Oversigt
Forbrugerelektronikindustrien er meget afhængig af enhedernes pålidelighed. Simulering og test er to værktøjer, som giver designerne mulighed for at sikre, at et produkt fungerer godt. Godt design skal forudsige behovene for hele printkortet og levere det, der er nødvendigt for at opfylde disse behov. Solid DFT-, DFM- og DFA-designpraksis er afgørende for at lave et kort, der kan fremstilles og bruges pålideligt.
Designerne skal tilføje testpunkter og andre testfunktioner til printkortet, så teknikerne kan udføre kontroller under testfasen. Et godt design skal også opfylde de regler, der gør det nemt at fremstille og samle printet. Hvis man bruger tid på skemaet og simuleringen tidligt, kan man reducere udviklingstiden og gøre det endelige produkt mere pålideligt.
Design til test (DFT)
Test og inspektion er vigtige trin i PCB-produktcyklussen. DFT betyder, at man tilføjer elementer som testpunkter til printkortet for at gøre det lettere at teste kredsløbets funktion. Ekstra testpunkter hjælper ingeniørerne med at kontrollere printet, efter det er bygget. Målet er at finde og bekræfte eventuelle produktionsfejl, der kan forhindre produktet i at fungere.
De vigtigste DFT-idéer
To nøglebegreber i DFT er kontrollerbarhed og observerbarhed:
- Styrbarhed: Evnen til at indstille visse kredsløbsknudepunkter eller indgange til en kendt tilstand eller logisk værdi.
- Observerbarhed: Muligheden for at se tilstanden eller den logiske værdi af interne noder eller udgange.
Disse to ideer giver ingeniørerne mulighed for at sætte designet i en kendt starttilstand og derefter kontrollere og overvåge interne signaler. Det hjælper med at kontrollere, om enheden fungerer, som den skal. Test kan derefter afsløre funktionsfejl eller produktionsfejl.
Almindelige funktionsfejl og kontroller
- A funktionel fejl refererer til forkert eller dårlig output fra systemet, forårsaget af dårlig kredsløbsadfærd eller gentagne funktionsfejl.
- Fejl kan rettes med kodejusteringer eller mindre ændringer, men alvorlige fejl indikerer, at der er behov for designændringer.
- Processen med detaljeret fejldiagnose kaldes Analyse af fejltilstande (FMA).
- Under funktionstest verificerer ingeniører også ledede strømme, pin-spændinger, effektniveauer, switching- og timing-signaler og kortets temperatur.
Almindelige produktionsfejl
Produktionsfejl skyldes problemer som f.eks. overskydende metalrester på printet, dårlig plettering, forurening i loddeforbindelser og dielektriske problemer. Disse kan føre til kortslutninger, åbne kredsløb, svage loddeforbindelser eller isoleringssvigt. Det er vigtigt at designe for at minimere risikoen for sådanne defekter og gøre det lettere at opdage dem, hvis de opstår.
To måder at tilføje DFT-funktioner på
1. Midlertidig teknik
- Tilføjer testfunktioner uden større ændringer i det oprindelige design.
- Bruger midlertidige testpunkter til at teste enheden uden at tilføje mange permanente testpuder.
- Fordele: Omkostningseffektiv, hurtig at implementere, velegnet til tidlige produktionskørsler og prototyper.
2. Strukturel teknik
- En permanent løsning, der integrerer dedikerede testpunkter i kortdesignet.
- Fordele: Forenkler fejlfinding; hvis der opstår en fejl, gør permanente testpunkter det lettere at lokalisere og løse problemer.
- Bedst til detektering af produktionsfejl i stor skala.
ICT - Test i kredsløb
- ICT (In-Circuit Test) bruger typisk et søm-armatur.
- Funktioner: Måler modstand, kapacitans og andre passive komponentværdier; verificerer funktionaliteten af analoge komponenter (f.eks. forstærkere, oscillatorer); opdager almindelige problemer som kortslutninger, åbne kredsløb eller forkerte komponenter.
