Guida completa alla progettazione di PCB per la producibilità (DFM)

Nel campo dello sviluppo dei circuiti stampati, l'analisi dell'integrità del segnale (SI), della compatibilità elettromagnetica (EMC) e dell'integrità dell'alimentazione (PI) è spesso al centro dell'attenzione degli ingegneri. Tuttavia, Progettazione PCB per la producibilità (DFM) è altrettanto cruciale. Trascurare questo aspetto può portare al fallimento della progettazione del prodotto, a un aumento dei costi e a ritardi nella produzione. TOPFAST aiuta i clienti a identificare e risolvere i problemi di producibilità nelle prime fasi del ciclo di sviluppo del prodotto attraverso servizi professionali di analisi DFM.

Un DFM di successo per i PCB inizia con la definizione di regole di progettazione appropriate che devono tenere conto delle effettive capacità produttive dei produttori. Questo articolo esplora gli elementi essenziali della DFM per il layout e il routing dei PCB, consentendo agli ingegneri di progettare schede di alta qualità che soddisfino sia i requisiti funzionali che la fattibilità produttiva.

Indice per materie

Punti chiave per il DFM nel layout dei PCB

1. SMT Specifiche di layout dei componenti

La qualità del layout dei componenti SMT (Surface Mount Technology) influisce direttamente sul tasso di rendimento del processo di assemblaggio:

Requisiti di spaziatura dei componenti: La spaziatura generale dei componenti SMT deve essere superiore a 20 mil, quella dei componenti di tipo IC superiore a 80 mil e quella dei componenti di tipo BGA superiore a 200 mil.
Progettazione della spaziatura dei pad: La spaziatura delle piazzole SMD deve essere in genere superiore a 6 mil, considerando che la capacità di trattenere la diga della maschera di saldatura è generalmente di 4 mil. Quando la distanza tra le piazzole SMD è inferiore a 6 mil, la distanza di apertura della maschera di saldatura può scendere al di sotto di 4 mil, impedendo la ritenzione della diga della maschera di saldatura e causando ponti di saldatura e cortocircuiti durante l'assemblaggio.

2. DIP Considerazioni sulla disposizione dei componenti

Per i componenti con tecnologia a fori passanti (THT/DIP), il layout deve tenere conto dei requisiti del processo di saldatura a onda:

Una distanza insufficiente tra i pin può causare ponti di saldatura e cortocircuiti.
Ridurre al minimo l'uso di componenti a foro passante o concentrarli sullo stesso lato della scheda.
Quando i componenti a foro passante si trovano sul lato superiore e quelli SMT sul lato inferiore, possono interferire con la saldatura a onda su un solo lato, rendendo potenzialmente necessari processi più costosi come la saldatura selettiva.

3. Distanza di sicurezza dei componenti dal bordo della scheda

Le apparecchiature di saldatura automatica richiedono in genere una distanza minima di 7 mm tra i componenti elettronici e il bordo della scheda (i valori specifici possono variare a seconda del produttore).
L'aggiunta di linguette di distacco durante la fabbricazione del PCB consente di posizionare i componenti vicino al bordo della scheda.
I componenti sul bordo della scheda potrebbero urtare le guide della macchina durante la saldatura automatica, causando danni, e le loro piazzole potrebbero essere parzialmente tagliate durante la produzione, compromettendo la qualità della saldatura.

4. Disposizione razionale dei componenti alti e corti

I componenti elettronici sono di varie forme e dimensioni; un buon layout migliora la stabilità del dispositivo e riduce i danni:

Assicurare uno spazio sufficiente intorno ai componenti alti per i componenti adiacenti più corti.
Un rapporto insufficiente tra la distanza e l'altezza dei componenti può portare a un flusso d'aria termica non uniforme durante la saldatura, causando potenzialmente giunti di saldatura scadenti o difficoltà di rilavorazione.

5. Distanza di sicurezza tra i componenti

La lavorazione SMT deve tenere conto dell'accuratezza del posizionamento delle apparecchiature e delle esigenze di rilavorazione:

Spaziatura consigliata: 1,25 mm tra i componenti del chip, tra i SOT e tra i SOIC e i componenti del chip.
Spaziatura consigliata: 2,5 mm tra PLCC e componenti chip, SOIC o QFP.
Spaziatura consigliata: 4 mm tra i PLCC.
Quando si progettano gli zoccoli PLCC, assicurarsi che sia riservato uno spazio adeguato (i pin PLCC si trovano sul fondo interno dello zoccolo).

