanych. W ramach tego procesu należy zminimalizować koszty produkcji płytek drukowanych oraz unikać zmian w projekcie, ponieważ w przeciwnym razie wpłynie to negatywnie na marże zysku. Aby uniknąć poprawek, inżynierowie muszą skrupulatnie zaprojektować układ płytki drukowanej, aby zapewnić sprawny przebieg Proces produkcji płytek drukowanych. Po otrzymaniu danych CAM dostawcy często korygują drobne błędy, co wiąże się z dodatkowymi kosztami i opóźnieniami. W niniejszym artykule zestawiono 22 kwestie związane z projektowaniem pod kątem produkcji (DFM), które mogą usprawnić produkcję płytek drukowanych, pomagając projektantom produktów, inżynierom i kierownikom ds. zakupów w szybkiej analizie potencjalnych problemów produkcyjnych w bieżących projektach płytek drukowanych.

Czym jest DFM w przypadku płytek drukowanych?

Skrót DFM oznacza „Design for Manufacturability” (projektowanie pod kątem możliwości produkcyjnych). Jest to zagadnienie, które pomaga ograniczyć problemy produkcyjne. W zasadach projektowania określamy odstępy i tolerancje. Dlatego w ramach DFM dla płytek PCB przygotowujemy płytkę do rzeczywistych zastosowań. Tolerancje powinny być dostosowane do rzeczywistego systemu. Na etapie projektowania układu PCB projektanci kierują się listą kontrolną DFM. Proces ten pomaga zoptymalizować projekt płytki PCB pod kątem etapu produkcji. Pozwala to obniżyć koszty i zapewnić wysoką jakość, a także przypomina projektantom o konieczności przeprowadzania kontroli DFM za każdym razem, gdy chcą wprowadzić projekt do produkcji. DFM płytek drukowanych stanowi kluczowy element międzyfunkcjonalnej pracy zespołowej oraz współpracy z zespołami w łańcuchu dostaw, a także jest integralną częścią ogólnego procesu projektowania produktu.

22 pytania dotyczące projektowania płytek drukowanych oraz materiały referencyjne dotyczące analizy DFM

Poniżej przedstawiono 22 błędy projektowe płytek drukowanych, których można uniknąć przed rozpoczęciem produkcji, podsumowane przez zespół inżynierów firmy Geyuan Electronics. Jako inżynierowie wszyscy mieliśmy takie doświadczenie: po żmudnym ukończeniu projektu i przygotowaniu płytki wysyłamy ją do wykonania prototypu, by po otrzymaniu próbki przekonać się, że cały nasz wysiłek poszedł na marne. Konkretne problemy z płytką mogą wynikać z projektu lub z procesu produkcji. Oczywiście wielu problemów można uniknąć jeszcze przed rozpoczęciem produkcji. Nasze zestawienie 22 błędów projektowych, których można uniknąć, pomoże Państwu w tworzeniu wydajnych i wolnych od wad płytek PCB.

1. Niekompletne i nieprawidłowe dokumenty projektowe

Niezależnie od tego, czy chodzi o pliki Gerber, ODB++ czy BOM, pliki wejściowe zawierają kluczowe informacje, takie jak obrazy warstw, zestawienia materiałów, kontury płytek, listy połączeń IPC, rysunki główne oraz kolejność warstw. Wszelkie niejasności w specyfikacjach mogą powodować problemy na późniejszych etapach. Dlatego przed przekazaniem do produkcji należy sprawdzić wszystkie wymagane dokumenty.

2. Niewłaściwy materiał podłoża

Niektóre obwody wymagają zastosowania specjalnych materiałów w zależności od ich funkcji. Na przykład typowe podłoża nie radzą sobie dobrze z sygnałami o wysokiej częstotliwości. W takich przypadkach producenci muszą już na początkowych etapach omówić wymagania materiałowe i dobrać odpowiednie materiały na podłoże płytki drukowanej.

