22 Решаемые Дизайн Проблемы при производстве печатных плат и справочник по анализу DFM
На этапе планирования нового проекта компании всех типов, как правило, уделяют основное внимание техническим и финансовым аспектам серийного производства печатных плат. В ходе этого процесса необходимо свести к минимуму затраты на изготовление печатных плат и избегать изменений в конструкции, иначе это негативно скажется на рентабельности. Чтобы избежать доработок, инженеры должны тщательно прорабатывать компоновку печатной платы, чтобы обеспечить бесперебойный Процесс изготовления печатных плат. После получения данных CAM поставщики зачастую вынуждены исправлять незначительные ошибки, что приводит к дополнительным затратам и потере времени. В данной статье обобщены 22 аспекта проектирования с учетом технологичности (DFM), которые могут улучшить процесс производства печатных плат, помогая разработчикам продукции, инженерам и менеджерам по закупкам быстро анализировать потенциальные проблемы производства в текущих проектах по разработке печатных плат.
Что такое DFM в производстве печатных плат?
DFM означает «проектирование с учетом технологичности» (Design for Manufacturability). Это направление помогает снизить количество проблем при производстве. В правилах проектирования мы определяем зазоры и допуски. Таким образом, при DFM печатных плат мы готовим плату к реальным условиям эксплуатации. Допуски должны соответствовать реальной системе. На этапе компоновки печатной платы разработчики руководствуются контрольным списком DFM. Этот процесс помогает оптимизировать конструкцию печатной платы с учётом этапа производства. Он снижает затраты, повышает качество и служит напоминанием для разработчиков о необходимости выполнять проверки DFM каждый раз, когда они планируют запустить проект в производство. DFM печатных плат является ключевым компонентом межфункциональной командной работы и сотрудничества с командами в цепочке поставок, а также неотъемлемой частью общего процесса проектирования продукта.
22 вопроса по проектированию печатных плат и ссылки по анализу DFM
Ниже приведены 22 ошибки проектирования печатных плат, которых можно избежать до начала их производства; этот список составлен инженерной командой компании Geyuan Electronics. Каждый из нас, инженеров, сталкивался с такой ситуацией: после кропотливой работы над проектом и завершения разработки платы мы отправляем её на изготовление прототипа, но, получив образец, обнаруживаем, что все наши усилия были напрасны. Конкретные проблемы с печатной платой могут быть связаны как с проектированием, так и с производством. Разумеется, многих проблем можно избежать ещё до начала производства. Наш обзор 22 ошибок при проектировании печатных плат, которых можно избежать, поможет вам создавать эффективные и безошибочные печатные платы.
1. Неполные и некорректные проектные документы
Будь то файлы формата Gerber, ODB++ или BOM, входные файлы содержат важнейшую информацию, такую как изображения слоев, спецификация материалов, контуры печатной платы, списки цепей в формате IPC, типовые чертежи и порядок слоев. Любая неточность в технических требованиях может привести к проблемам на последующих этапах. Поэтому все обязательные документы следует тщательно проверить перед передачей в производство.
2. Неподходящий материал основы
В зависимости от своего назначения для некоторых схем требуются специальные материалы. Например, стандартные подложки не способны обеспечить надлежащую передачу высокочастотных сигналов. В таких случаях производителям необходимо на начальных этапах обсудить требования к материалам и выбрать подходящие материалы для подложки печатной платы.
3. Неправильная ширина кабеля
Медные дорожки соединяют все компоненты в схеме. Любые дефекты дорожек могут привести к коротким замыканиям, искажению сигнала и перегреву. Токопроводимость проводника (дорожки) увеличивается с увеличением его ширины. Если по дорожке протекает более сильный ток, будет рассеиваться больше тепла, что приведет к перегреву платы. Поэтому оптимизируйте ширину проводников в соответствии с требованиями вашей схемы и убедитесь, что ширина дорожек на внешнем слое не опускается ниже 4 мил. Для оптимизации ширины дорожек, токопроводимости и повышения температуры можно использовать онлайн-инструменты.
