Επισκόπηση
Η βιομηχανία ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την αξιοπιστία των συσκευών. Η προσομοίωση και οι δοκιμές είναι δύο εργαλεία που επιτρέπουν στους σχεδιαστές να βεβαιωθούν ότι ένα προϊόν λειτουργεί σωστά. Ο καλός σχεδιασμός πρέπει να προβλέπει τις ανάγκες της πλήρους πλακέτας και να παρέχει ό,τι χρειάζεται για την ικανοποίηση αυτών των αναγκών. Οι στερεές πρακτικές σχεδιασμού DFT, DFM και DFA είναι ζωτικής σημασίας για την κατασκευή μιας πλακέτας που μπορεί να κατασκευαστεί και να χρησιμοποιηθεί αξιόπιστα.
Οι σχεδιαστές πρέπει να προσθέσουν σημεία δοκιμής και άλλα χαρακτηριστικά δοκιμής στην πλακέτα, ώστε οι τεχνικοί να μπορούν να εκτελούν ελέγχους κατά το στάδιο της δοκιμής. Ένας καλός σχεδιασμός πρέπει επίσης να πληροί τους κανόνες που καθιστούν εύκολη την κατασκευή και συναρμολόγηση της πλακέτας. Η έγκαιρη αφιέρωση χρόνου στο σχηματικό διάγραμμα και την προσομοίωση μπορεί να μειώσει τον χρόνο ανάπτυξης και να κάνει το τελικό προϊόν πιο αξιόπιστο.
Σχεδιασμός για δοκιμή (DFT)
Οι δοκιμές και η επιθεώρηση είναι βασικά βήματα στον κύκλο παραγωγής PCB. DFT σημαίνει προσθήκη στοιχείων όπως σημεία δοκιμής στο PCB για να διευκολυνθεί η δοκιμή της λειτουργίας του κυκλώματος. Τα επιπλέον σημεία δοκιμής βοηθούν τους μηχανικούς να ελέγξουν την πλακέτα μετά την κατασκευή της. Ο στόχος είναι να βρεθούν και να επιβεβαιωθούν τυχόν κατασκευαστικές ατέλειες που θα μπορούσαν να εμποδίσουν τη λειτουργία του προϊόντος.
Βασικές ιδέες του DFT
Δύο βασικές ιδέες στον DFT είναι η δυνατότητα ελέγχου και η δυνατότητα παρατήρησης:
- Έλεγχος: Η δυνατότητα να θέτετε ορισμένους κόμβους ή εισόδους του κυκλώματος σε μια γνωστή κατάσταση ή λογική τιμή.
- Παρατηρησιμότητα: Η δυνατότητα να βλέπετε την κατάσταση ή τη λογική τιμή εσωτερικών κόμβων ή εξόδων.
Αυτές οι δύο ιδέες επιτρέπουν στους μηχανικούς να θέσουν τη σχεδίαση σε μια γνωστή κατάσταση εκκίνησης και στη συνέχεια να ελέγχουν και να παρακολουθούν τα εσωτερικά σήματα. Αυτό βοηθά στον έλεγχο του κατά πόσον η συσκευή λειτουργεί όπως πρέπει. Οι δοκιμές μπορούν στη συνέχεια να εντοπίσουν λειτουργικά σφάλματα ή κατασκευαστικά ελαττώματα.
Κοινά λειτουργικά σφάλματα και έλεγχοι
- A λειτουργικό σφάλμα αναφέρεται σε λανθασμένη ή κακή έξοδο από το σύστημα, που προκαλείται από κακή συμπεριφορά του κυκλώματος ή επαναλαμβανόμενα λειτουργικά σφάλματα.
- Τα σφάλματα μπορούν να διορθωθούν με προσαρμογές του κώδικα ή μικρές τροποποιήσεις, αλλά τα σοβαρά σφάλματα υποδεικνύουν την ανάγκη για αλλαγές στο σχεδιασμό.
- Η διαδικασία λεπτομερούς διάγνωσης βλαβών ονομάζεται Ανάλυση τρόπου αστοχίας (FMA).