3. Niewłaściwa szerokość kabla

Miedziane ścieżki łączą wszystkie elementy w obwodzie. Wszelkie uszkodzenia ścieżek mogą prowadzić do zwarć, zniekształceń sygnału i przegrzania. Zdolność przewodzenia prądu przez przewodnik (ścieżkę) rośnie wraz z jego szerokością. Jeśli przez ścieżkę przepływa większy prąd, rozprasza się więcej ciepła, co powoduje przegrzanie płytki. Dlatego należy zoptymalizować szerokość przewodów zgodnie z wymaganiami obwodu i upewnić się, że szerokość ścieżki na warstwie zewnętrznej wynosi co najmniej 4 mil. Do optymalizacji szerokości ścieżek, obciążalności prądowej i wzrostu temperatury można wykorzystać narzędzia dostępne online.

4. Niewłaściwe rozmieszczenie kabli

Należy zadbać o to, by nie zmniejszać odstępów między przewodami w imię uzyskania bardziej kompaktowego układu obwodu, ponieważ zbyt małe odstępy między ścieżkami mogą prowadzić do wyładowań przeskokowych i przesłuchów. Należy przestrzegać standardowych wytycznych i zapewnić wystarczające odstępy między przewodami. Podobnie jak w przypadku szerokości ścieżek, do obliczenia optymalnych odstępów między przewodami można skorzystać z kalkulatora odstępów między przewodami i napięcia.

5. Pułapka na kwas

Jeśli podczas trasowania któraś ze ścieżek tworzy kąt ostry (poniżej 90°), powstaje pułapka kwasowa. Podczas trawienia resztki kwasu mogą zostać uwięzione w tym załamaniu, co prowadzi do nadmiernego wytrawienia ścieżki. Pułapek kwasowych można uniknąć w Projektowanie płytek drukowanych poprzez zapobieganie ostrym zagięciom podczas frezowania.

6. Niewystarczająca odległość między śladem lub otworem a krawędzią

W układzie obwodu należy zachować optymalny odstęp między krawędziami a ścieżkami. Jeśli z jakiegokolwiek powodu odstęp ten zostanie zmniejszony, zewnętrzne elementy przewodzące mogą zostać częściowo zeszlifowane lub przecięte podczas demetalizacji. Niewystarczający odstęp między miedzią a krawędzią płytki drukowanej może spowodować odsłonięcie miedzi i powstanie zadziorów na krawędziach.

7. Błąd procesu wiercenia

W płytki drukowane (PCB), producenci wiercą otwory do różnych celów, takich jak przelotki, wyrównanie i rozmieszczenie elementów. Wiercenie jest procesem nieodwracalnym, a każde niepotrzebne wiercenie może zniweczyć projekt. Inne czynniki, które należy wziąć pod uwagę, to rozmiar, odstępy, współczynnik kształtu, liczba otworów na płytce oraz typ maszyny (laserowa/mechaniczna). Typowe błędy związane z wierceniem to powstawanie pierścieni wokół otworów oraz zbyt mała odległość między wiertłem a warstwą miedzi.

8. Wady pierścienia

Pierścień łączący łączy przelotkę ze ścieżką. Jeśli średnica pierścienia łączącego jest niewystarczająca, spowoduje to przerwanie przepływu sygnału między przewodnikiem a przelotką. Gotowe otwory mogą mieć tolerancję wynoszącą ±2 mil, więc gdy jest ona mniejsza niż 2 mil, pierścień pierścieniowy może ulec pęknięciu. Spowoduje to przerwanie obwodu. Ponadto niewystarczający pierścień pierścieniowy w otworze przeznaczonym dla elementu może prowadzić do słabej jakości połączeń lutowanych po montażu.

9. błąd maski lutowniczej

Maska lutownicza na płytce drukowanej chroni powierzchnię przed zanieczyszczeniem i izoluje połączenia. Producenci odsłaniają obszary (obrysy elementów i pola lutownicze) przeznaczone do umieszczenia elementów podczas procesu lutowania. Jeśli między otworem maski przelotki a sąsiednim otworem na element nie ma odpowiedniego odstępu, podczas montażu mogą powstać mostki lutownicze, co prowadzi do słabej jakości połączeń lutowanych i spadku wydajności. Dlatego między otworem przelotowym a sąsiednim otworem na element należy zachować niezbędną warstwę maski lutowniczej. Z drugiej strony nieodpowiednia warstwa maski lutowniczej może powodować powstawanie dziur lutowniczych, narażając miedź na korozję.

