Die Zuverlässigkeit elektronischer Produktdesigns ist entscheidend. Das Herstellbarkeitsdesign umfasst drei Schlüsselaspekte: PCB-Herstellbarkeitsdesign, PCBA-Montagedesign und kosteneffizientes Fertigungsdesign. Das PCB-Herstellbarkeitsdesign konzentriert sich dabei auf die Fertigungsperspektive von Leiterplatten und berücksichtigt Prozessparameter zur Verbesserung der Produktionsausbeute und Senkung der Kommunikationskosten. Zu den Designaspekten gehören Linienbreite und -abstand sowie Loch-zu-Linien- und Loch-zu-Loch-Abstände, die alle in der Designphase berücksichtigt werden müssen.
Die Bedeutung des PCB-Designs
Bei der Entwicklung elektronischer Produkte dient die Leiterplatte als physisches Medium für den Designinhalt und ermöglicht die Umsetzung aller Designziele und Produktfunktionen. Daher ist das Leiterplattendesign ein unverzichtbares Bindeglied in jedem Projekt. Das fertigungsgerechte Design von Leiterplatten erfordert die Aufmerksamkeit der Ingenieure, um sicherzustellen, dass das Design den Fertigungsmöglichkeiten entspricht.
Häufige Designfehler
Nach Abschluss des PCB-Designs wird die physische Leiterplatte hergestellt. Oftmals kann die entworfene Leiterplatte aufgrund von Unstimmigkeiten zwischen Designprozess und Produktionsanlagen nicht hergestellt werden. Um solche Probleme zu vermeiden, müssen Konstrukteure die Möglichkeiten des Produktionsprozesses bereits in der Entwurfsphase verstehen.
Rolle der DFM-Analyse
Die Analysesoftware „Design for Manufacturability“ (DFM) führt anhand der Parameter des Produktionsprozesses Herstellbarkeitsprüfungen an der entworfenen Leiterplatte durch. Sie hilft Konstrukteuren, potenzielle Herstellbarkeitsprobleme vor der Produktion zu erkennen und dient als Brücke zwischen Design und Fertigung.
Fallstudien zu DFM-Inspektionsartikeln
Die Software zur Herstellbarkeitsanalyse von wonderfulpcb DFM Services hat 19 Hauptpunkte und 52 detaillierte Prüfregeln für die Analyse unbestückter Leiterplatten entwickelt. Diese Regeln decken ein breites Spektrum potenzieller Fertigungsprobleme ab. Nachfolgend finden Sie einige klassische Fälle, in denen die DFM-Analyse Anwendern bei der Problemlösung geholfen hat:
1. Allegro Design File Kurzschluss
Bei der DFM-Inspektion des Stromnetzes wurde ein Kurzschluss zwischen der Stromversorgung und der Erde festgestellt. Bei der Überprüfung der PCB-Datei in Allegro stellte sich heraus, dass die Wärmeableitungs-Erdungslöcher zweier SMD-Pads mit der Versorgungsschicht kurzgeschlossen waren und die Erdungslöcher in der Versorgungsschicht nicht isoliert waren, was zu einem Kurzschluss führte.
2. PADS Designdatei 2D-Leitungskurzschluss
Die DFM-Prüfung des elektrischen Netzwerks ergab einen Kurzschluss zwischen Stromversorgung und Masse. Die Überprüfung durch den Layoutingenieur ergab, dass eine 2D-Linie auf der fünften Ebene bei der Konvertierung der Gerber-Datei nicht gelöscht wurde, was zu einem Kurzschluss im elektrischen Netzwerk führte.
3. Offener Schaltkreis der Altium-Designdatei
Die DFM-Prüfung des elektrischen Netzwerks ergab einen offenen Stromkreis im gesamten Erdungsnetzwerk der zweiten Schicht. Beim Öffnen der Datei mit Altium Designer zeigte sich, dass die gesamten Erdungslöcher von der Kupferfolie isoliert waren, was zu einem offenen Stromkreis im Erdungsnetzwerk führte.