- Κατά τη διάρκεια των λειτουργικών δοκιμών, οι μηχανικοί επαληθεύουν επίσης τα ρεύματα δρομολόγησης, τις τάσεις ακροδεκτών, τα επίπεδα ισχύος, τα σήματα μεταγωγής και χρονισμού και τη θερμοκρασία της πλακέτας.
Κοινά κατασκευαστικά ελαττώματα
Τα κατασκευαστικά ελαττώματα οφείλονται σε ζητήματα όπως η περίσσεια υπολειμμάτων μετάλλων στην πλακέτα, η κακή επιμετάλλωση, η μόλυνση στις ενώσεις συγκόλλησης και τα προβλήματα διηλεκτρικού. Αυτά μπορεί να οδηγήσουν σε βραχυκυκλώματα, ανοικτά κυκλώματα, αδύναμες ενώσεις συγκόλλησης ή αστοχία της μόνωσης. Είναι ζωτικής σημασίας ο σχεδιασμός να ελαχιστοποιεί τον κίνδυνο τέτοιων ελαττωμάτων και να διευκολύνει την ανίχνευσή τους εάν εμφανιστούν.
Δύο τρόποι για να προσθέσετε χαρακτηριστικά DFT
1. Προσωρινή τεχνική
- Προσθέτει χαρακτηριστικά δοκιμών χωρίς σημαντικές αλλαγές στον αρχικό σχεδιασμό.
- Χρησιμοποιεί προσωρινά σημεία δοκιμής για τη δοκιμή της συσκευής χωρίς την προσθήκη πολυάριθμων μόνιμων μαξιλαριών δοκιμής.
- Πλεονεκτήματα: Κατάλληλο για πρώιμες σειρές παραγωγής και πρωτότυπα.
2. Δομική τεχνική
- Μια μόνιμη λύση που ενσωματώνει ειδικά σημεία δοκιμής στο σχεδιασμό της πλακέτας.
- Πλεονεκτήματα: Εάν εμφανιστεί κάποιο ελάττωμα, τα μόνιμα σημεία δοκιμής διευκολύνουν τον εντοπισμό και τη διόρθωση των προβλημάτων.
- Το καλύτερο για την ανίχνευση ελαττωμάτων κατασκευής σε μεγάλη κλίμακα.
ICT - Δοκιμή εντός κυκλώματος
- ICT (δοκιμή εντός κυκλώματος) συνήθως χρησιμοποιεί ένα φωτιστικό με καρφιά.
- Λειτουργίες: Ανιχνεύει κοινά προβλήματα όπως βραχυκυκλώματα, ανοικτά κυκλώματα ή λανθασμένα εξαρτήματα.
- Τυπική ρύθμιση: περιλαμβάνει έναν ελεγκτή, ένα εξάρτημα και λογισμικό δοκιμής.
Δοκιμή ιπτάμενου ανιχνευτή
- Μια απλή και αποτελεσματική μορφή ΤΠΕ.
- Βασικά χαρακτηριστικά: Δεν απαιτείται σταθερό εξάρτημα, καθιστώντας το οικονομικά αποδοτικό για την παραγωγή μικρών παρτίδων ή πρωτοτύπων.
- Πλεονέκτημα: Για αλλαγές στο σχεδιασμό, τα σημεία δοκιμής δεν απαιτούν τροποποιήσεις στο υλικό - χρειάζονται μόνο ενημερώσεις στο πρόγραμμα δοκιμής.
Σχεδιασμός για κατασκευασιμότητα (DFM)
Η διαθεσιμότητα των εξαρτημάτων και οι μέθοδοι κατασκευής διαφέρουν ανάλογα με την εταιρεία και τη χώρα. Η ηλεκτρομαγνητική συμβατότητα (ΗΜΣ) είναι ένα άλλο υποχρεωτικό πρότυπο για τις συσκευές πριν από τη διάθεσή τους στην αγορά. Οι σχεδιαστές πρέπει να διασφαλίζουν ότι ο σχεδιασμός ευθυγραμμίζεται με τις διαθέσιμες διαδικασίες κατασκευής, ότι τα χρησιμοποιήσιμα εξαρτήματα μπορούν να εκπληρώσουν τις απαιτούμενες λειτουργίες και ότι η τελική διάταξη πληροί τις καθορισμένες απαιτήσεις μεγέθους και σχήματος. DFM (Σχεδιασμός για κατασκευασιμότητα) περιλαμβάνει το σχεδιασμό και τη σχεδίαση ενός προϊόντος ώστε να είναι δυνατή η εύκολη και χαμηλού κόστους κατασκευή του.