10. Miedź i powłoka chroniąca przed lutowaniem

Paski miedzi to luźno związane, cienkie fragmenty miedzi pozostałe po etapie drukowania. Podczas galwanizacji te luźno związane paski mogą się odrywać i wpadać do roztworu galwanizacyjnego. Te fragmenty fotorezystu mogą osadzać się w dowolnym miejscu na płytce drukowanej, powodując zwarcia. Jednocześnie w miejscach, z których usunięto fotorezyst, na płytce drukowanej może pojawić się niepożądana miedź, co może potencjalnie wpłynąć na jej funkcjonalność. Paski maski lutowniczej powstają podczas procesu naświetlania maski lutowniczej, pozostawiając warstwę maski lutowniczej na miejscu w celu zapobiegania powstawaniu mostków lutowniczych. Gdy grubość przegrody wynosi mniej niż 4 mil, te luźno związane przegrody mogą potencjalnie przekształcić się w paski i zostać zmyte na etapie wywoływania.

11. radiator

Proces lutowania generuje nadmierne ciepło, które może uszkodzić płytkę drukowaną. Aby temu zapobiec, należy zapewnić wystarczającą liczbę podkładek termicznych. Podkładki termiczne składają się z małych miedzianych ramion zwanych “płytkami cieplnymi”, które wspomagają przewodzenie ciepła. Jeśli te płytki cieplne są odłączone od pól lutowniczych lub płaszczyzny, nazywa się je „płytkami cieplnymi z niedostatecznym zasilaniem”. Niewystarczająca liczba płytek cieplnych skutkuje słabą przewodnością cieplną i powoduje przegrzanie płytki drukowanej.

12. Błąd sitodruku

Sitodruk wykonuje się na późnym etapie procesu produkcyjnego. Jeśli nadruk sitodrukowy pokrywa się z polami lutowniczymi, powierzchniami płytki drukowanej, otworami itp., może to powodować problemy podczas montażu. Na przykład, jeśli nadruk sitodrukowy zostanie nałożony na pola lutownicze, może wtopić się w połączenia lutowane i spowodować przerwanie ciągłości.

13. Projektowanie płytek drukowanych zorientowane na montaż

Projektowanie pod kątem montażu (DFA) wypełnia lukę między wizją projektanta a realiami procesu produkcyjnego. Konieczne jest sprawdzenie dostępności i rozmieszczenia elementów; DFA może pomóc w uproszczeniu układu płytki drukowanej, co pozwala obniżyć całkowite koszty projektu i zmniejszyć prawdopodobieństwo niepowodzenia projektu. .

14. Niewydajność danych

Podobnie jak w przypadku DFM, przed przekazaniem projektu do montażu należy zweryfikować wszystkie podstawowe arkusze danych i kluczowe parametry, takie jak wymiary obudowy, dane XY, specyfikacje DNI, dane SI oraz numery części. Pomoże to uniknąć konieczności wprowadzania późniejszych poprawek i potwierdzeń.

15. Wybór niewłaściwego elementu

Wybór elementów ma wpływ na proces montażu. Na przykład elementy przewlekowe wymagają bardziej skomplikowanych procesów produkcyjnych w porównaniu z technologią montażu powierzchniowego (SMT). Dlatego najlepiej stosować je tylko wtedy, gdy jest to konieczne. Zawsze należy wybierać elementy standardowe zamiast niestandardowych, ponieważ elementy standardowe są łatwo dostępne u wielu dostawców. Z kolei elementy niestandardowe często nie nadają się do produkcji wielkoseryjnej i zwiększają koszty, ponieważ można je pozyskać wyłącznie od wybranych dostawców.

