DFM Руководство по анализу печатных плат и сборок печатных плат

Печатные платы (ПП) являются основой современной электроники. Однако создание печатной платы, функционирующей в соответствии с замыслом, — это лишь часть задачи; не менее важно обеспечить возможность её эффективного, надёжного и экономичного производства. Именно здесь на помощь приходит проектирование печатных плат с учётом технологий производства (DFM). Благодаря приведению ваших проектов в соответствие с реалиями производства DFM сводит к минимуму Производство печатных плат сокращает количество ошибок, снижает затраты и ускоряет вывод продукта на рынок.

Кроме того, для инженеров конструктивные недостатки, которые не были вовремя выявлены, могут привести к задержкам, переделкам или отказам продукции. Независимо от того, нужна ли вам простая однослойная печатная плата или сложная многослойная, анализ DFM может превратить схему в готовый к производству шедевр. Давайте углубимся в детали и узнаем, как сделать ваш следующий проект печатной платы одновременно выдающимся и пригодным для производства.

Что такое анализ DFM?

Анализ технологичности (DFM) гарантирует, что схемы печатных плат можно будет изготовить легко и без затруднений. Путем изучения различных аспектов проекта (включая компоновку, размещение компонентов и допуски) он выявляет потенциальные проблемы, возникающие на этапах сборки и производства. Проверки DFM позволяют обнаружить недостатки проекта, которые приводят к трудностям при производстве, соблюдать графики производства и сократить количество отходов. Его цель — сделать процесс проектирования и производства печатных плат максимально бесперебойным, обеспечивая при этом соответствие функциональным и производственным требованиям.

Важность анализа DFM в производстве печатных плат

Анализ DFM (Design for Manufacturing, проектирование с учетом технологичности) имеет решающее значение для обеспечения плавного перехода от этапа проектирования к этапу производства. Ниже приведены некоторые основные преимущества DFM при проектировании печатных плат:

Сократить расходы	DFM позволяет выявлять и устранять производственные проблемы на ранних этапах проектирования, сокращая количество производственных ошибок, отходов материалов и объём доработок, что приводит к снижению общих производственных затрат.
Повысить урожайность	Хорошая конструкция, соответствующая производственным стандартам, может повысить выход готовой продукции, сократить количество бракованных плат и повысить эффективность всего процесса сборки.
Сократить сроки доставки	Поскольку анализ DFM позволяет убедиться, что проект готов к производству без значительных изменений, сокращается время изготовления, а также уменьшается время ожидания.
Повысить надежность продукции	DFM не только упрощает производство печатных плат, но и обеспечивает их надежную работу. Устраняя потенциальные тепловые, электрические и механические проблемы, DFM позволяет повысить эксплуатационные характеристики и долговечность конечного продукта.

Анализ DFM перед изготовлением печатной платы и производство печатных плат

После того как вы завершили разработку печатной платы и отправили её производителю для изготовления, производитель должен использовать ваш окончательный файл Gerber для проведения собственного анализа соответствия конструкции требованиям производства (DFM). Обратите внимание, что я использую слово “должен”, поскольку не все производители это делают; некоторые из них, как только вы загрузите файл Gerber, без сомнения изготовят печатную плату в точном соответствии с вашими производственными документами. У других вам нужно будет явно запросить этот уровень обслуживания, так как различные уровни обслуживания могут предлагаться только в качестве дополнительной услуги. Получив от производителя результаты анализа DFM, вы увидите множество выводов в двух областях: проверка зазоров на предмет технологической пригодности и проверка соответствия отраслевым требованиям.

Проверить размеры деталей с учетом технологических возможностей.

Когда вы передадите проектную документацию производителю, и он проведет анализ DFM, вы, скорее всего, увидите множество результатов, касающихся проверки зазоров. Производитель уже должен был проверить перечисленные выше области, но ему также необходимо сопоставить размеры ваших элементов и зазоры с собственными производственными возможностями. Даже если вы уже прошли этот процесс с исходными файлами Gerber при подаче заявки на расчет стоимости, лучше провести его еще раз, так как вы могли что-то упустить.