Στόχοι DFM
Η DFM βοηθά στην επιτάχυνση της παραγωγής PCB, στη μείωση του χρόνου παραγωγής και του κόστους. Παρακάτω παρατίθενται βασικοί έλεγχοι και βέλτιστες πρακτικές για το DFM:
1. Επιλογή εξαρτημάτων
- Τα τυποποιημένα εξαρτήματα είναι πιο αξιόπιστα και οικονομικά αποδοτικά από τα προσαρμοσμένα εξαρτήματα, προσθέτοντας αξία στο προϊόν.
- Η χρήση τυποποιημένων εξαρτημάτων απλοποιεί την εφοδιαστική: η αντικατάσταση είναι ευκολότερη σε περίπτωση βλάβης σε σύγκριση με τα προσαρμοσμένα εξαρτήματα.
- Τα τυποποιημένα εξαρτήματα έχουν συνήθως σαφείς ανοχές και καλή συγκολλησιμότητα.
2. Μορφή και διάταξη του σκάφους
- Να τηρούν τις απαιτήσεις σχήματος και μεγέθους που έχουν καθοριστεί από τον πελάτη.
- Εξετάστε την τοποθέτηση των συνδέσμων και ομαδοποιήστε τα κυκλώματα ανάλογα με τις ανάγκες ισχύος, συχνότητας και δρομολόγησης.
- Τοποθετήστε τα λειτουργικά συναφή εξαρτήματα κοντά για να ελαχιστοποιήσετε το μήκος των ιχνών και τις παρεμβολές.
3. Ελαχιστοποίηση του αριθμού εξαρτημάτων
- Η μείωση του αριθμού των εξαρτημάτων μειώνει το κόστος και απλοποιεί την κατασκευή, μειώνοντας ενδεχομένως τον αριθμό των στρωμάτων της πλακέτας.
- Καθορίστε τον αριθμό των στρωμάτων με βάση την επιφάνεια της πλακέτας, τη δρομολόγηση ισχύος, την ακεραιότητα σήματος, τις απαιτήσεις απομόνωσης και τον αριθμό των σημάτων υψηλής ταχύτητας.
4. Επαναχρησιμοποίηση στοιχείων σχεδιασμού
- Σχεδιάστε επαναχρησιμοποιήσιμα εξαρτήματα για να μειώσετε το κόστος (π.χ., ένα καλά σχεδιασμένο επίπεδο γείωσης μπορεί να χρησιμεύσει ως δομικό στρώμα, θωράκιση ΗΜΙ και ενισχυτής της ακεραιότητας σήματος).
- Συμμόρφωση με τους κανόνες DFM: ελάχιστο πλάτος ίχνους, απόσταση ίχνους προς ίχνος και σωστό μέγεθος δακτυλίου μέσω δακτυλίου.
5. Συμμόρφωση και EMC
- Σχεδιάστε τη συμμόρφωση με την ΗΜΣ και τη χρήση ισχύος από το αρχικό στάδιο του σχεδιασμού για να βελτιώσετε την ποιότητα του προϊόντος και να μειώσετε τις δαπανηρές επανεπεξεργασίες.
- Αφήστε περιθώρια ανοχής για μικρές αλλαγές μετά την κατασκευή στο μέγεθος της πλακέτας ή στην τοποθέτηση των εξαρτημάτων για να αποφύγετε σφάλματα συναρμολόγησης ή απόδοσης.
6. Χειρισμός και συσκευασία
- Αποφύγετε τα ασύμμετρα σχέδια, τα οποία μπορεί να προκαλέσουν ζημιές κατά το χειρισμό (οδηγώντας σε αστοχίες).
- Ελαχιστοποίηση της χρήσης εύθραυστων ή υπερβολικά εύκαμπτων εξαρτημάτων.
- Χρησιμοποιήστε ασφαλή, συμπαγή συσκευασία για την προστασία της πλακέτας κατά τη μεταφορά και τη χρήση.