16. Dostępność komponentów

Przed sporządzeniem listy materiałów (BOM) należy zawsze sprawdzić dostępność komponentów. Jeśli zapasy są niewystarczające, należy być przygotowanym na zastosowanie alternatywnych komponentów od innych dostawców. Obecnie istnieje wiele stron internetowych umożliwiających wyszukiwanie materiałów z listy BOM, które zawierają informacje o materiałach oraz powiadomienia o brakach magazynowych.

17. Nieprawidłowe opakowanie przedmiotu

Lista materiałów (BOM) określa wszystkie elementy niezbędne do montażu płytki drukowanej. Jeśli wymiary elementów podane w BOM nie będą zgodne z danymi w programie CAD, trudno będzie wykonać obwód. Spowoduje to poważne trudności na zautomatyzowanych liniach montażowych. Naprawienie tej sytuacji będzie czasochłonne i kosztowne. Dlatego wymiary elementów należy dokładnie sprawdzić już na etapie projektowania.

18. Niewystarczający odstęp między elementami

Niewystarczające odstępy podczas rozmieszczania elementów mogą prowadzić do ich nakładania się i powstawania mostków lutowniczych. Zapewnienie odpowiedniego odstępu między elementami ułatwia również lutowanie ręczne i poprawki. Należy zwrócić szczególną uwagę na odstępy między wrażliwymi elementami, takimi jak QFP/QFN, POP lub BGA. Czasami elementy są rozmieszczane bardzo blisko siebie, aby uzyskać mniejsze wymiary. Najlepiej jest przestrzegać wytycznych dotyczących odstępów, aby zapewnić zerową tolerancję w zakresie odstępów między elementami.

19. Niewystarczająca odległość między elementami a krawędziami

Po montażu panel przechodzi proces rozdzielania. Podczas tego procesu elementy znajdujące się na końcach płytek drukowanych będą narażone na duże obciążenia, które mogą je uszkodzić. Dlatego należy zapewnić wystarczającą odległość między elementami a krawędziami. Ponadto możliwości w zakresie rozmieszczenia elementów różnią się w zależności od procesu montażu. W przypadku montażu ręcznego, w porównaniu z montażem zautomatyzowanym, elementy można umieszczać bliżej krawędzi.

20. Nieprawidłowy rozmiar podkładki i odstępy

Wybór mniejszych rozmiarów pól lutowniczych może skutkować słabą jakością połączeń lutowanych w przypadku elementów SMT, a w przypadku elementów przewlekanych może nawet prowadzić do ich uszkodzenia. Ustawienie jak największego rozmiaru pól lutowniczych prawdopodobnie nie jest dobrym rozwiązaniem. Szersze pola zajmują więcej miejsca i mogą powodować przesuwanie się elementów SMT z ich pozycji podczas lutowania. Podobnie jak w przypadku rozmiaru pól lutowniczych, odległości między nimi nie powinny być ani zbyt małe, ani zbyt duże, ponieważ może to powodować problemy podczas umieszczania elementów.

21. błąd sitodruku

Warstwa sitodruku zawiera wiele ważnych informacji. Przykłady obejmują oznaczenia orientacji elementów, oznaczenia wyprowadzenia nr 1, oznaczenia polaryzacji, oznaczenia katod i tak dalej. Jeśli te szczegóły zostaną pominięte lub będą niejasne, zakład montażowy straci czas na weryfikację poprawności danych. W najgorszym przypadku, jeśli polaryzacja lub inne dane zostaną nieprawidłowo wydrukowane na sitodruku, a monter zamontuje elementy zgodnie z tymi informacjami, płytka drukowana może działać nieprawidłowo. Przed rozpoczęciem montażu należy upewnić się, że sitodruk jest czytelny.

22. Błąd związany z wysoką temperaturą

Producenci muszą zachować ostrożność podczas procesu lutowania, ponieważ generuje on nadmierne ciepło, które może uszkodzić płytkę drukowaną. Kluczowe znaczenie ma kontrolowanie ciepła wytwarzanego podczas tego procesu. Należy zapewnić wystarczającą liczbę podkładek termicznych, aby zapewnić skuteczne odprowadzanie ciepła. Wytyczne dotyczące DFM i DFA mogą pomóc w uniknięciu niektórych problemów związanych z projektowaniem płytek drukowanych oraz zminimalizowaniu skutków błędów projektowych. Na rynku dostępnych jest kilka narzędzi do projektowania DFM, a ja osobiście wypróbowałem kilka z nich, które uznałem za całkiem dobre. Możesz wybrać takie, które najlepiej odpowiada Twoim potrzebom.

