Pregled
Industrija potrošačke elektronike uveliko ovisi o pouzdanosti uređaja. Simulacija i testiranje su dva alata koja omogućavaju dizajnerima da osiguraju ispravan rad proizvoda. Dobar dizajn mora predvidjeti potrebe cijelog štampanog ploca i osigurati sve što je potrebno za njihovo zadovoljavanje. Čvrste prakse dizajna DFT, DFM i DFA ključne su za izradu ploca koja se može pouzdano proizvoditi i koristiti.
Dizajneri moraju dodati testne tačke i druge testne elemente na štampanu ploču kako bi tehničari mogli izvršiti provjere tokom faze testiranja. Dobar dizajn također mora zadovoljiti pravila koja olakšavaju proizvodnju i montažu ploče. Rano ulaganje vremena u šemu i simulaciju može skratiti vrijeme razvoja i učiniti konačni proizvod pouzdanijim.
Dizajn za testiranje (DFT)
Testiranje i inspekcija su ključni koraci u životnom ciklusu PCB proizvoda. DFT znači dodavanje elemenata poput testnih tačaka na PCB kako bi se olakšalo testiranje funkcije kola. Dodatne testne tačke pomažu inženjerima da provjere ploču nakon što je izgrađena. Cilj je pronaći i potvrditi sve proizvodne greške koje bi mogle spriječiti ispravan rad proizvoda.
Ključne DFT ideje
Dvije ključne ideje u DFT-u su kontrolabilnost i opazivost:
- Upravljivost: Sposobnost postavljanja određenih čvorišta ili ulaza u krugu na poznato stanje ili logičku vrijednost.
- Opazivost: Mogućnost pregleda stanja ili logičke vrijednosti unutrašnjih čvorova ili izlaza.
Ove dvije ideje omogućavaju inženjerima da projekt postave u poznato početno stanje, a zatim da kontroliraju i prate unutrašnje signale. To pomaže provjeriti radi li uređaj kako treba. Testovi potom mogu otkriti funkcionalne greške ili proizvodne nedostatke.
Uobičajeni funkcionalni kvarovi i provjere
- Jedan funkcionalna greška odnosi se na netačan ili loš izlaz iz sistema, uzrokovan lošim ponašanjem kola ili ponovljenim funkcionalnim greškama.
- Greške se mogu ispraviti prilagodbama koda ili manjim izmjenama, ali ozbiljne greške ukazuju na potrebu za izmjenama u dizajnu.
- Proces detaljne dijagnostike kvarova naziva se Analiza modova otkaza (FMA).
- Tokom funkcionalnog testiranja inženjeri također provjeravaju usmjerene struje, napone na pinovima, nivoe snage, signale prebacivanja i tajming signale, te temperaturu ploče.
Uobičajeni proizvodni nedostaci
Proizvodni nedostaci proizlaze iz problema kao što su višak metalnih ostataka na ploči, loše pozlatiti, kontaminacija u lemnim spojevima i dielektrični problemi. Ovi problemi mogu dovesti do kratkih spojeva, otvorenih krugova, slabih lemnih spojeva ili kvara izolacije. Ključno je projektovati tako da se rizik od takvih nedostataka minimizira i olakša njihova detekcija ukoliko se pojave.
Dva načina za dodavanje DFT funkcija
1. Privremena tehnika
- Dodaje testne značajke bez većih promjena u izvornom dizajnu.
- Koristi privremene testne tačke za testiranje uređaja bez dodavanja brojnih trajnih testnih padova.
- Prednosti: isplativo, brzo za implementaciju, pogodno za rane proizvodne serije i prototipove.
2. Strukturna tehnika
- Trajno rješenje koje integriše namjenske testne tačke u dizajn ploče.
- Prednosti: Pojednostavljuje otklanjanje grešaka; ako dođe do greške, trajni testni priključci olakšavaju lociranje i otklanjanje problema.
- Najbolje za detekciju proizvodnih nedostataka velikih razmjera.
ICT — test u krugu
- ICT (test u krugu) Obično koristi uređaj sa gredom čavala.
- Funkcije: mjeri otpor, kapacitivnost i druge vrijednosti pasivnih komponenti; provjerava funkcionalnost analognih komponenti (npr. pojačala, oscilatori); otkriva uobičajene probleme poput kratkih spojeva, otvorenih krugova ili neispravnih komponenti.
- Tipična konfiguracija: uključuje tester, držač i softver za testiranje.