Elementi fondamentali del DFM per l'instradamento dei PCB

1. Strategia di ottimizzazione della larghezza e della spaziatura delle tracce

La progettazione deve bilanciare i requisiti di precisione con le limitazioni del processo produttivo:

Design standard: Larghezza/spaziatura delle tracce di 4/4 mil e vias di 8 mil (0,2 mm) sono producibili da circa 80% dei produttori di PCB al costo più basso.
Design ad alta densità: Una larghezza/spazio minimo delle tracce di 3/3 mil e vias di 6 mil (0,15 mm) sono producibili da circa 70% di produttori, a un costo leggermente superiore.

2. Evitare le tracce acute/angolate

Le tracce ad angolo acuto sono severamente vietate nel routing dei circuiti stampati.
Le tracce ad angolo retto possono influire sull'integrità del segnale creando capacità e induttanza parassite aggiuntive.
Durante la fabbricazione dei PCB, possono formarsi "trappole acide" in corrispondenza degli angoli acuti in cui si incontrano le tracce, con conseguente sovraincisione e potenziale rottura delle tracce.
Mantenere un angolo di 45 gradi per le curve di traccia.

3. Gestione delle scaglie e delle isole di rame

Grandi isole di rame isolate possono fungere da antenne, introducendo disturbi e interferenze.
Piccole schegge di rame possono staccarsi durante l'incisione e andare a finire in altre aree incise, causando cortocircuiti.

4. Requisiti dell'anello anulare per le punte

La progettazione dell'anello anulare (l'anello di rame attorno al foro) deve tenere conto delle tolleranze di produzione:

I vial richiedono un anello anulare superiore a 3,5 mil per lato.
I perni a foro passante richiedono un anello anulare superiore a 6 mil.
Anelli anulari insufficienti possono causare rotture e circuiti aperti a causa delle tolleranze di foratura e di registrazione da strato a strato.

5. Aggiunta di gocce di lacrime alle tracce

Il design a goccia migliora la robustezza delle connessioni dei circuiti:

Impedisce che i punti di connessione si rompano quando la scheda subisce uno stress fisico.
Protegge le piazzole dal distacco durante più cicli di saldatura.
Previene le crepe causate da un'incisione non uniforme o da una registrazione errata.

La sinergia tra DFM e DFT

Nella produzione di PCB, la progettazione per la testabilità (DFT) e la progettazione per la producibilità (DFM) sono entrambe fondamentali per il successo:

DFT (Design for Testability): Si concentra sulla semplificazione dei test dei PCB per individuare eventuali guasti, ad esempio aggiungendo punti di test per la verifica dell'integrità del segnale.
DFM (Design for Manufacturability): Assicura che il progetto sia ottimizzato per una produzione e un assemblaggio efficienti.

Le ricerche indicano che il collaudo può rappresentare 25-30% del costo totale di produzione dei PCB, mentre scelte progettuali sbagliate possono aumentare gli scarti di produzione fino a 10%. L'applicazione sinergica di DFM e DFT contribuisce efficacemente a ridurre questi costi.

Pratiche integrate di DFT e DFM

Strategia di posizionamento dei componenti: Il mantenimento di una distanza sufficiente tra i componenti (ad esempio, almeno 0,5 mm) facilita l'assemblaggio (DFM) e garantisce un accesso senza ostacoli alle sonde di prova (DFT).
Progettazione del punto di prova: L'aggiunta di punti di test per le reti critiche (ad esempio, i segnali ad alta velocità a 2,5 GHz) favorisce il rilevamento dei guasti (DFT) e guida i produttori nella regolazione dei processi di assemblaggio (DFM).
Standardizzazione dei materiali: L'uso di materiali ampiamente accettati (ad esempio, FR-4 con una costante dielettrica di 4,5) favorisce una produzione economicamente vantaggiosa (DFM) e garantisce risultati di test coerenti (DFT).

Linee guida DFM fondamentali per Produzione PCB

1. Ottimizzazione della larghezza e della spaziatura delle tracce

In genere si raccomanda una larghezza e una spaziatura minima delle tracce di 6 mil per evitare sovraincisioni o cortocircuiti.
I progetti a più alta densità possono utilizzare tracce più strette, ma questo aumenta i rischi e i costi di produzione.

2. Uso di dimensioni standard dei componenti

Preferire i pacchetti di componenti standard come 0603 o 0805.
Le dimensioni non standard complicano l'assemblaggio e aumentano il rischio di errori con le apparecchiature automatiche.

3. Principio di minimizzazione del numero di strati

Ridurre il numero di strati, ove possibile, pur rispettando le esigenze di prestazione (ad esempio, da 8 strati a 6).
Ogni strato aggiuntivo aumenta i costi e i tempi di produzione.

