Design für die Herstellung von Leiterplatten

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Was ist Design für die Fertigung?
Was ist der Zweck von DFM?
Die DFM-Faktoren
Wie Design für die Fertigung in PCB-Layout übersetzt wird
DFM-Prüfungen von Millennium Circuits Limited

Design für die Herstellung von Leiterplatten

In der gesamten Fertigungs- und Geschäftsbranche sind eine Vielzahl von Maschinen auf Leiterplatten oder PCBs angewiesen. Ebenso lassen die Fähigkeiten von PCBs die Geräte, die Verbraucher täglich verwenden, Wirklichkeit werden.

Da bei der Entwicklung und Herstellung von Leiterplatten so viel auf dem Spiel steht, ist es entscheidend, die Produktion mit maximaler Effizienz umzusetzen. Dazu müssen jedoch alle an der Designphase und am Herstellungsprozess Beteiligten in ständigem Kontakt stehen, um eine Produktidee zu verwirklichen. Hier kommen das als Design for Manufacturing bekannte Konzept und seine Abfolge von Schritten ins Spiel.

Was ist Design für die Fertigung?

Design for Manufacturing (DFM) ist ein Prozess, der es Herstellern ermöglicht, das Design eines Produkts in einer Reihe von Kategorien zu untersuchen, um seine Abmessungen, Materialien, Toleranzen und Funktionalität durch die effizientesten Fertigungsmittel zu optimieren. Mit DFM prüfen zertifizierte Produktlieferanten jede neue Produktidee in einer Reihe von Bereichen, um die besten Maße, Materialien und Herstellungsverfahren für die jeweiligen Produkte zu finden.

Hersteller, die gleichzeitig Gemeinkosten reduzieren und die Produktqualität verbessern möchten, setzen DFM ein. DFM ermöglicht es auch, kurzfristig alternative Fertigungsmethoden für Artikel zu finden. Wenn ein Unternehmen beispielsweise ein Produkt nur in kleinen Mengen benötigt, könnte es verschwenderisch sein, ein teures High-Tech-Arsenal an Formungsgeräten einzurichten, um dieses Produkt in begrenzter Auflage herzustellen.

Gleichzeitig erfordert dieses Produkt möglicherweise einzigartige Messungen, die ohne ein herkömmliches industrielles Arsenal nur schwer herzustellen wären. DFM hilft Herstellern, alternative Methoden zu finden, die Geld sparen können, wie z. B. Wärmeformungsmethoden für Teile, die andernfalls separate Formhohlräume erfordern würden.

DFM hilft Herstellern auch dabei, bereits vorhandene Designs zu verbessern. Wenn ein Unternehmen in der Vergangenheit ein Produkt in Massenproduktion hergestellt hat und nun plant, es wieder in Produktion zu nehmen, kann es dieses Mal Geld sparen, indem es das ursprüngliche Design und die Prozesse, die zur Herstellung eines Produkts verwendet wurden, neu bewertet. Wenn sie feststellen, dass einer der früheren Schritte verschwenderisch ist, können sie sie aus dem Prozess streichen.

Was ist der Zweck von DFM?

Der Zweck von DFM besteht darin, die einst übliche Fehlkommunikation zwischen Designern und Herstellern zu beseitigen. In den vergangenen Jahrzehnten gerieten die beiden Parteien oft aufgrund gegenseitiger Missverständnisse in Konflikt. In einem typischen Szenario würde der Designer ein Produkt mit einer Reihe von Maßen und einer Materialliste konzipieren. Der Designer schickte dann den Entwurf und die Skizzen an den Hersteller, dessen Aufgabe es war, das Design in Produktion zu bringen. Wenn sie irgendwelche Probleme im Design fanden, überließ es der Designer dem Hersteller, diese Probleme zu beheben.

Aus Sicht des Designers lagen die Schritte nach der Designphase, einschließlich Änderungen, in der Verantwortung des Herstellers. Das Problem ist, dass der Hersteller normalerweise die Feinheiten des Designprozesses nicht versteht, aber weiß, wann bestimmte Maße oder Materialien entweder unpraktisch oder unmöglich sind. In solchen Fällen kam es manchmal zu Produktionsverzögerungen wegen Designüberholungen in letzter Minute, die für die beteiligten Parteien oft kostspielig waren. Manchmal haben die Hersteller die Designs trotz der Fehler und des Risikos von Produktmängeln und Kundenunzufriedenheit trotzdem überstürzt in die Produktion gebracht.