4. Неправильное расстояние между кабелями
Следите за тем, чтобы не жертвовать расстоянием между проводниками ради более компактной компоновки схемы, поскольку недостаточное расстояние между дорожками может привести к пробою и перекрестным помехам. Следуйте стандартным рекомендациям и обеспечивайте достаточный зазор между проводниками. Как и в случае с шириной дорожки, для расчета оптимального расстояния между проводниками можно воспользоваться калькулятором расстояния между проводниками и напряжения.
5. Кислотный уловитель
Если при трассировке какая-либо дорожка образует острый угол (менее 90°), образуется «кислотный ловушка». Во время травления остатки кислоты могут задерживаться в изгибе, что приводит к чрезмерному травлению дорожки. Появиться «кислотных ловушек» можно избежать, если Проектирование печатных плат предотвращая появление изгибов под острым углом при фрезеровании.
6. Недостаточное расстояние между трассой или отверстием и краем
При компоновке схемы следует соблюдать оптимальное расстояние между краями и дорожками. Если по какой-либо причине вы уменьшите это расстояние, во время деметаллизации внешние проводники могут быть частично соскоблены или обрезаны. Недостаточное расстояние между медным слоем и краем печатной платы может привести к обнажению меди и образованию заусенцев по краям.
7. Ошибка в процессе бурения
В печатные платы (PCB), производители просверливают отверстия для различных целей, таких как переходные отверстия, выравнивание и размещение компонентов. Сверление — это необратимый процесс, и любое ненужное сверление может испортить ваш проект. Среди других факторов, которые следует учитывать, — размер, расстояние между отверстиями, соотношение сторон, количество отверстий на плате и тип оборудования (лазерное/механическое). К распространённым ошибкам при сверлении относятся появление колец вокруг отверстий и недостаточное расстояние между сверлом и медным слоем.
8. Дефекты кольца
Кольцевое кольцо соединяет переход с дорожкой. Если диаметр кольцевого кольца недостаточен, это приведет к прерыванию прохождения сигнала между проводником и переходом. Допуск на готовые просверленные отверстия может составлять ±2 мил, поэтому, если он меньше 2 мил, кольцевое кольцо может разорваться. Это приведет к разрыву цепи. Кроме того, недостаточное кольцевое кольцо для отверстия под компонент может привести к некачественным паяным соединениям после сборки.
9. ошибка паяльной маски
Пайная маска на печатной плате защищает поверхность от загрязнения и изолирует соединения. Производители оставляют открытыми участки (контуры и контактные площадки) для размещения компонентов в процессе пайки. Если между отверстием в маске для переходного отверстия и соседним отверстием для компонента отсутствует надлежащий зазор, во время сборки могут образовываться паяные мостики, что приводит к некачественным паяным соединениям и снижению эффективности. Поэтому между отверстием для переходного отверстия и соседним отверстием для компонента необходимо сохранять необходимый слой паяльной маски. С другой стороны, несоответствующий слой паяльной маски может привести к появлению паяльных отверстий, что подвергнет медь коррозии.
10. Медь и паяльная маска
Медные полоски — это слабо скрепленные тонкие фрагменты остаточной меди, образующиеся на этапе печати. В процессе гальваники эти слабо скрепленные полоски могут отрываться и попадать в гальванический раствор. Эти фрагменты фоторезиста могут осаждаться в любом месте печатной платы, вызывая короткое замыкание. В то же время в местах, где фоторезист удаляется, на печатной плате может появиться нежелательная медь, что потенциально может повлиять на её работоспособность. Полоски паяльной маски образуются в процессе формирования изображения паяльной маски, при этом слой паяльной маски остаётся на месте, чтобы предотвратить образование паяных мостиков. Если высота бортика составляет менее 4 мил, эти слабо скреплённые бортики могут превратиться в полоски и быть смыты на этапе проявления.