Główna rola DFM w projektowaniu płytek drukowanych

DFM to proces o kluczowym znaczeniu dla produkcji wysokiej jakości płytek drukowanych. Dopiero po przeprowadzeniu rzetelnej analizy wykonalności możliwe jest wytworzenie produktów spełniających wymagania projektowe, co z kolei gwarantuje jakość produktu końcowego. Poniżej przedstawiono rolę DFM w projektowaniu płytek drukowanych.

Zapewnienie możliwości produkcji

Należy sprawdzić, czy projekt jest zgodny z możliwościami technicznymi i ograniczeniami procesowymi urządzeń produkcyjnych (takich jak linie do trawienia, wiertarki, maszyny typu „pick-and-place”, piece do lutowania rozpływowego, systemy AOI itp.) (np. minimalna szerokość linii/odstęp między liniami, minimalna średnica otworu, rozmiar pola lutowniczego, szerokość mostka maski lutowniczej itp.).

Zwiększenie wydajności produkcji

Zidentyfikować i skorygować potencjalne problemy w projekcie, które mogą prowadzić do wad produkcyjnych (takich jak niewystarczające odstępy sprzyjające powstawaniu zwarć, słabe ścieżki podatne na pęknięcia, projekty pól lutowniczych narażone na efekt „tombstoningu” oraz zbyt małe odstępy między obudowami, które mogą powodować mostki lutownicze), a tym samym ograniczyć ilość odpadów i przeróbek w procesie produkcyjnym.

Obniżenie kosztów produkcji

Ograniczenie liczby wadliwych produktów i konieczności ponownej obróbki oznacza mniejsze bezpośrednie marnotrawstwo materiałów i pracy. Zoptymalizowana konstrukcja ułatwia stosowanie standardowych materiałów, standardowych otworów i standardowych wymiarów, pozwalając uniknąć stosowania specjalnych lub kosztownych procesów. Ułatwia również zautomatyzowaną produkcję i poprawia wydajność produkcji.

Skrócenie cyklu wprowadzania produktów na rynek

Rozwiązanie problemów produkcyjnych już na wczesnym etapie projektowania znacznie ogranicza opóźnienia w produkcji wynikające z konieczności wprowadzania zmian w projekcie, co pozwala na szybsze wprowadzenie produktów na rynek już od etapu projektowania.

Zwiększenie niezawodności produktów

Unikając błędów projektowych, które mogą prowadzić do potencjalnych problemów (takich jak punkty koncentracji naprężeń termicznych, słabe odprowadzanie ciepła oraz przelotki o niewystarczającej wytrzymałości mechanicznej), można poprawić długoterminową stabilność i niezawodność produktu końcowego.

Wspieranie współpracy między działami projektowania i produkcji

Wprowadzenie zasad produkcji i doświadczenia na wczesnym etapie procesu projektowania ułatwia płynniejszą komunikację między zespołami projektowymi i produkcyjnymi, ograniczając problemy wynikające z asymetrii informacyjnej.

Zmniejszyć liczbę iteracji projektowych

Analiza DFM pozwala zidentyfikować wiele potencjalnych problemów produkcyjnych już na etapie projektowania (nawet przed rozpoczęciem produkcji płytek drukowanych), co umożliwia inżynierom projektantom wprowadzenie zmian w odpowiednim czasie i pozwala uniknąć długotrwałego procesu wysyłania projektów do producentów w celu wprowadzenia poprawek, charakterystycznego dla tradycyjnego modelu.

Znacznie zwiększa wskaźnik powodzenia pierwszej produkcji.

Projekt zoptymalizowany pod kątem DFM charakteryzuje się wysokim wskaźnikiem powodzenia już przy pierwszej serii produkcyjnej, co znacznie zmniejsza ryzyko niepowodzenia produkcji seryjnej spowodowanego wadami projektowymi.