Beim DFM-Engineering arbeiten Spezialisten aus allen Phasen des Design-, Entwicklungs- und Produktionsprozesses bei jedem Schritt zusammen. Zusammen bilden sie ein kombiniertes Team, in dem Ingenieure aus jeder Abteilung den Input und das Feedback des anderen in Echtzeit hören, während Produkte entwickelt, getestet und zur Überarbeitung zurückgeschickt werden. DFM spart Geld und Zeit, indem es Unternehmen hilft, Konstruktionsfehler fast sofort zu erkennen und zu beheben, lange bevor das Fertigungsteam mit der Produktion beginnt.

Die Produkt- und Entwicklungsteams, die DFM einsetzen, beziehen auch Beiträge von Parteien außerhalb des Herstellungsprozesses ein, wie z. B. Einkäufer, Verkäufer und Anwälte. Nach der Fertigstellung des Produktdesigns haben Unternehmen nur einen Bruchteil des gesamten Herstellungsbudgets ausgegeben, aber das Design bestimmt den größten Teil der Produktkosten. Daher steht für Hersteller zu viel auf dem Spiel, wenn sie sich auf ein Produkt festlegen.

Mit DFM können Unternehmen Fehler eliminieren, die zu kostspieligen Produktionsunterbrechungen und verschwendeten Durchläufen führen könnten, dank der kooperativen Prüfung von Ingenieuren aus allen am Prozess beteiligten Abteilungen. DFM hilft Herstellern auch dabei, Szenarien zu vermeiden, in denen fehlerhafte Produkte für die Öffentlichkeit freigegeben werden, was zu abrupten Mängeln, Kundenbeschwerden, mehreren Gerichtsverfahren und anderen PR-Fiaskos führt, die den Namen einer Marke in den Augen der Verbraucher beschädigen könnten.

Die DFM-Faktoren

Die DFM-Schritte umfassen die folgende Sequenz, um den Prozess, das Design, das Material, die Umgebung und die Konformität eines bestimmten Produkts zu bestimmen.

1. Herstellungsprozess

Der erste Teil des DFM besteht darin, die richtigen Arten von Herstellungsprozessen für das betreffende Produkt zu bestimmen. Wenn Sie ein Produkt in einer bestimmten Menge produzieren müssen, sollte der Prozess den Umfang der Produktion und die Anzahl der für die Auflage geplanten Pressungen widerspiegeln.

Um den besten Herstellungsprozess für ein bestimmtes Produkt zu bestimmen, sollten Sie Faktoren wie die Größe des Produkts und die für seine Herstellung benötigten Materialien berücksichtigen. Berücksichtigen Sie auch die Schritte, die für die Oberfläche des Produkts erforderlich sind, und ob sekundäre Schritte über die grundlegenden Montagephasen hinaus stattfinden müssen.

2. Produktdesign

Der nächste Teil des DFM besteht darin, das Design des Produkts zu untersuchen und festzustellen, ob die Spezifikationen zum fertigen Produkt passen oder ob Sie weitere Änderungen vornehmen müssen, bevor Sie mit der Produktion beginnen. Der Zweck dieses Schritts besteht darin, mögliche Konstruktionsprobleme beim vorherigen Lauf zu beheben und Ihre Produktion diesmal reibungsloser und effizienter zu gestalten.

Wenn Sie ein vorhandenes Design überarbeiten, stellen Sie sicher, dass die Änderungen den grundlegenden Designprinzipien entsprechen. Besprechen Sie solche Entscheidungen in diesem Bereich unbedingt mit Ihrem Vertragshersteller, da dies Ihnen dabei hilft, Ihre bevorstehenden Produktionsläufe gemäß den Herstellungsgrundsätzen für das jeweilige Produkt sicherzustellen.

3. Produktmaterial

Ein weiterer kritischer Aspekt von DFM ist die Bestimmung, welche Materialien für das betreffende Produkt erforderlich sind. Je nach Form, Größe und Verwendungszweck des Produkts müssen Sie eine Vielzahl von Faktoren berücksichtigen, z. B. die für das Material oder Produkt erforderliche Festigkeit, Textur und thermischen Eigenschaften.