11. радиатор
В процессе пайки выделяется избыточное количество тепла, которое может привести к повреждению печатной платы. Чтобы этого избежать, необходимо обеспечить достаточное количество тепловых прокладок. Тепловые прокладки состоят из небольших медных “лучей”, называемых «тепловыми пластинами», которые способствуют теплопроводности. Если эти тепловые пластины не соединены с контактными площадками для пайки или теплопроводящей плоскостью, их называют «несоединенными тепловыми пластинами». Недостаточное количество тепловых пластин приводит к ухудшению теплопроводности и вызывает перегрев печатной платы.
12. Ошибка трафаретной печати
Трафаретная печать выполняется на одном из последних этапов производственного процесса. Если трафаретная печать перекрывает контактные площадки, поверхности печатной платы, отверстия и т. п., это может вызвать проблемы при сборке. Например, если трафаретная печать нанесена на контактные площадки, она может впитаться в паяные соединения и привести к разрывам цепи.
13. Проектирование печатных плат с ориентацией на сборку
Проектирование с учетом сборки (DFA) устраняет разрыв между замыслом разработчика и реалиями производственного процесса. Необходимо проверить наличие и размещение компонентов; DFA помогает упростить компоновку печатной платы, что позволяет снизить общие затраты на проект и вероятность сбоев в работе конструкции. .
14. Неэффективность использования данных
Как и в случае с DFM, перед тем как конструкция поступит на этап сборки, необходимо проверить все основные технические характеристики и ключевые параметры, такие как габариты корпуса, данные по осям X и Y, спецификации DNI, данные SI и номера деталей. Это поможет избежать последующих исправлений и повторных согласований.
15. Выбор неподходящего компонента
Выбор компонентов влияет на процесс сборки. Например, компоненты с сквозными отверстиями требуют более сложных технологических процессов по сравнению с технологией поверхностного монтажа (SMT). Поэтому их лучше использовать только в случае необходимости. Всегда отдавайте предпочтение стандартным компонентам перед нестандартными, так как стандартные элементы легко доступны у множества поставщиков. Нестандартные детали, с другой стороны, зачастую не подходят для крупносерийного производства и увеличивают затраты, поскольку их можно приобрести только у определенных поставщиков.
16. Наличие компонентов
Перед составлением спецификации (BOM) всегда следует убедиться в наличии компонентов. В случае недостаточного запаса следует быть готовым использовать альтернативные компоненты от других поставщиков. В настоящее время существует множество веб-сайтов, позволяющих осуществлять поиск материалов по спецификации, которые предоставляют информацию о материалах и уведомления об отсутствии товара на складе.
17. Неправильная упаковка объекта
В спецификации материалов (BOM) перечислены все компоненты, необходимые для сборки печатной платы. Если размеры компонентов, указанные в спецификации, не совпадают с данными в системе автоматизированного проектирования (CAD), завершить сборку схемы будет затруднительно. Это создаст значительные проблемы для автоматизированных сборочных линий. Исправление этой ситуации потребует значительных затрат времени и средств. Поэтому размеры компонентов следует тщательно проверять на этапе проектирования.
18. Недостаточное расстояние между компонентами
Недостаточное расстояние при размещении компонентов может привести к их наложению друг на друга и образованию паяных мостиков. Обеспечение достаточного зазора между компонентами также облегчает ручную пайку и доработку. Особое внимание следует уделять расстояниям между чувствительными компонентами, такими как QFP/QFN, POP или BGA. Иногда элементы размещаются очень близко друг к другу для уменьшения габаритов. Лучше всего следовать рекомендациям по расстояниям, чтобы обеспечить нулевой допуск в расстояниях между компонентами.
19. Недостаточное расстояние между компонентами и краями
После сборки панель проходит процесс разделения на отдельные платы. В ходе этого процесса компоненты, расположенные на краях печатных плат, подвергаются высоким нагрузкам, которые могут привести к их повреждению. Поэтому между компонентами и краями необходимо обеспечить достаточное расстояние. Кроме того, варианты расстояний варьируются в зависимости от процесса сборки. При ручной сборке, по сравнению с автоматизированной, компоненты можно размещать ближе к краям.
20. Неправильный размер и расстояние между прокладками
Выбор слишком маленьких размеров контактных площадок может привести к некачественным паяным соединениям у компонентов SMT и даже к их поломке при монтаже компонентов с сквозными отверстиями. Увеличение размера контактных площадок до максимально возможного, вероятно, также не является решением. Более широкие контактные площадки занимают больше места и могут привести к смещению компонентов SMT с их позиций во время пайки. Как и в случае с размером контактных площадок, расстояние между ними не должно быть ни слишком малым, ни слишком большим, так как это может вызвать проблемы при установке компонентов.
21. ошибка в шелкографии
Слой шелкографии содержит множество важной информации. К примеру, это маркировка ориентации компонентов, обозначения вывода № 1, маркировка полярности, обозначения катодов и т. д. Если эти сведения отсутствуют или неясны, на сборочном заводе будет потрачено время на проверку правильности данных. В худшем случае, если полярность или другие данные нанесены на шелкографию неверно, а сборщик установит компоненты в соответствии с ними, печатная плата может работать с перебоями. Необходимо убедиться, что шелкография читаема, прежде чем приступить к сборке.
22. Ошибка, связанная с высокой температурой
Производителям следует проявлять осторожность в процессе пайки, поскольку при этом выделяется избыточное тепло, которое может повредить печатную плату. Контроль за теплом, выделяемым в ходе этого процесса, имеет решающее значение. Установите достаточное количество теплоотводящих прокладок для эффективного отвода тепла. Рекомендации по DFM и DFA помогут вам избежать некоторых проблем при проектировании печатных плат и минимизировать последствия ошибок проектирования. На рынке доступно несколько инструментов для проектирования с учётом технологичности (DFM), и я лично опробовал некоторые из них, которые мне показались довольно хорошими. Вы можете выбрать тот, который соответствует вашим потребностям.
Основная роль DFM в проектировании печатных плат
DFM — это важнейший процесс в производстве высококачественной печатной платы. Только после тщательного анализа технологичности можно изготовить продукцию, соответствующую проектным требованиям, что обеспечивает качество конечного изделия. Ниже описана роль DFM в проектировании печатных плат.
Обеспечить технологичность
Проверить, соответствует ли конструкция физическим возможностям и технологическим ограничениям производственного оборудования (такого как линии травления, сверлильные станки, машины для установки компонентов, печи для пайки, системы автоматического визуального контроля (AOI) и т. д.) (например, минимальная ширина линии/междулинейное расстояние, минимальный диаметр отверстия, размер контактной площадки, ширина мостика паяльной маски и т. д.).
Повысить выход продукции
Выявлять и устранять потенциальные проблемы в конструкции, которые могут привести к производственным дефектам (таким как недостаточное расстояние между элементами, способствующее возникновению коротких замыканий; слабые проводники, подверженные обрывам; конструкция контактных площадок, приводящая к образованию «надгробных камней»; а также чрезмерно малое расстояние между корпусами, которое может вызвать образование паяных мостиков), тем самым сокращая количество брака и объём доработок в производственном процессе.
Снизить производственные затраты
Сокращение количества бракованной продукции и объема доработок означает уменьшение прямых затрат материалов и трудозатрат. Оптимизированная конструкция способствует использованию стандартных материалов, стандартных отверстий и стандартных размеров, позволяя избежать применения специальных или дорогостоящих технологических процессов. Кроме того, она способствует автоматизации производства и повышает эффективность производства.
Сократить цикл вывода продукта на рынок
Решение производственных проблем на ранних этапах проектирования позволяет значительно сократить задержки в производстве, вызванные доработкой конструкции, и ускорить вывод продукции на рынок уже на этапе проектирования.
Повысить надежность продукции
Избегая конструктивных недостатков, которые могут привести к потенциальным проблемам (таким как точки концентрации термических напряжений, неэффективный отвод тепла и переходные отверстия с недостаточной механической прочностью), можно повысить долгосрочную стабильность и надежность конечного продукта.