4. Lötmaskenfenster fehlt
Die DFM-Lötmaskenfenster-Prüfung ergab, dass die Lötmaske in den zum Löten vorgesehenen Bereichen fehlte. Ohne Fenster in der Lötmaske kann der Bereich nicht gelötet werden, was zu potenziellen Montageproblemen führen kann.
5. Fehlende Bohrungen
Die Prüfung auf fehlende Bohrungen ergab fehlende Löcher für DIP-Bauelement-Pins. Ohne diese Löcher können DIP-Bauelemente nicht eingesetzt und gelötet werden. Wird nachträglich gebohrt, kann es sein, dass die Kupferbeschichtung fehlt, was zu einem nicht behebbaren offenen Stromkreis führt.
DFM-Erkennungsfunktionen
1. Schaltungsanalyse
Mindestlinienbreite: Konstrukteure müssen sicherstellen, dass die Leiterbahnbreiten für den erwarteten Strom ausreichen. Eine unzureichende Leiterbahnbreite kann zu Überhitzung und möglichen Ausfällen führen.
Mindestabstand: Ein ausreichender Abstand zwischen den Leiterbahnen ist unerlässlich, um Kurzschlüsse und Signalstörungen zu vermeiden. Der Abstand sollte den Spannungsanforderungen und Fertigungsmöglichkeiten entsprechen.
SMD-Abstand: Der richtige Abstand zwischen den SMD-Pads ist entscheidend, um Lötbrücken zu vermeiden und zuverlässige Verbindungen sicherzustellen.
Pad Größe: Die Abmessungen der Pads beeinflussen die Lötqualität. Zu kleine Pads können zu schlechten Lötverbindungen führen, während zu große Pads zu einer Fehlausrichtung der Bauteile führen können.
Gitterverkupferung: Während eine Gitterverkupferung die Wärmeableitung verbessern kann, können zu kleine Gitterabstände und Linienbreiten die Herstellungsprozesse erschweren.
Lochringgröße: Für ein einwandfreies Löten ist eine ausreichende Lochringgröße erforderlich. Kleine Lochringe können zu Lötschwierigkeiten führen, während kleine Durchgangslochringe zu Unterbrechungen im Stromkreis führen können.
Loch zur Linie: Ein unzureichender Abstand zwischen Löchern und Leiterbahnen kann aufgrund von Prozesstoleranzen zu Kurzschlüssen während der Herstellung führen.
Elektrisches Signal: Konstruktionsfehler wie unterbrochene Leiterbahnen oder scharfe Winkel können zu Fertigungsproblemen und Problemen mit der Signalintegrität führen.
Kupfer bis zum Rand der Platine: Wenn sich Kupferleiterbahnen zu nahe an der Platinenkante befinden, kann dies beim Formen zu Freilegungen und potenziellen Installationsproblemen führen.
Polster auf dem Loch: Pads mit Löchern können die Lötqualität und die Komponentenplatzierung beeinträchtigen.
Offener Kurzschluss: Um Funktionsausfälle zu vermeiden, ist es wichtig, Unterbrechungen oder Kurzschlüsse aufgrund von Konstruktionsfehlern zu erkennen.
2. Bohranalyse
Bohröffnung: Kleine Bohrlochgrößen können die Produktionskosten erhöhen und die Fertigungskapazitäten möglicherweise übersteigen.
Loch zu Loch: Zu geringer Abstand zwischen den Löchern kann zum Brechen des Bohrers und zu Kurzschlüssen führen.
Loch bis Brettkante: Löcher, die zu nahe an der Platinenkante liegen, können zum Brechen des Lötrings führen und die Lötqualität beeinträchtigen.
Lochdichte: Eine hohe Lochdichte kann die Produktionszeit und -kosten erhöhen. Eine übermäßige Lochdichte kann sich auch auf Preis und Lieferzeiten auswirken.
Spezielle Löcher: Spezielle Löcher wie Halblöcher oder quadratische Löcher erfordern bei der Konstruktion besondere Aufmerksamkeit, um die Herstellbarkeit sicherzustellen.
Undichte Löcher: Konstruktionsfehler wie fehlende Bohrlöcher können zu Unterbrechungen im Stromkreis oder Problemen bei der Montage führen.
Überzählige Löcher:
