Komplet guide til PCB-design med henblik på fremstilling (DFM)

Inden for udvikling af printkort er det ofte analyser af signalintegritet (SI), elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og strømintegritet (PI), der fanger ingeniørernes primære opmærksomhed. Men det er ikke tilfældet, PCB-design for fremstillingsmuligheder (DFM) er lige så afgørende. Hvis man forsømmer dette aspekt, kan det føre til fejl i produktdesignet, øgede omkostninger og produktionsforsinkelser. TOPFAST hjælper kunder med at identificere og løse problemer med fremstillingsevnen tidligt i produktudviklingscyklussen gennem professionelle DFM-analysetjenester.

Vellykket PCB DFM begynder med at etablere passende designregler, der skal tage højde for producenternes faktiske produktionskapacitet. Denne artikel udforsker de væsentlige elementer i DFM for PCB-layout og -routing, så ingeniører kan designe printkort af høj kvalitet, der opfylder både funktionelle krav og produktionsmuligheder.

Indholdsfortegnelse

Nøglepunkter for DFM i PCB-layout

1. SMT Specifikationer for komponentlayout

Layoutkvaliteten af SMT-komponenter (Surface Mount Technology) har direkte indflydelse på udbyttet af monteringsprocessen:

Krav til afstand mellem komponenterne: Den generelle afstand mellem SMT-komponenter bør være større end 20 mil, mellem IC-komponenter større end 80 mil og mellem BGA-komponenter større end 200 mil.
Design af afstand mellem puder: SMD-padafstanden skal typisk være større end 6 mils i betragtning af den generelle loddemaskedæmningskapacitet på 4 mils. Når SMD-padafstanden er mindre end 6 mil, kan loddemaskens åbningsafstand falde til under 4 mil, hvilket forhindrer fastholdelse af loddemaskens dæmning og fører til loddebroer og kortslutninger under samlingen.

2. DIP Overvejelser om komponentlayout

For komponenter med Through-Hole Technology (THT/DIP) skal layoutet tage højde for kravene til bølgelodningsprocessen:

Utilstrækkelig afstand mellem stifterne kan føre til loddebroer og kortslutninger.
Minimer brugen af komponenter med gennemgående huller, eller koncentrer dem på samme side af printet.
Når komponenter med gennemgående huller er på oversiden, og SMT-komponenter er på undersiden, kan det forstyrre enkeltsidet bølgelodning, hvilket potentielt kræver dyrere processer som selektiv lodning.

3. Sikker afstand fra komponenter til kortets kant

Automatiseret svejseudstyr kræver typisk en minimumsafstand på 7 mm mellem elektroniske komponenter og printkanten (specifikke værdier kan variere fra producent til producent).
Ved at tilføje breakaway-faner under PCB-fremstillingen kan komponenterne placeres tæt på printkanten.
Komponenter i kanten af printet kan kollidere med maskinskinner under automatiseret lodning og forårsage skader, og deres puder kan blive delvist skåret over under fremstillingen, hvilket påvirker loddekvaliteten.

4. Rationelt layout af høje og korte komponenter

Elektroniske komponenter findes i forskellige former og størrelser; et godt layout forbedrer enhedens stabilitet og reducerer skader:

Sørg for tilstrækkelig plads omkring høje komponenter til kortere tilstødende komponenter.
Et utilstrækkeligt forhold mellem komponentafstand og -højde kan føre til ujævn termisk luftstrøm under lodning, hvilket potentielt kan forårsage dårlige loddefuger eller problemer med efterbearbejdning.

5. Sikkerhedsafstand mellem komponenter

SMT-behandling skal tage højde for udstyrets placeringsnøjagtighed og behov for omarbejde:

Anbefalet afstand: 1,25 mm mellem chipkomponenter, mellem SOT'er og mellem SOIC'er og chipkomponenter.
Anbefalet afstand: 2,5 mm mellem PLCC'er og chipkomponenter, SOIC'er eller QFP'er.
Anbefalet afstand: 4 mm mellem PLCC'erne.
Når du designer PLCC-sokler, skal du sikre dig, at der er reserveret tilstrækkelig plads (PLCC-stifterne er placeret på den indvendige bund af soklen).