Test letećom sondom
- Jednostavan i efikasan oblik IKT-a.
- Ključne karakteristike: sondi se mogu slobodno pomicati po tiskanoj pločici (PCB) kako bi dodirnule potrebne testne tačke; nije potreban fiksni držač, što ga čini isplativim za proizvodnju u malim serijama ili za prototipove.
- Prednost: Za promjene u dizajnu testne tačke ne zahtijevaju hardverske izmjene—potrebno je samo ažuriranje testnog programa.
Dizajn za proizvodnju (DFM)
Dostupnost komponenti i metode proizvodnje variraju ovisno o kompaniji i zemlji. Elektromagnetska kompatibilnost (EMC) je još jedan obavezni standard za uređaje prije nego što se mogu staviti na tržište. Dizajneri moraju osigurati da je dizajn usklađen s dostupnim proizvodnim procesima, da upotrebljive komponente mogu ispuniti potrebne funkcije i da konačni raspored zadovoljava specificirane zahtjeve za veličinom i oblikom. DFM (Dizajn za proizvodnju) uključuje planiranje i dizajniranje proizvoda kako bi se omogućila jednostavna i jeftina proizvodnja.
DFM ciljevi
DFM pomaže ubrzati proizvodnju PCB-ova, smanjiti vrijeme i troškove proizvodnje. Ispod su ključne provjere i najbolje prakse za DFM:
1. Izbor komponenti
- Standardni komponente su pouzdanije i isplativije od prilagođenih komponenti, čime se povećava vrijednost proizvoda.
- Korištenje standardnih komponenti pojednostavljuje logistiku: zamjena je lakša u slučaju kvara u odnosu na prilagođene komponente.
- Standardne komponente obično imaju jasne tolerancije i dobru lemljivost.
2. Oblik i raspored odbora
- Pridržavajte se zahtjeva kupca za oblikom i veličinom.
- Razmotrite raspored konektora i grupirajte krugove prema potrebama za napajanjem, frekvencijom i rutiranjem.
- Postavite funkcionalno povezane komponente blizu kako biste smanjili dužinu traga i smetnje.
3. Smanjite broj dijelova
- Smanjenje broja komponenti smanjuje troškove i pojednostavljuje proizvodnju, a potencijalno i broj slojeva na PCB-u.
- Odredite broj slojeva na osnovu površine ploče, raspoređivanja napajanja, integriteta signala, zahtjeva za izolaciju i broja visokobrzinskih signala.
4. Ponovna upotreba elemenata dizajna
- Dizajnirajte ponovno upotrebljive komponente kako biste smanjili troškove (npr. dobro dizajnirana zemaljska ravan može poslužiti kao strukturni sloj, zaštita od elektromagnetskih smetnji i poboljšivač integriteta signala).
- Poštujte DFM pravila: minimalnu širinu staze, razmak između staza i ispravnu veličinu prstenastog prstena vijice.
5. Usklađenost i EMC
- Planirajte usklađenost EMC-a i potrošnje energije od početne faze dizajna kako biste poboljšali kvalitetu proizvoda i smanjili skupe dorade.
- Dopustite toleranciju za manje post-proizvodne promjene u veličini ploče ili rasporedu komponenti kako bi se izbjegle greške pri sklapanju ili u performansama.
6. Rukovanje i pakovanje
- Izbjegavajte asimetrične dizajne, koji mogu uzrokovati oštećenja tokom rukovanja (što dovodi do neuspjeha).
- Minimizirajte upotrebu krhkih ili previše fleksibilnih dijelova.
- Koristite sigurno, kompaktno pakovanje za zaštitu ploče tokom transporta i upotrebe.
Dizajn za montažu (DFA)
Elektronička industrija se oslanja na jednostavnost sklapanja komponenti. Uređaji se proizvode nabavkom lokalnih i globalnih dijelova i njihovim sklapanjem prema potrebi. Manje dijelova skraćuje vrijeme sklapanja; moduli dizajnirani za jednostavno sklapanje pojednostavljuju cijeli proces. DFA (dizajn za montažu) je pristup dizajnu koji prioritetno olakšava sastavljanje, pružajući značajne uštede troškova.
DFA najbolje prakse
1. Smanjiti raznolikost dijelova
- Koristite istu komponentu na više lokacija kako biste smanjili zalihe, pojednostavili operacije uzimanja i postavljanja i minimizirali greške.
