Проектирование печатной платы — это легкая часть. Правильное ее изготовление? Вот где все часто разваливается. Вы можете потратить дни на создание идеальной компоновки. Но если вы проигнорируете производственный процесс, ваш проект не пройдет стадию изготовления. Или, что еще хуже, он будет собран неправильно.
Вот почему PCB DFM, или проектирование печатных плат для технологичности, имеет большое значение. Это не запоздалая мысль. Это образ мышления. Такой, который гарантирует, что ваша печатная плата не только функциональна, но и физически технологична — без задержек, ошибок или сюрпризов.
Давайте разберемся, что на самом деле означает DFM для проектирования печатных плат и почему каждому серьезному инженеру-разработчику оборудования необходимо знать этот метод правильно.
Что такое DFM в печатных платах?
DFM (Design for Manufacturability) означает именно то, что звучит. Он разработан с учетом производственного процесса.
В проектировании печатных плат это включает в себя весь жизненный цикл — от изготовления до сборки. Вы не просто думаете о дорожках и сетях. Вы думаете о:
• Насколько малые отверстия может надежно просверлить производитель?
• Какую массу меди они используют?
• Будет ли паяльная маска правильно выровнена?
• Как доска разделяется на панели?
• А если компоненты действительно можно разместить и припаять?
DFM — это устранение трения между проектировщиком и заводским цехом. Он предотвращает ошибки до того, как они произойдут. И нет, ваш инструмент EDA не будет автоматически обрабатывать это за вас. Это миф.
Вам необходимо активно применять правила и ограничения DFM во время компоновки. Вам необходимо сопоставлять свои дизайнерские решения с возможностями поставщиков услуг по изготовлению и сборке. Если вы этого не сделаете, вы можете получить нежелательный звонок.
Почему DFM имеет решающее значение для проектов печатных плат
Будем откровенны: DFM может создать или разрушить проект оборудования. У вас может быть полностью смоделированная, безошибочная схема. Макет, прошедший все проверки ERC и DRC. Но ваша плата все равно выходит из строя во время производства.
Почему? Потому что конструкция не была оптимизирована для реального производства. Вот что может произойти без надлежащего DFM:
• Плата бракуется производителем для отслеживания нарушений ширины.
• Напильники для сверл не соответствуют инструментам производителя.
• Размещение компонентов невозможно из-за расстояния или ориентации.
• Неправильное выравнивание паяльной маски приводит к коротким замыканиям.
• Структуры переходных отверстий не поддерживаются стеком производителя.
Каждая маленькая проблема складывается. Больше времени. Больше риска. Иногда даже полная перестановка платы. Это не какое-то теоретическое предупреждение. В 2023 году более половины задержек PCB были связаны с ошибками DFM, которых можно было бы избежать.
Пропуск рекомендаций DFM не экономит время. Это стоит вам времени. Вот что обычно происходит:
• Вы платите надбавку за срочность, чтобы устранить неполадки, возникшие в последнюю минуту.
• Ваши инженеры тратят часы на устранение неполадок.
• Вы пропускаете сроки, которые имели значение.
• Ваш контрактный производитель теряет доверие к вашей команде.
Но так быть не должно. Инженеры, которые строят с учетом DFM, выпускают свои платы быстрее, дешевле и надежнее. Это не шумиха. Это преимущество, которое большинство команд упускают из виду.
Ключевые области DFM в проектировании печатных плат
Итак, на чем следует сосредоточиться во время макета? Вот ключевые области, которые создают или разрушают технологичность:
1. Ширина дорожек и интервалы между ними
У каждого производителя печатных плат есть минимальная ширина дорожек и минимальное расстояние между медными проводниками. Они зависят от толщины меди, процесса травления и сложности платы. Если дорожки слишком тонкие, они могут быть перетравлены. Если расстояние слишком мало, вы рискуете закоротить.
Ваша трассировка должна соответствовать требованиям к изготовлению. Некоторые производители предлагают 4/4 мил (трасса/пространство), в то время как другим нужно 6/6 или больше. Всегда проверяйте. Используйте калькулятор ширины дорожки, чтобы правильно рассчитать размер дорожки для тока. IPC-2152 — хороший стандарт для соблюдения.
2. Размеры и типы отверстий
Не все переходные отверстия одинаковы.
У вас есть:
• Переходные отверстия
• Слепые и скрытые переходные отверстия
• Микроотверстия (для конструкций HDI)
Каждый из них имеет определенные ограничения по изготовлению. Вы не можете просто использовать крошечные микроотверстия и ожидать, что каждый производитель будет их поддерживать.