Während dieses Schritts müssen Sie sich mit einem Vertragshersteller beraten, um sicherzustellen, dass die ausgewählten Materialien die Anforderungen für die jeweilige Produktion erfüllen. Wenn Sie ein bestimmtes Material im Sinn haben, müssen Sie wissen, ob dieses Material Hitze widersteht und Elektrizität leitet, da diese Faktoren das Produkt beeinträchtigen oder beschädigen können.

4. Eventuelle Umgebung

Bevor Sie Ihre Auswahl für den Prozess, das Design und das Material des Produkts abschließen, müssen Sie die Umgebungen untersuchen, in denen die Verbraucher es verwenden werden. Nachdem Sie festgestellt haben, welche Auswirkungen diese Umgebung auf das Material und die Form des Produkts haben könnte, müssen Sie entscheiden, ob die drei vorherigen DFM-Optionen ausreichen.

Design-for-Manufacturing-Beispiele umfassen die Überlegung, wie und wo Verbraucher Ihr Produkt verwenden werden. Wenn Sie ein Produkt für den ganzjährigen Einsatz im Freien entwickeln, müssen die Materialien allen Umgebungstemperaturen und Witterungsbedingungen standhalten. Wenn Benutzer das Produkt an anderen Objekten montieren, muss das Design eine Vielzahl von Einstellungen berücksichtigen.

5. Prüfung/Konformität

Die letzte Phase des DFM besteht darin, festzustellen, ob das Design und die Materialien für das betreffende Produkt die Sicherheits- und Qualitätsstandards der verschiedenen Stellen erfüllen, die in der Angelegenheit ein Mitspracherecht haben. Eine unabhängige ISO-zertifizierte Prüfeinrichtung kann dies feststellen. Ein neutraler Fertigungsanalyst muss die Tests beaufsichtigen.

Verschiedene Entitäten könnten Standards haben, die sich auf Ihre Fähigkeit auswirken, mit einem Design in seinem aktuellen Zustand fortzufahren. Beispielsweise könnten behördliche Vorschriften auf Landes-, Bundes- oder internationaler Ebene Ihr Produkt in seiner bestehenden Konfiguration als unsicher einstufen. Das Produkt entspricht möglicherweise nicht dem Kodex der beabsichtigten Branche. Das Design des Produkts entspricht möglicherweise sogar nicht den Sicherheitsstandards Ihres Unternehmens.

Häufige Designfehler

Während des Entwurfs und der Produktion von Leiterplatten kann der Einsatz von DFM die folgenden Fehler beseitigen.

1. Kantenfreiheit

Einer der größten Fehler, den ein Hersteller bei einem PCB-Design machen kann, besteht darin, keinen ausreichenden Randabstand zuzulassen. Dieses Problem kann für Kupfer entlang der Kante einer Leiterplatte problematisch sein, da Kupfer ohne Schutzbeschichtung korrodieren kann. Wenn Sie eine Leiterplatte ohne diese Toleranz entwerfen, kann die Beschichtung während des letzten Schnitts entfernt werden.

Glücklicherweise können Sie Probleme mit der Kantenzugabe leicht beheben, wenn Sie den erforderlichen Freiraum in das Design der Platine einbeziehen. Für die äußeren Schichten einer Leiterplatte sollte die Beschichtung nur 0,010 Zoll zusätzlich zum Design erfordern. Für die inneren Schichten sollte die Beschichtung nur 0,015 Zoll zusätzlich zum Design erfordern.

2. Erstellen von Säurefallen

Säurefallen können ein wiederkehrendes Problem bei PCB-Designs sein, die dieses Problem nicht berücksichtigen. Um diese Möglichkeit zu vermeiden, konstruieren Sie niemals abgewinkelte Leiterbahnen in spitzen Winkeln. Beispielsweise ist ein Winkel von 45 Grad viel besser als ein Winkel von 90 Grad. Letzteres könnte die PCB anfällig für Säurefallen machen, während ersteres im Allgemeinen nicht anfällig für dieses Problem ist. Überprüfen Sie immer alle Spurwinkel, nachdem Sie das Routing abgeschlossen haben, um sicherzustellen, dass keine verbundenen Spuren Säurefallen gebildet haben.