Kerneelementer i DFM til PCB-rutning

1. Strategi for optimering af sporbredde/afstand

Designet skal afbalancere krav til præcision med begrænsninger i produktionsprocessen:

Standard-design: Sporbredde/afstand på 4/4 mils og vias på 8 mils (0,2 mm) kan produceres af ca. 80% af PCB-producenterne til den laveste pris.
Design med høj densitet: Minimum sporbredde/afstand på 3/3 mils og vias på 6 mils (0,15 mm) kan produceres af ca. 70% af producenterne, til en lidt højere pris.

2. Undgå akutte/vinklede spor

Spor med spids vinkel er strengt forbudt i PCB-routing.
Retvinklede spor kan påvirke signalintegriteten ved at skabe ekstra parasitær kapacitans og induktans.
Under PCB-fremstilling kan der dannes "syrefælder" i skarpe vinkler, hvor sporene mødes, hvilket fører til overætsning og potentielle sporbrud.
Hold en 45 graders vinkel for sporbøjninger.

3. Håndtering af kobberspåner og øer

Store isolerede kobberøer kan fungere som antenner og skabe støj og interferens.
Små kobbersplinter kan løsne sig under ætsningen og drive til andre ætsede områder og forårsage kortslutning.

4. Krav til ringformede bor til boremaskiner

Designet af en ring (kobberringen omkring et borehul) skal tage højde for produktionstolerancer:

Vias kræver en ringformet ring, der er større end 3,5 mils pr. side.
Stifter med gennemgående huller kræver en ring på mere end 6 mil.
Utilstrækkelige ringformede ringe kan føre til ødelagte ringe og åbne kredsløb på grund af bore- og lag-til-lag-registreringstolerancer.

5. Tilføjelse af dråber til spor

Teardrop-design forbedrer kredsløbsforbindelsernes robusthed:

Forhindrer, at forbindelsespunkterne går i stykker, når kortet udsættes for fysisk belastning.
Beskytter pads mod at løsne sig under flere loddecyklusser.
Forhindrer revner forårsaget af ujævn ætsning eller via fejlregistrering.

Synergien mellem DFM og DFT

I PCB-produktion er Design for Testability (DFT) og Design for Manufacturability (DFM) begge nøglen til succes:

DFT (design for testbarhed): Fokuserer på at gøre PCB'er nemme at teste for fejl, f.eks. ved at tilføje testpunkter til kontrol af signalintegritet.
DFM (Design for Manufacturability): Sikrer, at designet er optimeret til effektiv produktion og montering.

Forskning viser, at testning kan udgøre 25-30% af de samlede PCB-produktionsomkostninger, mens dårlige designvalg kan øge antallet af kasserede produkter i produktionen med op til 10%. Den synergistiske anvendelse af DFM og DFT hjælper effektivt med at reducere disse omkostninger.

Integreret DFT- og DFM-praksis

Strategi for placering af komponenter: Opretholdelse af tilstrækkelig komponentafstand (f.eks. mindst 0,5 mm) letter både montering (DFM) og sikrer uhindret adgang for testprober (DFT).
Design af testpunkter: Tilføjelse af testpunkter for kritiske netværk (f.eks. 2,5 GHz højhastighedssignaler) hjælper både med at opdage fejl (DFT) og vejleder producenter i at justere samleprocesser (DFM).
Standardisering af materialer: Brug af bredt accepterede materialer (f.eks. FR-4 med en dielektrisk konstant på 4,5) understøtter omkostningseffektiv produktion (DFM) og sikrer ensartede testresultater (DFT).

Vigtige DFM-retningslinjer for PCB-fremstilling

1. Optimering af sporbredde og -afstand

En minimumsbredde og -afstand på 6 mil anbefales generelt for at forhindre overætsning eller kortslutning.
Design med højere tæthed kan bruge smallere spor, men det øger produktionsrisikoen og -omkostningerne.

2. Brug af standardkomponentstørrelser

Foretrækker standardkomponentpakker som 0603 eller 0805.
Ikke-standardstørrelser komplicerer monteringen og øger risikoen for fejl med automatiseret udstyr.

3. Princippet om minimering af antallet af lag

Reducer antallet af lag, hvor det er muligt, og opfyld samtidig kravene til ydeevne (f.eks. fra 8 til 6 lag).
Hvert ekstra lag øger produktionsomkostningerne og produktionstiden.