Σχεδιασμός για συναρμολόγηση (DFA)
Η βιομηχανία ηλεκτρονικών βασίζεται στην ευκολία συναρμολόγησης εξαρτημάτων. Οι συσκευές κατασκευάζονται με την προμήθεια τοπικών και παγκόσμιων εξαρτημάτων και τη συναρμολόγησή τους όπως απαιτείται. Λιγότερα εξαρτήματα μειώνουν τον χρόνο συναρμολόγησης- οι μονάδες που έχουν σχεδιαστεί για εύκολη συναρμολόγηση απλοποιούν την όλη διαδικασία. DFA (σχεδιασμός για συναρμολόγηση) είναι μια σχεδιαστική προσέγγιση που δίνει προτεραιότητα στην ευκολία συναρμολόγησης, επιτυγχάνοντας σημαντική εξοικονόμηση κόστους.
Βέλτιστες πρακτικές DFA
1. Μείωση της ποικιλίας εξαρτημάτων
- Χρησιμοποιήστε το ίδιο εξάρτημα σε πολλαπλές τοποθεσίες για να μειώσετε το απόθεμα, να απλοποιήσετε τις εργασίες pick-and-place και να ελαχιστοποιήσετε τα σφάλματα.
2. Εύκολη τοποθέτηση εξαρτημάτων
- Επιλέξτε εξαρτήματα με σαφείς δείκτες πολικότητας για εύκολο προσανατολισμό.
- Σχεδιάστε αποτυπώματα που ταιριάζουν με τις πραγματικές διαστάσεις των εξαρτημάτων και παρέχουν επαρκή επιφάνεια για αξιόπιστη συγκόλληση.
3. Ομαδοποιήστε τα μέρη λογικά
- Στοιχεία της συστάδας που απαιτούν δοκιμή ή ρύθμιση.
- Ομαδοποιήστε τα εξαρτήματα ανά λειτουργία, ώστε να είναι δυνατή η ομαλή συναρμολόγηση και δοκιμή.
4. Σχεδιασμός για αυτοματοποιημένη συναρμολόγηση
- Εξασφαλίστε τη συμβατότητα της διάταξης με τις μηχανές pick-and-place και τους φούρνους επαναφοράς για αυτοματοποιημένες γραμμές παραγωγής.
- Διατηρήστε την πλακέτα επίπεδη και αποφύγετε τα ψηλά εξαρτήματα που μπορεί να εμποδίσουν τη συναρμολόγηση των παρακείμενων εξαρτημάτων.
5. Επιτρέψτε τη χειρωνακτική εργασία
- Διατηρήστε χώρο για την πρόσβαση των εργαζομένων στα μαξιλάρια και τους συνδέσμους για τα βήματα χειροκίνητης συναρμολόγησης.
- Χρησιμοποιήστε σημεία αναφοράς και σαφείς δείκτες για την ευθυγράμμιση από τον εξοπλισμό και το προσωπικό.
6. Χρήση καλής μηχανικής σχεδίασης
- Σχεδιασμός σχήματος πλακέτας και οπών τοποθέτησης για εύκολη εγκατάσταση σε περιβλήματα.
- Παρέχετε σαφή σημεία τοποθέτησης και αποφύγετε σχέδια που προκαλούν πίεση στην πλακέτα κατά την εγκατάσταση.
Πρακτικοί έλεγχοι και παραδείγματα
1. Πλάτος και απόσταση ίχνους
- Ακολουθήστε το Κατασκευαστής PCB ελάχιστες απαιτήσεις για το πλάτος και την απόσταση των ιχνών.
- Τα φαρδύτερα ίχνη μεταφέρουν περισσότερο ρεύμα και κατασκευάζονται ευκολότερα- η επαρκής απόσταση μεταξύ των ιχνών μειώνει τους κινδύνους βραχυκυκλώματος.
2. Μέσω σχεδιασμού
- Επιλέξτε το κατάλληλο μέγεθος μέσω και δακτυλιοειδή δακτύλιο. Τα μικρά vias εξοικονομούν χώρο, αλλά είναι πιο δύσκολο να τοποθετηθούν και μπορεί να είναι λιγότερο αξιόπιστα - εξισορροπήστε το μέγεθος και την απόδοση.