- Typisk opsætning: Indeholder en tester, et armatur og testsoftware.
Test med flyvende sonde
- En enkel og effektiv form for ICT.
- Vigtige funktioner: Proberne kan bevæge sig frit på PCB'et for at berøre de nødvendige testpunkter; der kræves ingen fastmonteret armatur, hvilket gør det omkostningseffektivt til produktion af små serier eller prototyper.
- Fordel: Ved designændringer kræver testpunkterne ikke hardwareændringer - der er kun brug for opdateringer af testprogrammet.
Design for fremstillbarhed (DFM)
Tilgængeligheden af komponenter og fremstillingsmetoder varierer fra virksomhed til virksomhed og fra land til land. Elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) er en anden obligatorisk standard for enheder, før de kan markedsføres. Designere skal sikre, at designet er i overensstemmelse med tilgængelige fremstillingsprocesser, at brugbare komponenter kan opfylde de krævede funktioner, og at det endelige layout opfylder specificerede krav til størrelse og form. DFM (Design for Manufacturability) indebærer planlægning og design af et produkt, så det er nemt og billigt at fremstille.
DFM-målsætninger
DFM hjælper med at fremskynde PCB-produktionen og reducere produktionstiden og -omkostningerne. Herunder finder du vigtige kontroller og bedste praksis for DFM:
1. Valg af komponenter
- Standardkomponenter er mere pålidelige og omkostningseffektive end specialfremstillede komponenter, hvilket øger produktets værdi.
- Brug af standardkomponenter forenkler logistikken: Det er lettere at udskifte i tilfælde af fejl sammenlignet med brugerdefinerede komponenter.
- Standardkomponenter har typisk klare tolerancer og god loddeevne.
2. Tavleform og layout
- Overholder kundespecificerede krav til form og størrelse.
- Overvej placering af stik, og gruppér kredsløb efter behov for effekt, frekvens og routing.
- Placer funktionelt relaterede komponenter tæt på hinanden for at minimere sporlængde og interferens.
3. Minimér antallet af dele
- At reducere antallet af komponenter sænker omkostningerne og forenkler fremstillingen, hvilket potentielt kan reducere antallet af PCB-lag.
- Bestem antallet af lag ud fra kortets areal, strømføring, signalintegritet, isolationskrav og antallet af højhastighedssignaler.
4. Genbrug af designelementer
- Design genanvendelige komponenter for at reducere omkostningerne (f.eks. kan et veldesignet jordplan fungere som et strukturelt lag, EMI-skjold og signalintegritetsforstærker).
- Overhold DFM-reglerne: mindste sporbredde, spor-til-spor-afstand og korrekt via-ringstørrelse.
5. Overensstemmelse og EMC
- Planlæg overholdelse af EMC og strømforbrug fra den første designfase for at forbedre produktkvaliteten og reducere kostbart omarbejde.
- Tillad tolerance for mindre ændringer i kortstørrelse eller komponentplacering efter fremstillingen for at undgå monterings- eller ydelsesfejl.
6. Håndtering og emballering
- Undgå asymmetriske designs, som kan forårsage skader under håndtering (og føre til fejl).
- Minimér brugen af skrøbelige eller alt for fleksible dele.
- Brug sikker, kompakt emballage til at beskytte kortet under transport og brug.
Design til montering (DFA)
Elektronikindustrien er afhængig af, at det er nemt at samle komponenter. Enheder fremstilles ved at indkøbe lokale og globale dele og samle dem efter behov. Færre dele reducerer monteringstiden; moduler, der er designet til at være nemme at montere, strømliner hele processen. DFA (design til montering) er en designtilgang, der prioriterer montagevenlighed og giver betydelige omkostningsbesparelser.
DFA bedste praksis
1. Reducer variationen af dele
- Brug den samme komponent flere steder for at reducere lagerbeholdningen, forenkle pick-and-place-operationer og minimere fejl.