4. Indstilling af realistiske tolerancer

Undgå alt for strenge tolerancekrav.
De fleste standardprocesser kan opnå en tolerance på ±10%; strammere specifikationer øger omkostningerne betydeligt.

5. Klare silketryksmarkeringer

Medtag tydelige etiketter til komponenter, testpunkter og polaritetsmarkeringer.
Hold en minimum teksthøjde på 0,8 mm for at sikre læsbarhed efter udskrivning.

Professionelle DFM-inspektions- og analysemetoder

TOPFAST's DFM-analysetjeneste evaluerer PCB-designs grundigt i forhold til produktionsprocesparametre:

PCB-analyse af nøgne plader: 19 hovedkategorier, 52 detaljerede inspektionsregler.
Analyse af PCBA-montering: 10 hovedkategorier, 234 detaljerede inspektionsregler.

Disse inspektionsregler dækker stort set alle potentielle problemer med fremstillingsevnen og hjælper konstruktører med at identificere og løse DFM-udfordringer, før produktionen begynder.

Grundlæggende PCB-processer og produktionsflow

Forståelse af flerlagsplade-struktur

PCB'er klassificeres som enkeltsidede, dobbeltsidede eller flerlagede. Flerlagsplader består af kobberfolie, prepreg (PP) og kernelaminater:

Typer af kobberfolie: Valset udglødet (bruges ofte til fleksible plader), elektrodeponeret (bruges ofte til stive plader).
Omregning af tykkelse: 1 OZ = 35μm (OZ er en vægtenhed). 1/2 oz kobber bruges ofte til ydre lag.
Kerneteknologier til flerlagskort: Stack-up-design og boreprocesser.

Flow til fremstilling af flerlagsplader

Fremstilling af indre lag: Hovedsageligt en enkeltsidet pladeproces, der involverer UV-eksponering, udvikling og ætsning.
Oplægning/laminering: Kobberfolie, PP og kerneplader justeres og presses under varme for at danne en flerlagsstruktur.
Boring/belægning: Oprettelse af vias (gennemgående huller, blinde, nedgravede) for at etablere elektriske forbindelser mellem lagene.
Loddemaske/overfladefinish: Påføring af loddemaske for at beskytte de ydre kobberlag, efterfulgt af åbning af loddemaske og påføring af overfladefinish.

Vigtige designfiler

PCB-design kræver forberedelse af fire nøglefiler:

Fabrikationstegning / konturtegning (DXF-format til mekanisk kontur).
Borefil / NC-borefil (til boring af huller).
Gerber-filer / fotoplotteringsfiler (data til laggrafik, dimensioner og positioner).
Netlistefil (definerer signalforbindelser for lagspor).

PCBA-design og procesrutning

Reflow-lodning: Bruges primært til SMT-komponenter.
Bølgelodning: Bruges typisk til komponenter med gennemgående huller.
Design af procesrute: Valg af den rette kombination af loddeprocesser baseret på komponenttyper og -fordeling.

Konklusion: Den strategiske værdi af DFM i PCB-udvikling

PCB Design for Manufacturability har udviklet sig fra blot at være en produktionsovervejelse til at være et strategisk nøgleelement for produktsucces. Ved at integrere DFM-principper i designprocessen kan virksomheder reducere produktionsomkostningerne betydeligt, forbedre produktkvaliteten og forkorte time-to-market. TOPFAST anbefaler at introducere DFM-analyse tidligt i projektets livscyklus for at sikre problemfri integration mellem designintention og produktionsvirkelighed og i sidste ende opnå effektiv, økonomisk PCB-produktion af høj kvalitet.

Professionel DFM-gennemgang fungerer som en "designkvalitetskontrol", der perfekt afstemmer ingeniørernes kreative design med fabrikkernes praktiske procesmuligheder og sikrer produktionen af printkort, der både opfylder specifikationskravene og har fremragende fremstillingsevne.

Ofte stillede spørgsmål om PCB DFM

Q: Vi udførte DFM-tjek tidligt i designfasen. Hvorfor rejste producenten stadig DFM-problemer, efter at vi havde sendt dem Gerber-filerne?