3. Μάσκα συγκόλλησης και μεταξοτυπία
- Χρησιμοποιήστε μάσκα συγκόλλησης για την αποφυγή βραχυκυκλωμάτων και τη διευκόλυνση της συγκόλλησης.
- Κρατήστε τη μεταξοτυπία καθαρή και μακριά από τα μαξιλαράκια για να αποφύγετε την εκτύπωση σε περιοχές που μπορούν να συγκολληθούν.
4. Σχεδιασμός θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας
- Διαθέστε επαρκή επιφάνεια χαλκού για τα εξαρτήματα ισχύος για την απαγωγή της θερμότητας.
- Χρησιμοποιήστε θερμικές ανακουφίσεις στα μαξιλαράκια όπου είναι απαραίτητο- τοποθετήστε τα εξαρτήματα ισχύος για να αποφύγετε τη συσσώρευση θερμότητας κοντά σε ευαίσθητα μέρη.
5. ΗΜΙ και γείωση
- Χρησιμοποιήστε στερεά επίπεδα γείωσης και σύντομες διαδρομές επιστροφής.
- Διατηρήστε τα ίχνη υψηλής ταχύτητας σύντομα και ελεγχόμενα ως προς τη σύνθετη αντίσταση.
- Τοποθετήστε πυκνωτές παράκαμψης κοντά στους ακροδέκτες τροφοδοσίας και δρομολογήστε προσεκτικά τα δίκτυα τροφοδοσίας.
6. Σημεία δοκιμής συναρμολόγησης
- Τοποθετήστε τα μαξιλαράκια δοκιμής για εύκολη πρόσβαση στον αισθητήρα, χωρίς εμπόδια από άλλα εξαρτήματα.
- Χρησιμοποιήστε μαξιλαράκια δοκιμών τυπικού μεγέθους για να αποφύγετε ζημιές κατά τη διάρκεια της ανίχνευσης.
7. Συσκευασία και αποστολή
- Χρησιμοποιήστε αντιστατικό μαξιλάρι για την προστασία της πλακέτας.
- Συσκευάστε τις πλακέτες για να αποφύγετε την κάμψη ή την επαφή μεταξύ των μονάδων- προστατέψτε τους εκτεθειμένους συνδέσμους και τα εύθραυστα εξαρτήματα.
Συμπέρασμα
Στον κύκλο παραγωγής PCB, περίπου 70% του κόστους κατασκευής καθορίζονται κατά το πρώιμο στάδιο σχεδιασμού. Η εφαρμογή DFM από την αρχή μειώνει το κόστος και επιταχύνει το χρόνο διάθεσης στην αγορά. Το DFT διασφαλίζει τη λειτουργικότητα μετά την κατασκευή, ενώ το DFA μειώνει το χρόνο και τα έξοδα συναρμολόγησης. Ακολουθώντας τις βέλτιστες πρακτικές για DFT, DFM και DFA, οι σχεδιαστές μπορούν να δημιουργήσουν αξιόπιστα, οικονομικά αποδοτικά PCB.
Απλή λίστα ελέγχου (για γρήγορη ανασκόπηση)
- Προσθέστε σημεία δοκιμής για βασικά δίκτυα.
- Διασφαλίστε ότι τα δίχτυα είναι ελεγχόμενα και παρατηρήσιμα.
- Δώστε προτεραιότητα στα τυποποιημένα εξαρτήματα όπου είναι δυνατόν.
- Ελαχιστοποίηση του αριθμού εξαρτημάτων και στρώσεων.
- Συμμορφωθείτε με τις προδιαγραφές του προμηθευτή για το πλάτος και την απόσταση των ιχνών.
- Χρησιμοποιήστε επίπεδα γείωσης και τοποθετήστε πυκνωτές παράκαμψης κοντά στους ακροδέκτες τροφοδοσίας.
- Αποτυπώματα σχεδιασμού που αντιστοιχούν στις πραγματικές διαστάσεις των εξαρτημάτων.
- Διατηρήστε χώρο για δοκιμαστικούς ανιχνευτές και εργαλεία pick-and-place.
- Σχεδιάστε το χειρισμό, τη συσκευασία και την τοποθέτηση.
- Διεξαγωγή δοκιμών ICT ή ιπτάμενων δοκιμών σε πρωτότυπα.