Znacznie zwiększyć wydajność produkcji

Jest to najbardziej bezpośrednia korzyść ekonomiczna. Uniknięcie typowych wad, takich jak zwarcia, przerwy w obwodzie, nieprawidłowe lutowanie i efekt „tombstoningu”, znacznie zwiększa odsetek kwalifikowanych płytek drukowanych w stosunku do całkowitej liczby wyprodukowanych sztuk. Wyższa wydajność produkcji przekłada się bezpośrednio na niższe koszty.

Skutecznie obniżyć jednostkowe koszty produkcji

Mniejsze straty materiałowe (mniej wadliwych produktów), dłuższy czas sprawności urządzeń (płynniejsza praca linii produkcyjnej), niższe koszty poprawek wykonywanych przez pracowników oraz łatwiejsze uzyskanie rabatów ilościowych.

Optymalizacja procesów i poprawa wydajności produkcji

Na przykład przemyślany projekt ułatwia montaż płytki i pozwala maksymalnie wykorzystać materiał; odpowiednie rozmieszczenie i orientacja elementów pomagają wysokoprędkościowym maszynom do montażu elektronicznego osiągnąć optymalną wydajność; równomierny rozkład miedzi i zrównoważone rozmieszczenie warstw przewodów pomagają ograniczyć wypaczanie się płytki.

Zwiększyć niezawodność produktu i ograniczyć liczbę awarii po sprzedaży (zmniejszyć wskaźnik awaryjności w eksploatacji).

Wyeliminowanie wad konstrukcyjnych, takich jak problemy z zarządzaniem temperaturą, zagrożenia związane z kompatybilnością elektromagnetyczną (EMC) oraz punkty narażone na obciążenia mechaniczne, zwiększa trwałość produktów w miejscach użytkowania przez klientów, co pozwala obniżyć koszty konserwacji i zapobiec utracie reputacji marki.

Wspieranie standaryzacji procesów

Standardy DFM (projektowanie, produkcja i wyposażenie) często pomagają firmom lub dostawcom w opracowaniu ujednoliconego zestawu zasad dotyczących projektowania i produkcji oraz standardów kontroli, co przyczynia się do podniesienia ogólnego poziomu projektowania i produkcji.

Producenci płytek drukowanych i dostawcy kompleksowych usług EMS

Geyuan Electronics to profesjonalny producent płytek drukowanych i dostawca usług EMS, oferujący produkcję płytek drukowanych, Montaż płytek drukowanych, zaopatrzenie w komponenty oraz kompleksowe rozwiązania w zakresie produkcji elektroniki „pod klucz”. Produkujemy wielowarstwowe płytki drukowane, płytki HDI, płytki do zastosowań szybkich, płytki RF i mikrofalowe, płytki z grubą warstwą miedzi, płytki ceramiczne, płytki aluminiowe, płytki elastyczne oraz płytki sztywno-elastyczne – od prototypów po produkcję seryjną. Jeśli potrzebują Państwo jakiegokolwiek rodzaju płytki drukowanej, prosimy o kontakt w celu uzyskania wyceny projektu.

Wnioski

Tylko dzięki analizie projektowej pod kątem produkcji (DFM) można wytwarzać produkty PCB o naprawdę wysokiej jakości. Dotyczy to zarówno prostych projektów, jak i złożonych, szybkich płytek drukowanych przeznaczonych do zastosowań przemysłowych. Uwzględnienie DFM przy każdym projekcie PCB przyniesie niezliczone korzyści projektom, za które jesteś odpowiedzialny, a także przyniesie korzyści projektantom i przyszłym zamówieniom firmy. Procedury te kontrolują proces produkcyjny. Obniżają one całkowity koszt produkcji płytek drukowanych. Jeśli potrzebujesz wysokiej jakości płytek PCB, skontaktuj się z zespołem Geyuan Electronics. Nasi inżynierowie i zespół produkcyjny posiadają bogate doświadczenie w produkcji wszelkiego rodzaju płytek PCB.