4. Impostazione di tolleranze realistiche

Evitare requisiti di tolleranza troppo rigidi.
La maggior parte dei processi standard può raggiungere una tolleranza di ±10%; le specifiche più strette aumentano significativamente i costi.

5. Marcature serigrafiche trasparenti

Includere etichette chiare per i componenti, i punti di test e i segni di polarità.
Mantenere un'altezza minima del testo di 0,8 mm per garantire la leggibilità dopo la stampa.

Metodi professionali di ispezione e analisi DFM

Il servizio di analisi DFM di TOPFAST valuta in modo completo i progetti di PCB rispetto ai parametri del processo produttivo:

Analisi della scheda nuda PCB: 19 categorie principali, 52 regole di ispezione dettagliate.
Analisi dell'assemblaggio PCBA: 10 categorie principali, 234 regole di ispezione dettagliate.

Queste regole di ispezione coprono essenzialmente tutti i potenziali problemi di producibilità, aiutando gli ingegneri progettisti a identificare e risolvere i problemi di DFM prima dell'inizio della produzione.

Fondamenti del processo PCB e flusso di produzione

Comprendere la struttura dei pannelli multistrato

I PCB sono classificati come monofacciali, bifacciali o multistrato. Le schede multistrato sono costituite da lamine di rame, preimpregnati (PP) e laminati centrali:

Tipi di fogli di rame: Laminato ricotto (spesso utilizzato per i pannelli flessibili), elettrodepositato (spesso utilizzato per i pannelli rigidi).
Conversione dello spessore: 1 OZ = 35μm (OZ è un'unità di peso). Per gli strati esterni si usa comunemente rame da 1/2 oz.
Tecnologie di base per schede multistrato: Progettazione di stack-up e processi di perforazione.

Flusso di produzione dei pannelli multistrato

Realizzazione dello strato interno: Essenzialmente un processo di stampa su un solo lato che prevede l'esposizione ai raggi UV, lo sviluppo e l'incisione.
Stratificazione / laminazione: I fogli di rame, PP e anima sono allineati e pressati a caldo per formare una struttura multistrato.
Foratura / Placcatura: Creazione di vias (foro passante, cieco, interrato) per stabilire connessioni elettriche tra gli strati.
Maschera di saldatura / Finitura superficiale: Applicazione della maschera di saldatura per proteggere gli strati di rame esterni, seguita dall'apertura della maschera di saldatura e dall'applicazione della finitura superficiale.

File di progettazione essenziali

La progettazione di PCB richiede la preparazione di quattro file fondamentali:

Disegno di fabbricazione/disegno di massima (formato DXF per il profilo meccanico).
Lima per trapano / Lima per trapano NC (per la realizzazione di fori).
File Gerber / File di fotoplottatura (dati per la grafica dei livelli, le dimensioni e le posizioni).
File Netlist (definisce la connettività dei segnali per le tracce di livello).

Progettazione PCBA e instradamento del processo

Saldatura a riflusso: Utilizzato principalmente per i componenti SMT.
Saldatura a onda: Tipicamente utilizzato per i componenti a foro passante.
Progettazione del percorso di processo: Selezione della combinazione appropriata di processi di saldatura in base ai tipi di componenti e alla distribuzione.

Conclusioni: Il valore strategico del DFM nello sviluppo dei PCB

La progettazione per la producibilità dei circuiti stampati si è trasformata da una mera considerazione della produzione in un elemento strategico fondamentale per il successo del prodotto. Integrando i principi del DFM nel processo di progettazione, le aziende possono ridurre significativamente i costi di produzione, migliorare la qualità del prodotto e ridurre il time-to-market. TOPFAST raccomanda di introdurre l'analisi DFM fin dalle prime fasi del ciclo di vita del progetto per garantire una perfetta integrazione tra le intenzioni progettuali e la realtà produttiva, ottenendo così una produzione di PCB efficiente, economica e di alta qualità.

La revisione professionale del DFM agisce come un "controllo di qualità del progetto", allineando perfettamente i progetti creativi degli ingegneri con le capacità pratiche di processo delle fabbriche, assicurando la produzione di circuiti stampati che soddisfano sia i requisiti delle specifiche sia l'eccellente producibilità.

Domande frequenti sul DFM dei PCB

Q: Abbiamo eseguito i controlli DFM fin dalle prime fasi della progettazione. Perché il produttore ha ancora sollevato problemi di DFM dopo che gli abbiamo inviato i file Gerber?