Svar: Det er en meget almindelig situation. Årsagen er potentielle forskelle mellem de DFM-standarder, der anvendes af designteamet, og dem, der anvendes af printkortproducenten. Dine interne tidlige kontroller kan være baseret på generiske eller historiske DFM-regler, mens producenten anvender regler baseret på deres specifikt udstyr, proceskapacitet og materialebeholdning. For eksempel kan du følge en generel regel om 4/4 mil spor/afstand, men for et bestemt område med kobbertykkelse på dit board kan producentens ætsningsproces kræve en minimumsafstand på 5 mil for at opnå optimalt udbytte. Det er afgørende at samarbejde med producenten og få deres specifikke retningslinjer for design.

Q: Er der forskel på "fremstillingsevne" og "samlingsevne" i forbindelse med PCB'er?

Svar: Ja, selv om de er tæt forbundne, er der en lille forskel:
Fremstillingsmuligheder refererer typisk til fremstillingsprocessen af bar plade. Det involverer processer som ætsning, laminering, boring og plettering. Relevante spørgsmål omfatter mindste sporbredde, ringformede ringe, afstand mellem hul og kobber osv.
Samlbarhed refererer til processen med at placere komponenter på det færdige, nøgne board. Det involverer udskrivning af loddepasta, placering af komponenter og reflow-lodning. Relevante emner omfatter komponentafstand, pad-design, fodaftrykskompatibilitet og orientering til bølgelodning.
Et perfekt fremstillet kort kan fejle under samlingen, hvis komponenterne er placeret for tæt på hinanden til at blive loddet korrekt. En omfattende DFM-analyse bør dække både fremstillings- og monteringsaspekter.

Q: Hvad er de mest kritiske DFM-tips til omkostningsfølsomme projekter?

Svar: De vigtigste DFM-praksisser til omkostningsoptimering omfatter:
Minimer antallet af lag: Hvert ekstra lag øger omkostningerne betydeligt.
Brug standard hulstørrelser og komponentpakker: Undgå ikke-standardstørrelser, der kræver specialværktøj eller -processer.
Slap af med tolerancerne: Angiv kun snævre tolerancer, når det er nødvendigt. Brug producentens standardtolerancer som standard.
Vælg større sporbredder og -afstande: At følge en 4/4 mil-regel i stedet for 3/3 mil kan reducere omkostningerne og forbedre udbyttet.
Optimer brugen af paneler: Samarbejd med producenten om et panellayout for at minimere materialespild.

Q: Hvordan skal vi håndtere DFM for højfrekvens- eller højhastighedsdesign? Er disse krav ofte i konflikt med standard DFM?

Svar: De kan nogle gange være i konflikt, hvilket kræver en omhyggelig balance. Højfrekvente designs kræver ofte:
Streng impedans-kontrolsom kan kræve specifikke sporbredder, mellemrum og dielektriske tykkelser, der overskrider standardprocessens muligheder.
Brug af specialiserede materialerhvilket kan være dyrere eller kræve justerede procesparametre.
Minimerede vias, da vias introducerer impedansdiskontinuiteter og problemer med signalintegritet.
Løsningen er at arbejde med ingeniører, der forstår både elektrisk ydeevne og fremstillingsprocesserog at involvere din printkortproducent fra de tidlige stadier. De kan rådgive om, hvordan man opnår de elektriske krav ved hjælp af strukturer, der kan opnås inden for deres proceskapacitet.

Q: Vores komponentbiblioteker er fra anerkendte kilder. Hvorfor kan bibliotekssymboler stadig forårsage DFM-problemer?

Svar: Selv "standard"-biblioteker kan have fejl af forskellige årsager:
Forkert pudegeometri: Pad-størrelsen eller -formen er måske ikke egnet til en pålidelig loddeproces, hvilket fører til "tombstoning" eller dårlige loddesamlinger.
Manglende termiske aflastningspuder: For komponenter, der skal forbindes til et jordplan, kan manglende termiske aflastninger forårsage loddeproblemer.
Dårlig klarhed i silketryk: Komponentkonturer eller polaritetsmarkører kan være placeret over puder, hvilket forårsager tvetydighed under samlingen.
Uoverensstemmelse med loddepasta-stencil: Paddesignet er måske ikke optimeret til optimal aflejring af loddepasta.

Det er vigtigt, at du regelmæssigt reviderer og opdaterer dine komponentbiblioteker i forhold til IPC-standarder og anbefalinger fra din producent/montør. TOPFASTs DFM-analyse omfatter kontrol af sådanne almindelige problemer med bibliotekets fodaftryk.