2. Gør delene nemme at placere
- Vælg komponenter med tydelige polaritetsmarkører, så det er nemt at orientere sig.
- Design fodaftryk, der matcher de faktiske komponentdimensioner og giver tilstrækkeligt pad-område til pålidelig lodning.
3. Gruppér dele logisk
- Klyngekomponenter, der skal testes eller indstilles.
- Gruppér delene efter funktion, så de kan samles og testes i god orden.
4. Design til automatiseret montering
- Sørg for, at layoutet er kompatibelt med pick-and-place-maskiner og reflow-ovne til automatiserede produktionslinjer.
- Hold pladen flad, og undgå høje komponenter, der kan hindre monteringen af tilstødende dele.
5. Tillad manuelt arbejde
- Reserver plads til, at medarbejderne kan få adgang til puder og stik til manuelle monteringstrin.
- Brug referencepunkter og tydelige markører til justering af udstyr og personale.
6. Brug godt mekanisk design
- Designkortets form og monteringshuller gør det nemt at installere i kabinetter.
- Sørg for tydelige monteringspunkter, og undgå design, der belaster printet under installationen.
Praktiske tjek og eksempler
1. Sporbredde og -afstand
- Følg den PCB-producentens minimumskrav til sporbredde og -afstand.
- Bredere spor fører mere strøm og er lettere at fremstille; tilstrækkelig afstand mellem sporene reducerer risikoen for kortslutning.
2. Via design
- Vælg passende viastørrelse og ringformet ring. Små vias sparer plads, men er sværere at placere og kan være mindre pålidelige - afvej størrelse og ydeevne.
3. Loddemaske og silketryk
- Brug loddemaske for at undgå kortslutninger og lette lodningen.
- Hold silketryk fri og væk fra puderne for at undgå at trykke på områder, der kan loddes.
4. Planlægning af varme og strøm
- Afsæt tilstrækkeligt kobberareal til strømkomponenterne, så de kan aflede varmen.
- Brug termiske aflastninger på puder, hvor det er nødvendigt; placer strømkomponenter for at undgå varmeopbygning nær følsomme dele.
5. EMI og jordforbindelse
- Brug solide jordplaner og korte returveje.
- Hold højhastighedssporene korte og kontrollerede for impedans.
- Placer bypass-kondensatorer tæt på strømstifterne, og før strømnettene omhyggeligt.
6. Testpunkter for samling
- Placer testpuderne, så der er nem adgang til proben, og så de ikke blokeres af andre komponenter.
- Brug testpuder i standardstørrelse for at undgå skader under prøvetagningen.
7. Emballage og forsendelse
- Brug antistatisk polstring til at beskytte kortet.
- Pak pladerne, så de ikke bøjes eller kommer i kontakt med hinanden; beskyt udsatte stik og skrøbelige komponenter.
Konklusion
I PCB-produktionscyklussen bestemmes ca. 70% af produktionsomkostningerne i den tidlige designfase. Implementering af DFM fra starten reducerer omkostningerne og fremskynder time-to-market. DFT sikrer funktionaliteten efter fremstillingen, mens DFA sænker monteringstiden og -udgifterne. Ved at følge bedste praksis for DFT, DFM og DFA kan designere skabe pålidelige, omkostningseffektive printkort.
Enkel tjekliste (til hurtig gennemgang)
- Tilføj testpunkter for vigtige net.
- Sørg for, at nettene er kontrollerbare og observerbare.
- Prioriter standardkomponenter, hvor det er muligt.
- Minimer antallet af dele og lag.
- Overhold leverandørens specifikationer for sporbredde og -afstand.
- Brug stelplader, og placer bypass-kondensatorer i nærheden af strømstik.
- Designfodaftryk, der matcher de faktiske komponentdimensioner.
- Reserver plads til testprober og pick-and-place-værktøjer.
- Planlæg håndtering, emballering og montering.
- Udfør ICT- eller flyvende sondetest på prototyper.