DFM означает знание типов переходных отверстий, их допусков и минимально необходимого зазора между сверлом и медью. Кроме того, избегайте использования переходных отверстий в контактной площадке без необходимости — это увеличивает стоимость и сложность сборки.
3. Геометрия накладки и кольцевое кольцо
Размеры контактных площадок должны быть рассчитаны на основе допусков как корпуса компонента, так и покрытия. Сквозное отверстие или сквозное отверстие без надлежащего кольцевого кольца представляет собой структурный риск. Кольцо обеспечивает электрическое и механическое соединение.
IPC рекомендует не менее 0.15 мм (6 мил) для кольцевого кольца. Ваш производитель может запросить больше, в зависимости от точности сверления. Это особенно критично для переходных отверстий и соединителей с прессовой посадкой.
4. Выравнивание паяльной маски и пасты
Паяльная маска определяет непроводящий слой, который покрывает вашу плату, оставляя отверстия для контактных площадок и переходных отверстий. Проблемы возникают, когда:
• Отверстие маски слишком маленькое и закрывает подушечку.
• Или слишком большой и обнажает слишком много меди.
Оба варианта приводят к плохим паяным соединениям или коротким замыканиям. Кроме того, слой паяльной пасты должен совпадать с контактной площадкой. Если отверстия трафарета не совпадают с отпечатком, во время оплавления у вас будут холодные соединения или надгробные плиты.
Используйте параметры расширения маски осторожно. Стандартные значения составляют 4–6 мил, но всегда уточняйте у производителя.
5. Размещение компонентов и зазоры
DFM также означает размещение компонентов там, где их можно собрать и спаять. Вам необходимо:
• Не размещайте детали слишком близко к краям платы.
• Оставьте место для работы подъемно-транспортных машин.
• Соблюдайте рекомендации по ориентации для QFN-, BGA- и поляризованных деталей.
• Соблюдайте тепловой и механический зазор.
Плотная компоновка может работать электрически. Но если ваш CM не может правильно разместить или переплавить детали, это провал.
Распространенные ошибки без DFM
Пропустить DFM — это как построить дом, не проверив, подходят ли двери. В представлении CAD все может выглядеть отлично. Но когда дело доходит до производителя, проблем становится еще больше.
Вот некоторые из наиболее распространенных и дорогостоящих ошибок, которые все еще допускают инженеры DFM:
1. Нарушение производственных допусков
У каждого производственного цеха есть окно процесса. Минимальное расстояние. Минимальный размер сверла. Зазор между медью и краем платы. Если вы игнорируете эти спецификации, вы заставляете производителя либо:
• Отклонить доску.
• Подправьте его сами (что вам не понравится).
• Или, что еще хуже, изготовить его с дефектами.
Слишком малая ширина дорожки? Это может привести к перетравливанию или разрыву цепей. Размеры отверстий не соответствуют спецификации? Ожидайте низкого качества покрытия. Это основные нарушения правил DFM, и тем не менее они происходят постоянно.
2. Сложные стеки без поддержки процесса
Многослойные платы — мощные, но рискованные, если не спроектированы правильно. Слепые и скрытые переходные отверстия, переходные отверстия в контактной площадке и микропереходные отверстия — все это звучит круто на бумаге. Однако не каждый производитель может их построить. А если и может, то это будет вам дорого стоить.
Если ваш стек слоев не определен должным образом с реалистичными спецификациями материалов и диэлектрическими значениями, вам, возможно, придется перепроектировать все заново. Всегда перепроверяйте возможности производителя, прежде чем завершить стек.
3. Неподходящие кольцевые кольца
Кольцевое кольцо — это медная прокладка, окружающая просверленное отверстие. Если кольцо слишком узкое, это становится проблемой текучести. Особенно в переходных отверстиях или контактных площадках сквозных отверстий.
Сквозное отверстие, которое едва удерживает медь вокруг отверстия, треснет под напряжением. Или даже во время оплавления. Стандарты IPC рекомендуют минимальные значения, но лучше оставить запас.
4. Шелкография внахлест
Да, это просто. Но это все еще вызывает серьезные проблемы. Текст на контактных площадках сгорает и оставляет следы. Идентификаторы компонентов, напечатанные под деталями, совершенно бесполезны. А загроможденные слои шелкографии сбивают с толку техников по сборке. Правильный DFM включает проверки шелкографии в качестве стандарта.
5. Отсутствие рассмотрения панельизации
Если на вашей плате нет инструментальных отверстий, реперных точек или отрывных язычков, вашему сборщику придется импровизировать. Это никогда не заканчивается хорошо.