2. Olakšajte postavljanje dijelova
- Odaberite komponente sa jasnim oznakama polariteta za jednostavnu orijentaciju.
- Oznake dizajna koje odgovaraju stvarnim dimenzijama komponenti i osiguravaju dovoljnu površinu padova za pouzdano lemljenje.
3. Logično grupirajte dijelove
- Komponente klastera koje zahtijevaju testiranje ili podešavanje.
- Rasporedite dijelove po funkciji kako biste omogućili uredno sklapanje i testiranje.
4. Dizajn za automatiziranu montažu
- Osigurajte kompatibilnost rasporeda sa mašinama za pick-and-place i pećnicama za reflow za automatizirane proizvodne linije.
- Održavajte ploču ravnom i izbjegavajte visoke komponente koje bi mogle ometati sklapanje susjednih dijelova.
5. Omogućite ručni rad
- Rezervirajte prostor za radnike kako bi imali pristup pločicama i konektorima za ručne faze sklapanja.
- Koristite fiducijalne oznake i prozirne markere za poravnanje opreme i osoblja.
6. Koristite dobar mehanički dizajn
- Oblik ploče za dizajn i montažne rupe za jednostavnu instalaciju u kućišta.
- Obezbijedite jasne tačke za montažu i izbjegavajte dizajne koji tokom instalacije uzrokuju naprezanje ploče.
Praktične provjere i primjeri
1. Širina trake i razmak
- Pratite Proizvođač štampanih pločica minimalni zahtjevi za širinu trake i razmak.
- Šire staze provode više struje i lakše se proizvode; dovoljno razmaknute staze smanjuju rizik od kratkog spoja.
2. Via Dizajn
- Odaberite odgovarajuću veličinu via i prstenasti prsten. Male via štede prostor, ali ih je teže obložiti i mogu biti manje pouzdane—uravnotežite veličinu i performanse.
3. Maska za lemljenje i sitoštampa
- Koristite masku za lemljenje kako biste spriječili kratka spojena i olakšali lemljenje.
- Držite šablonu za sitotisak čistom i podalje od podloga kako biste izbjegli štampanje na lemljivim površinama.
4. Planiranje toplotne i električne energije
- Odredite adekvatnu površinu bakra za rasipanje toplote električnih komponenti.
- Koristite termičke otvore na podlogama gdje je to potrebno; postavljajte komponente napajanja kako biste izbjegli nakupljanje toplote u blizini osjetljivih dijelova.
5. EMI i uzemljenje
- Koristite čvrste ravne površine i kratke puteve povratka.
- Držite trase visokih brzina kratkim i kontroliranim radi impedanse.
- Postavite bypass kondenzatore blizu pinova za napajanje i pažljivo provucite mreže napajanja.
6. Testne tačke za montažu
- Postavite testne pločice tako da sondama omogućite jednostavan pristup i da ne budu ometene drugim komponentama.
- Koristite testne podloge standardne veličine kako biste spriječili oštećenja tokom probiranja.
7. Pakovanje i dostava
- Koristite antistatičku podlogu za zaštitu ploče.
- Spakirajte ploče kako biste spriječili savijanje ili kontakt između jedinica; zaštitite izložene konektore i krhke komponente.
Zaključak
U ciklusu proizvodnje PCB-a otprilike 70% troškova proizvodnje određuje se u ranoj fazi dizajna. Primjena DFM-a od samog početka smanjuje troškove i ubrzava vrijeme izlaska na tržište. DFT osigurava funkcionalnost nakon proizvodnje, dok DFA skraćuje vrijeme i troškove sklapanja. Slijedeći najbolje prakse za DFT, DFM i DFA, dizajneri mogu kreirati pouzdane i isplative PCB-ove.
Jednostavna kontrolna lista (za brzi pregled)
- Dodajte testne tačke za ključne mreže.
- Osigurajte da su mreže kontrolabilne i opazive.
- Prioritetizirajte standardne komponente gdje je to moguće.
- Minimizirajte broj dijelova i broj slojeva.
- Pridržavajte se specifikacija dobavljača za širinu traga i razmak.
- Koristite uzemljene ravnine i postavite bypass kondenzatore blizu pinova za napajanje.
- Otisci dizajna koji odgovaraju stvarnim dimenzijama komponenti.
- Rezervirajte prostor za testne sonde i alate za pick-and-place.
- Plan za rukovanje, pakovanje i montažu.
- Provedite ICT ili testove letećom sondom na prototipovima.