Основные аспекты анализа DFM (проектирование с учетом технологичности) для печатных плат и готовых печатных плат

Анализ проектирования с учетом технологичности (DFM) печатных плат (PCB) и PCBA (сборные печатные платы) позволяет выявлять и устранять несоответствия между конструкцией и технологическим процессом до вывода файлов для печатных плат и поверхностного монтажа, что позволяет снизить производственные затраты и повысить выход готовой продукции.

Основные пункты проверки при проектировании печатных плат (DFM)

Ширина/шаг трассы	Убедитесь, что толщина проводов не превышает максимального допустимого значения, установленного производителем (например, менее 3 мил/3 мил), чтобы предотвратить разрывы цепи из-за чрезмерно тонких медных проводов или коротких замыканий из-за слишком малого расстояния между ними.
Размер отверстия и кольцевое уплотнение	Уточните диаметр переходного отверстия, размер контактной площадки и зазор вокруг отверстия, чтобы обеспечить достаточную опору медного кольца после сверления и предотвратить разрыв отверстия.
Паяльная маска плотина	Проверьте ширину паяльной маски между контактными площадками, чтобы избежать коротких замыканий, вызванных образованием паяных мостиков во время пайки.
Расстояние от меди до края	Соблюдайте безопасное расстояние (обычно ≥ 0,3 мм) между медным рисунком и краем печатной платы, чтобы предотвратить обнажение меди или возникновение коротких замыканий во время фрезерования.

Сборка печатных плат (DFA): основные пункты проверки

Зазор между компонентами	Проверьте расстояние между высокими компонентами (такими как электролитические конденсаторы и трансформаторы) и окружающими их мелкими компонентами, чтобы предотвратить возникновение помех при установке по технологии SMT или эффект затенения при пайке в волне припоя.
Сопоставление контактных площадок и выводов	Убедитесь, что размеры контактных площадок для поверхностного монтажа (SMD) соответствуют стандарту IPC. Слишком большие площадки могут легко привести к смещению компонентов (эффект Манхэттена), а слишком маленькие — к недостаточному количеству припоя.
Панелизация и технологические кромки	Оцените метод панелизации большой печатной платы (V-образный разрез или штампованные отверстия) и оставьте технологический зазор (обычно ≥ 5 мм) по краю платы в соответствии с требованиями к дорожкам для поверхностного монтажа (SMT).
Маркировка направления и полярности	Убедитесь, что трафаретная печать на поляризованных компонентах, таких как диоды, интегральные схемы и электролитические конденсаторы, четкая и не закрашена, что облегчает производство и ручной контроль.

Процесс проверки DFM и этапы внедрения

Предварительные приготовления	Экспорт стандартных файлов Gerber, файлов координат (Centroid) и списков спецификаций.
Загрузка правил	Импортируйте параметры технологического процесса из партнерского литейного завода в профессиональное программное обеспечение для проектирования с учетом технологичности (например, Altium 365 или Siemens PADS).
Сканирование программного обеспечения и ручная проверка	Проводите автоматическую проверку на наличие дефектов и выполняйте ручную оптимизацию элементов, представляющих высокий риск (таких как дефекты типа «надгробная плита» и некачественные паяные соединения).
Создать отчет	Мы начнём производство только после устранения всех критических и серьёзных ошибок.

Подробные рекомендации по проверке DFM для проектов печатных плат (PCB) или готовых печатных плат (PCBA)

Ниже приведены подробные рекомендации по анализу технологичности в проектах по производству печатных плат (PCB) и сборке печатных плат (PCBA), обобщённые инженерной командой компании Geyuan Electronics. Чем более полным является анализ технологичности, тем ниже риск возникновения проблем в ходе реализации проекта.