Вы должны проектировать для панельизации. Это включает в себя оставление пространства между блоками, обработку рельсов и рассмотрение того, как доски будут разделены. Пропуск этого шага добавляет время и стоимость позже.
6. Забывание тестовых точек доступа
Если вы не предоставите контрольные точки для основных сигналов, как ваша команда по контролю качества будет проверять непрерывность? Или шины питания? Или ключевые сигналы?
Проектирование для тестирования (DFT) перекрывается с DFM. Каждая хорошо продуманная печатная плата должна включать в себя надлежащие контактные площадки, удобные для зондов, или сквозной доступ для функционального тестирования.
Как применять DFM в рабочем процессе печатных плат
Итак, теперь вы знаете о рисках. Давайте перевернем это — как на самом деле применять DFM во время разработки реальной печатной платы? Вот практический поток, который используют многие профессиональные команды дизайнеров:
Шаг 1: Выберите производителя заранее
Прежде чем приступить к макетированию, определитесь, кто будет производить ваши платы. У каждого цеха свои допуски на процесс. Не проектируйте вслепую. Получите их руководства DFM, шаблоны стека и возможности переходов заранее.
Спросить:
• Таблицы сверлильных станков
• Варианты толщины меди
• Минимальный интервал
• Примеры стека слоев
• Требования к паяльной маске и шелкографии
Это сэкономит вам часы догадок и доработок в будущем.
Шаг 2: Настройте ограничения DFM в вашем инструменте EDA
Современные инструменты EDA, такие как Altium, KiCad и OrCAD, позволяют встраивать правила проектирования в сам проект.
Установить ясно:
• Правила оформления
• Ограничения по размеру сверла
• Таблицы ширины трассы (на основе текущих)
• Минимальные значения кольцевых размеров
• Расширение паяльной маски
Выполнение этого с самого начала поможет вам обнаружить ошибки DFM во время проектирования, а не после.
Шаг 3: Используйте посадочные места компонентов, проверенные производителем
Избегайте DIY-отпечатков, если вы не уверены на 100%. Используйте библиотеки, которые соответствуют IPC-7351 или проверены вашим CM (контрактным производителем).
Убедитесь, что:
• Размеры колодок соответствуют спецификации
• При необходимости добавляются термические рельефы.
• Полярность и индикаторы контакта 1 верны
• Включены двор и зоны для посторонних.
Плохие следы — тихий убийца. Многие проблемы DFM начинаются здесь.
Шаг 4: Проведите реальный DFM-анализ перед финальным Gerber-файлом
Этот шаг не подлежит обсуждению. Перед отправкой файлов производителю выполните полный анализ DFM. Некоторые инструменты, такие как Valor NPI, DRC Altium Designer или сторонние сервисы, такие как инструмент DFM Sierra Circuits, могут помочь.
Они проверяют:
• Допуски на изготовление
• Зазоры между сверлом и медью
• Выравнивание маски
• Расстояние между компонентами
• Через типы и количества
• Покрытие паяльной пастой
Некоторые производители печатных плат предлагают бесплатный анализ DFM как часть сметы. Воспользуйтесь этой услугой. Лучше услышать это от программного обеспечения, чем от человека, который звонит с плохими новостями.
Шаг 5: Привлеките Дом собраний как можно раньше
Не ждите, пока платы вернутся от производителя. Поделитесь своей компоновкой и спецификацией с командой по сборке, прежде чем завершить плату.
Они отметят:
• Проблемные ориентации деталей
• Нечетные типы пакетов
• Сложные размещения
• Реперное позиционирование
• Проблемы с дизайном трафарета для пасты
Хорошая коммуникация спасает здания.
Шаг 6: Встраивайте DFM в каждую ревизию
DFM — это не то, что вы делаете один раз. Каждая ревизия должна соответствовать правилам DFM. Соблюдайте настройки DRC в соответствии с ограничениями производителя. И каждый раз, когда ваш стек меняется, перепроверяйте структуры сквозных отверстий, ширину трасс и зазоры. DFM — это не флажок. Это непрерывный процесс.
Заключение
Печатная плата может функционировать на бумаге. Но чтобы работать в реальном мире — в масштабе, при нагревании, нагрузке и реальных производственных допусках — она должна быть технологичной.
Вот тут-то и появляется DFM. Это не модно. Это не делает вашу доску красивее. Но это делает ее реальной. Это экономит затраты. Это предотвращает ошибки. И это держит вашу временную шкалу под контролем.
Лучшие инженеры проектируют для цеха, а не только для лабораторного стола. Если вам нужны надежные сборки и предсказуемые результаты — сделайте DFM частью вашего процесса проектирования.