Содействовать сотрудничеству между подразделениями проектирования и производства
Внедрение производственных правил и учет практического опыта на ранних этапах процесса проектирования способствует более слаженному взаимодействию между командами проектировщиков и производственников, что позволяет сократить количество проблем, возникающих из-за информационной асимметрии.
Сократить количество итераций проектирования
Анализ DFM позволяет выявить большое количество потенциальных проблем, связанных с производством, ещё на этапе проектирования (ещё до изготовления печатной платы), что дает инженерам-проектировщикам возможность своевременно внести изменения и избежать длительного процесса отправки проектов производителям для доработки, характерного для традиционной модели.
Значительно повышает вероятность успешного запуска производства с первого раза.
Конструкция, оптимизированная с помощью DFM, демонстрирует высокий показатель успешности при первом производственном цикле, что значительно снижает риск сбоев в серийном производстве, вызванных конструктивными недостатками.
Значительно повысить коэффициент выхода готовой продукции
Это наиболее прямая экономическая выгода. Предотвращение типичных дефектов, таких как короткое замыкание, обрыв цепи, некачественная пайка и «эффект надгробного камня», значительно увеличивает долю бракованных печатных плат в общем объеме производства. Повышение выхода готовой продукции напрямую приводит к снижению затрат.
Эффективно снизить удельные производственные затраты
Снижение отходов материалов (меньше бракованной продукции), увеличение времени безотказной работы оборудования (более плавная работа производственной линии), сокращение затрат на переделку продукции и упрощение получения оптовых скидок.
Оптимизировать процессы и повысить эффективность производства
Например, грамотно разработанная схема облегчает сборку печатной платы и обеспечивает максимальное использование материалов; правильное расположение и ориентация компонентов помогают высокоскоростным машинам для установки компонентов работать с максимальной эффективностью; равномерное распределение меди и сбалансированные слои проводки помогают контролировать коробление печатной платы.
Повысить надежность продукции и сократить количество отказов в послепродажном обслуживании (снизить частоту отказов в эксплуатации).
Устранение конструктивных недостатков, таких как проблемы с теплоотводом, риски, связанные с электромагнитной совместимостью (ЭМС), и точки механического напряжения, повышает долговечность продукции в условиях эксплуатации у заказчиков, что позволяет сократить расходы на техническое обслуживание и минимизировать ущерб репутации бренда.
Содействовать стандартизации процессов
Стандарты DFM (проектирование, производство и оборудование) зачастую помогают компаниям или поставщикам разработать единую базу правил проектирования и производства, а также стандарты контроля качества, что позволяет повысить общий уровень проектирования и производства.
Производители печатных плат и поставщики услуг по производству электронных систем «под ключ»
Компания «Geyuan Electronics» является профессиональным производителем печатных плат и поставщиком услуг по комплексному производству электронных систем (EMS), предлагая услуги по изготовлению печатных плат, Сборка печатных плат, поставку компонентов и комплексные решения по производству электроники «под ключ». Мы изготавливаем многослойные печатные платы, печатные платы HDI, высокоскоростные печатные платы, печатные платы для радиочастотного и микроволнового диапазонов, печатные платы с толстым медным слоем, керамические печатные платы, алюминиевые печатные платы, гибкие печатные платы и гибко-жесткие печатные платы — от прототипирования до серийного производства. Если вам требуются печатные платы любого типа, свяжитесь с нами для получения коммерческого предложения по проекту.
Заключение
Только благодаря анализу «Проектирование с учетом технологичности» (DFM) можно изготовить действительно высококачественную печатную плату. Это актуально как для простых проектов, так и для сложных высокоскоростных промышленных печатных плат. Учет принципов DFM при каждом проектировании печатных плат принесет бесчисленные преимущества проектам, за которые вы отвечаете, а также будет выгоден для разработчиков и будущих заказов компании. Эти процедуры обеспечивают контроль производственного процесса и позволяют снизить общую стоимость изготовления печатных плат. Если вам нужны высококачественные печатные платы, обратитесь к команде Geyuan Electronics. Наши инженеры и производственный коллектив обладают обширным опытом в производстве всех типов печатных плат.