Анализ линии

Минимальная ширина линии	При проектировании схем печатных плат инженерам необходимо уделять внимание ширине дорожек. Ширина дорожек зависит от их токопроводимости. Если ширина дорожки слишком мала, ток будет слишком большим, и дорожка перегорит.
Минимальное расстояние	Расстояние между трассировками на печатной плате должно быть как можно больше. Минимальное расстояние должно быть достаточным для выдерживания напряжения. При низкой плотности трассировки расстояние между сигнальными линиями можно соответствующим образом увеличить. Небольшое расстояние между различными сигнальными линиями может привести к перекрестным помехам.
Расстояние между SMD-компонентами	SMD означает контактные площадки для поверхностного монтажа. Если две контактные площадки одного и того же устройства расположены близко друг к другу, при пайке может произойти короткое замыкание между ними. Аналогичным образом, если разные устройства расположены близко друг к другу, пайка между разными цепями также может привести к короткому замыканию.
размер контактной площадки для пайки	Размер паяльных площадок влияет на процесс пайки. Например, небольшие паяльные площадки на микросхемах могут привести к некачественной пайке, а слишком большие — к смещению компонента относительно центра или его опрокидыванию.
Медная сетка	Для улучшения теплоотвода печатной платы и предотвращения отслоения паяльной маски медная фольга выполнена в виде сетки. Небольшой шаг сетки и ширина линий создают определенные сложности при производстве.
Размер кольца отверстия	Если приварное кольцо вставного отверстия имеет слишком малый размер, сварка может оказаться невозможной. Если кольцо сквозного отверстия имеет слишком малый размер, возникает риск разрыва цепи.
От отверстия до провода	В многослойных платах расстояние между отверстиями внутренних слоев и дорожками слишком мало. Процессы ламинирования и сверления многослойных плат имеют определенные допуски, и недостаточное расстояние между отверстиями и дорожками может привести к коротким замыканиям в процессе производства. Электрические сигналы: обрывы дорожек указывают на недостатки конструкции, приводящие к разрывам цепи; изолированные медные провода и острые углы могут создавать трудности при производстве.
Медь до самого края пластины	Если медь на краю платы расположена слишком близко к контуру, это может привести к обнажению меди в процессе литья, что, в свою очередь, может стать причиной утечки при монтаже готового изделия.
Накладки для скважин	Отверстия на контактных площадках относятся к отверстиям на площадках для поверхностного монтажа, что может повлиять на пайку компонентов поверхностного монтажа.
Открытое короткое замыкание	Анализ обрывов и коротких замыканий позволяет выявить конструктивные недостатки, приводящие к возникновению обрывов и коротких замыканий.

Анализ бурения

Диаметр сверлиного отверстия	Диаметр отверстия влияет на себестоимость продукции; предельное значение для механического сверления составляет 0,15 мм, и чем меньше диаметр отверстия, тем выше себестоимость.
От лунки к лунке	Небольшое расстояние между отверстиями может привести к поломке сверла во время сверления, что, в свою очередь, вызовет определённую проблему с коротким замыканием.
Расстояние от отверстия до края пластины	Если отверстие для вставки расположено слишком близко к краю платы, это приведет к разрушению паяного кольца и негативно повлияет на качество пайки. Если переходное отверстие расположено слишком близко к краю платы, возникнут проблемы с электропроводностью.
Плотность пор	Плотность пор — это количество пор на квадратный метр, выраженное в десятках тысяч на квадратный метр (10 000/м). Более высокая плотность приводит к увеличению сроков изготовления. Плотность пор, превышающая определенное значение, повлияет как на цену, так и на сроки изготовления.
Специальные отверстия	К специальным отверстиям относятся полуотверстия и квадратные отверстия. В слишком маленьких полуотверстиях может отсутствовать медь. Квадратные отверстия не распознаются из-за проблем с программным обеспечением EDA и требуют специальных примечаний.
Утечка	Ошибка в схеме обнаружения могла привести к случайному удалению отверстий под монтаж, что, в свою очередь, стало причиной разрыва цепей или невозможности пайки компонентов.
дополнительные отверстия	Обнаружение несуществующих отверстий, например, когда файл Gerber и расположение отверстий не совпадают или когда отверстия находятся там, где их не должно быть.
Непроводящее переходное отверстие	Под «непроводящими отверстиями» понимаются свойства проводящего слоя глухих и заглубленных отверстий. Отверстие считается непроводящим, если в процессе сверления к нему подключен только один проводящий слой.