3. Kompliziertes Board-Layout

Wenn Sie in eine Situation kommen, in der Ihre Platine komplex wird, sollten Sie das Design in einen lösungsorientierteren Plan überdenken, bei dem Sie alle erforderlichen Komponenten auf derselben Seite organisieren können. Ein Fehler, den einige PCB-Designer manchmal machen, besteht darin, einige der Elemente auf der Rückseite der Platine zu platzieren, um Platz auf der Primärseite freizugeben.

Wenn Sie Komponenten auf beiden Seiten einer Leiterplatte platzieren, erhöht dies die Kosten des Herstellungsprozesses. Darüber hinaus bringt das Hinzufügen von Komponenten auf der anderen Seite einer Leiterplatte zahlreiche Komplikationen für den Hersteller mit sich.

4. Keine Lötstoppmaske zwischen den Pads

Beim PCB-Design ist der Lötstopplack eines der wichtigsten Elemente jeder Leiterplatte, da er den Kontakt zwischen Kupfer und anderen Metallen verhindert. Ohne das Vorhandensein einer Lötmaske zwischen den Pads könnte sich ein Kontakt zwischen negativen Metallen bilden und unerwartete Kurzschlüsse verursachen.

Um sicherzustellen, dass jede Leiterplatte über ausreichend Lötstopplack verfügt, nehmen Sie dies in die Designregeln für alle Ihre Leiterplattenproduktionen auf. So sollte es beim Umsetzen der Einstellungen einer großen Platine auf eine kleinere Platine nie Probleme mit dem Auftragen von Lötstopplack geben.

5. Vias in Pads platzieren

Wenn der Platz auf Ihrer Leiterplatte knapp ist, könnten Sie versucht sein, Durchkontaktierungen hinzuzufügen, um Platz zu schaffen. Dies könnte jedoch die Montagefähigkeiten der PCB schwächen, indem Lot von der Platine weggezogen wird, wodurch der Lötprozess unwirksam wird. Auch wenn die Vias-Option unter bestimmten Umständen nützlich sein kann, verwenden Sie sie nur, wenn es notwendig ist. Gleiches gilt für Mikro-, Blind- und Buried Vias.

Wie Design für die Fertigung in PCB-Layout übersetzt wird

Beim PCB-Engineering helfen die Prinzipien des DFM den Herstellern, alle Designspezifikationen in einem funktionalen Layout zu halten, unabhängig von der Größe der betreffenden PCB. Beim Einbau der Komponenten einer Platine in eine kleinere Leiterplatte kann es schwierig sein, die Teile an Ort und Stelle zu montieren und Probleme wie Säurefallen und Probleme mit dem Kantenabstand zu vermeiden. DFM hilft, diese Probleme zu vermeiden, bevor die Platine in Produktion geht.

Beim DFM-Engineering prüfen zertifizierte Hersteller das Design einer Leiterplatte, um sicherzustellen, dass die Abmessungen für die beabsichtigten Zwecke der Leiterplatte ausreichen. Sie untersuchen auch das Platinendesign, um sicherzustellen, dass es in den beabsichtigten Umgebungen funktioniert. Wenn die Platine beispielsweise in Maschinen verwendet wird, die enorme Hitze erzeugen, muss das PCB-Design Komponenten und Schutzelemente enthalten, die diesen Bedingungen standhalten können.

Der DFM-Prozess stellt außerdem sicher, dass ein PCB-Design keine Produktionsfreigabe erhält, wenn es eine Reihe von Standardtests nicht besteht. Wenn beispielsweise eine Leiterplatte unter einer Reihe von wahrscheinlichen Arbeitsbedingungen leicht ausfällt, muss der Designer die Leiterplatte mit zusätzlichen Komponenten überarbeiten, bis sie die Aufgaben der entsprechenden Geräte bewältigen kann.

In der PCB-Produktion gehen die Prinzipien von DFM Hand in Hand mit Design for Fabrication, das die Fragen der Herstellung und deren Anwendung auf eine PCB abdeckt.

DFM-Prüfungen von Millennium Circuits Limited

Wenn es um Konstruktionsinspektionen und Konformitätstests geht, müssen Sie den Input eines objektiven, qualifizierten Dritten einholen. Bei Millennium Circuits Limited führen wir DFM-Analysen an PCB-Designs und Prototypen durch, um Defekte und andere Probleme zu identifizieren. Wenden Sie sich noch heute an MCL, um zu erfahren, wie wir Ihnen helfen können, Ihre Leiterplatten zu verbessern, bevor Sie sie in die Produktion geben.