R: Si tratta di una situazione molto comune. Il motivo risiede nelle potenziali differenze tra gli standard DFM utilizzati dal team di progettazione e quelli del produttore di PCB. I vostri controlli interni precoci potrebbero essere basati su regole DFM generiche o storiche, mentre il produttore applica regole basate sulle proprie norme. attrezzature specifiche, capacità di processo e inventario dei materiali. Ad esempio, si potrebbe seguire una regola generica di 4/4 mil di traccia/spazio, ma per una specifica area di spessore del rame sulla scheda, il processo di incisione del produttore potrebbe richiedere una spaziatura minima di 5 mil per una resa ottimale. È fondamentale collaborare con il produttore e ottenere le sue indicazioni. linee guida specifiche per la progettazione.

Q: Esiste una distinzione tra "producibilità" e "assemblabilità" nel contesto dei PCB?

R: Sì, anche se strettamente correlate, c'è una sottile differenza:
Produttività si riferisce tipicamente al processo di fabbricazione della scheda nuda. Comprende processi come l'incisione, la laminazione, la foratura e la placcatura. Le questioni rilevanti includono la larghezza minima della traccia, gli anelli anulari, la distanza tra i fori e il rame, ecc.
Assemblabilità si riferisce al processo di collocazione di componenti sulla scheda nuda finita. Comprende la stampa della pasta saldante, il posizionamento dei componenti e la saldatura a riflusso. Tra le questioni rilevanti vi sono la spaziatura dei componenti, la progettazione delle piazzole, la compatibilità con l'impronta e l'orientamento per la saldatura a onda.
Una scheda perfettamente producibile può fallire durante l'assemblaggio se i componenti sono posizionati troppo vicini per essere saldati correttamente. Un'analisi DFM completa deve coprire sia gli aspetti di fabbricazione che quelli di assemblaggio.

Q: Quali sono i suggerimenti più critici per il DFM nei progetti sensibili ai costi?

R: Le principali pratiche di DFM per l'ottimizzazione dei costi includono:
Ridurre al minimo il numero di strati: Ogni strato aggiuntivo aumenta significativamente i costi.
Utilizzare dimensioni dei fori e pacchetti di componenti standard: Evitare dimensioni non standard che richiedono utensili o processi speciali.
Rilassamento delle tolleranze: Specificare le tolleranze strette solo se necessario. Utilizzare le tolleranze standard del produttore per impostazione predefinita.
Optate per larghezze e spaziature maggiori delle tracce: Seguire una regola di 4/4 mil invece di 3/3 mil può ridurre i costi e migliorare la resa.
Ottimizzare l'utilizzo dei pannelli: Collaborare con il produttore per una disposizione dei pannelli che riduca al minimo lo spreco di materiale.

Q: Come gestire la DFM per progetti ad alta frequenza o ad alta velocità? Questi requisiti sono spesso in conflitto con la DFM standard?

R: A volte possono entrare in conflitto e richiedono un attento bilanciamento. I progetti ad alta frequenza spesso richiedono:
Controllo rigoroso dell'impedenzache possono richiedere larghezze di traccia, spaziature e spessori dielettrici specifici che superano le capacità di processo standard.
Utilizzo di materiali specializzatiche potrebbero essere più costosi o richiedere parametri di processo modificati.
Vias ridotti al minimoPoiché i vias introducono discontinuità di impedenza e problemi di integrità del segnale.
La soluzione è quella di lavorare con ingegneri che capiscano sia prestazioni elettriche e processi di produzionee di coinvolgere il produttore di PCB fin dalle prime fasi. Questi ultimi possono consigliare come ottenere i requisiti elettrici utilizzando strutture realizzabili nell'ambito delle loro capacità di processo.

Q: Le nostre librerie di componenti provengono da fonti affidabili. Perché i simboli delle librerie possono ancora causare problemi di DFM?

R: Anche le librerie "standard" possono avere dei difetti per motivi quali:
Geometria del cuscinetto non corretta: Le dimensioni o la forma delle piazzole potrebbero non essere adatte a un processo di saldatura affidabile, con conseguente "tombstoning" o giunti di saldatura scadenti.
Mancano i rilievi termici: Per i componenti che devono essere collegati a un piano di massa, la mancanza di rilievi termici può causare problemi di saldatura.
Scarsa nitidezza della serigrafia: I contorni dei componenti o i marcatori di polarità potrebbero essere posizionati sopra le piazzole, causando ambiguità durante l'assemblaggio.
Mancanza di corrispondenza con lo stencil della pasta di saldatura: Il design della piazzola potrebbe non essere ottimizzato per una deposizione ottimale della pasta saldante.

È essenziale verificare e aggiornare regolarmente le librerie di componenti rispetto a Gli standard IPC e le raccomandazioni del produttore/assemblatore. L'analisi DFM di TOPFAST include controlli per questi problemi comuni di ingombro della libreria.