Проектирование печатных плат и корпусов

Проектирование контактных площадок является областью с высоким риском возникновения проблем, связанных с технологичностью производства (DFM), и в ходе экспертизы каждая из них должна быть проверена отдельно.

контакты для резисторов и конденсаторов	Расстояние между контактными площадками должно равняться длине корпуса компонента за вычетом выступа с обоих концов, который обычно составляет 0,1–0,3 мм с каждой стороны. Если по ошибке использовать контактную площадку размера 0603 для корпуса 0402, при пайке методом рефлоу возникнет эффект «надгробного камня»; если контактные площадки слишком узкие, возрастает вероятность образования холодных паяных соединений.
Корпуса типа IC и QFN	Нижние теплоотводящие площадки корпуса QFN должны проектироваться в соответствии с размерами, рекомендованными в техническом паспорте устройства: если они будут слишком большими, это приведет к коротким замыканиям из-за выдавливания паяльной пасты; если они будут слишком маленькими, это ухудшит теплоотвод и прочность пайки. Рекомендуемый диаметр контактных площадок BGA составляет 70%–80% от диаметра шарика. Выбор между NSMD (без определения паяльной маски) и SMD (с определением паяльной маски) зависит от межконтактного расстояния.
Прокладки для вилок	Ширина кольца вставного отверстия не должна быть менее 0,15 мм (6 мил). Недостаточная ширина кольца при смещении сверла приведет к его поломке и разрыву цепи. Рекомендуется поддерживать зазор между диаметром отверстия и диаметром штифта на уровне 0,2–0,4 мм.

Паяльная маска и трафаретная печать

Мост сопротивления сварного соединения	Анализ образования перемычек в паяльной маске выявляет риск образования паяльных перемычек и коротких замыканий в тех случаях, когда между контактными площадками отсутствует паяльная маска. В местах, где окно паяльной маски перекрывает дорожку, возникают оголенные дорожки. Оголенные дорожки между разными сетями создают риск коротких замыканий.
Фоторезист с меньшим количеством отверстий	Отверстия в паяльной маске — это участки печатной платы, которые необходимо оставить открытыми для пайки. Если паяльные площадки не будут открыты, они окажутся покрытыми паяльной маской, и их будет невозможно припаять.
Размер окна сопротивления сварки	Расстояние от края медной фольги до края отверстия должно составлять 0,05 мм, чтобы предотвратить обнажение подложки; ширина мостика паяльной маски не должна быть менее 0,1 мм, так как при слишком узкой ширине он может легко сломаться.
маркировка методом шелкографии	Линии трафаретной печати не должны перекрывать паяльные площадки, а обозначения полярности диодов, электролитических конденсаторов и вывода № 1 интегральной схемы должны быть четкими и ориентированными в одном направлении.
Расстояние между трафаретом и подушечками	Толщина не должна быть менее 0,15 мм, чтобы краска паяльной маски не загрязняла паяльные площадки и не ухудшала паяемость.

Облицовка и технологические кромки

Ширина кромки процесса	Для зажима на конвейерной рейке при поверхностном монтаже (SMT) требуется как минимум 5 мм с каждой стороны; если на краю платы расположены компоненты, необходимо соблюдать дополнительное безопасное расстояние не менее 3 мм.
Метод сборки панелей	Метод V-CUT подходит для прямолинейной резки панелей толщиной не более 2,0 мм; фрезерование канавок (отверстий для штампов) подходит для резки панелей нестандартной формы. Остаточная толщина при использовании метода V-CUT обычно составляет 1/3 от толщины листа.
Отметка (точка базовой линии)	Каждая панель должна иметь не менее 3 глобальных точек маркировки. Рекомендуется добавлять локальные точки маркировки вблизи диагонали каждого устройства в корпусе QFP или BGA. В пределах 5 мм от точек маркировки не должно быть никаких помех со стороны шелкографии или медных слоев.
Оптическая точка позиционирования	Используйте круглые точки из голой меди диаметром 1,0–1,5 мм; поверхность должна быть обработана антиокислителем.

Дизайн трафарета

Раскрытие трафарета напрямую влияет на качество нанесения паяльной пасты. При проведении аудитов DFM необходимо обратить внимание на следующие моменты.

Коэффициент открытия	Для стандартных резисторов и конденсаторов размер отверстия в трафарете следует рассчитывать в соотношении 1:1 к площади контактной площадки; для корпусов размера 0402 и меньше рекомендуется выполнять внутренний вырез (в виде «Home Plate» или U-образного отверстия) для предотвращения образования шариков припоя.
Толщина стальной сетки	Толщина 0,1 мм подходит для корпусов QFP с шагом 0,5 мм; толщина 0,12 мм — для смешанной установки компонентов типоразмеров 0603 и 0805; толщина 0,08 мм — для корпусов BGA с шагом 0,4 мм.
Подушки большой площади	Термопрокладки разделены на сетку (крестообразную или прямоугольную), чтобы избыток паяльной пасты не приводил к образованию паяных мостиков или пустот.
Методы обнаружения	Дефекты сварки и монтажа такого рода, как правило, выявляются в процессе производства с помощью технологии AOI (автоматический оптический контроль).

Производство печатных плат и сборка печатных плат проблемы посредством анализа DFM

Хотя мы не можем раскрывать конкретную информацию о клиентах, мы можем привести типичный пример: один из клиентов Проектирование печатных плат В ходе производства постоянно возникали проблемы, связанные с низким выходом при пайке компонентов в корпусе QFN. Наш анализ DFM выявил недостаточную площадь отверстия трафарета для центральной контактной площадки заземления (всего 30%) и чрезмерно малое расстояние между периферийными контактными площадками. Мы рекомендовали увеличить площадь отверстия для центральной площадки до 50%, а также использовать более широкие отверстия внутри схемы и более длинные отверстия вне схемы для периферийных площадок. После внедрения этих рекомендаций коэффициент успешности пайки улучшился с 82% до 98,5%, что вызвало большое удовлетворение у заказчика.

Почему стоит выбрать компанию Geyuan Electronics в качестве партнера по реализации проектов по изготовлению печатных плат и сборке электронных устройств?

На высококонкурентном рынке производства электроники высокий выход готовой продукции с первого раза означает более высокую конкурентоспособность и прибыльность. Компания Geyuan Electronics, обладая профессиональными возможностями по анализу DFM и обширным опытом в изготовлении печатных плат и сборке электронных узлов (PCBA), устраняет разрыв между проектированием и производством, гарантируя, что ваши продукты с самого начала разрабатываются с учетом требований высокоэффективного производства. Свяжитесь с нами, чтобы воспользоваться нашими профессиональными услугами по анализу DFM и повысить выход готовой продукции с первого прохода при сборке печатных плат (PCBA) до более чем 98%, сократив при этом производственные затраты, ускорив сроки поставки и укрепив вашу конкурентоспособность на рынке! По любым вопросам, связанным с проектированием печатных плат или сборкой печатных плат (PCBA), обращайтесь в компанию Geyuan Electronics. Наша команда профессионалов готова предоставить вам техническую поддержку и услуги.

Заключение

Печатные платы (PCB) могут отлично работать в теории. Но чтобы функционировать в реальных условиях — при массовом производстве, высоких температурах, высоком давлении и с учетом фактических производственных допусков — они должны быть пригодны для производства. Именно здесь на помощь приходит концепция «Проектирование с учетом технологичности» (DFM). Это не что-то экстраординарное и не делает вашу печатную плату более привлекательной; это делает её по-настоящему функциональной. Это позволяет сократить затраты, избежать ошибок и помогает контролировать ход работ. Хорошие инженеры разрабатывают продукты для производственного цеха, а не для лаборатории. Если вы хотите получить надёжные продукты и предсказуемую удельную производительность, включите концепцию «Проектирование с учётом технологичности» (DFM) в свой процесс проектирования. Если вам нужны печатные платы или сборки печатных плат, обратитесь к нам за помощью.