Yleiskatsaus
Viihde-elektroniikkateollisuus on hyvin riippuvainen laitteiden luotettavuudesta. Simulointi ja testaus ovat kaksi työkalua, joiden avulla suunnittelijat voivat varmistaa, että tuote toimii hyvin. Hyvän suunnittelun on ennakoitava koko piirilevyn tarpeet ja tarjottava se, mitä tarvitaan näiden tarpeiden täyttämiseksi. Vankat DFT-, DFM- ja DFA-suunnittelukäytännöt ovat elintärkeitä, jotta voidaan tehdä piirilevy, jota voidaan valmistaa ja käyttää luotettavasti.
Suunnittelijoiden on lisättävä piirilevyyn testipisteitä ja muita testiominaisuuksia, jotta teknikot voivat suorittaa tarkastuksia testivaiheessa. Hyvän suunnittelun on myös täytettävä säännöt, jotka helpottavat piirilevyn valmistusta ja kokoonpanoa. Käyttämällä aikaa kaavioon ja simulointiin varhaisessa vaiheessa voidaan lyhentää kehitysaikaa ja tehdä lopputuotteesta luotettavampi.
Testaussuunnittelu (DFT)
Testaus ja tarkastus ovat olennaisia vaiheita PCB-tuotesyklissä. DFT tarkoittaa, että piirilevyyn lisätään esimerkiksi testipisteitä, jotta piirin toiminnan testaaminen olisi helpompaa. Ylimääräiset testipisteet auttavat insinöörejä tarkastamaan piirilevyn sen rakentamisen jälkeen. Tavoitteena on löytää ja vahvistaa mahdolliset valmistusvirheet, jotka voivat estää tuotteen toiminnan.
DFT:n keskeiset ideat
Kaksi DFT:n keskeistä ideaa ovat hallittavuus ja tarkkailtavuus:
- Hallittavuus: Kyky asettaa tietyt piirin solmut tai tulot tunnettuun tilaan tai logiikka-arvoon.
- Tarkkailtavuus: Kyky nähdä sisäisten solmujen tai lähtöjen tila tai looginen arvo.
Näiden kahden idean avulla insinöörit voivat asettaa suunnittelun tunnettuun käynnistystilaan ja sitten ohjata ja tarkkailla sisäisiä signaaleja. Näin voidaan tarkistaa, toimiiko laite niin kuin sen pitäisi. Testeillä voidaan sitten havaita toiminnallisia vikoja tai valmistusvirheitä.
Yleiset toiminnalliset viat ja tarkistukset
- A toiminnallinen vika viittaa järjestelmän virheelliseen tai huonoon tuotokseen, joka johtuu piirin huonosta käyttäytymisestä tai toistuvista toiminnallisista virheistä.
- Virheet voidaan korjata koodin mukauttamisella tai pienillä muutoksilla, mutta vakavat virheet osoittavat, että suunnittelua on muutettava.
- Yksityiskohtaisen vianmäärityksen prosessia kutsutaan Vikatila-analyysi (FMA).
- Toiminnallisen testauksen aikana insinöörit tarkistavat myös reititetyt virrat, nastojen jännitteet, tehotasot, kytkentä- ja ajoitussignaalit sekä piirilevyn lämpötilan.
Yleiset valmistusvirheet
Valmistusvirheet johtuvat esimerkiksi ylimääräisistä metallijäämistä levyllä, huonosta pinnoituksesta, juotosliitosten saastumisesta ja dielektrisistä ongelmista. Nämä voivat johtaa oikosulkuihin, avoimiin virtapiireihin, heikkoihin juotosliitoksiin tai eristyksen pettämiseen. Suunnittelussa on tärkeää minimoida tällaisten vikojen riski ja helpottaa niiden havaitsemista, jos niitä esiintyy.
Kaksi tapaa lisätä DFT-ominaisuuksia
1. Väliaikainen tekniikka
- Lisää testiominaisuuksia ilman suuria muutoksia alkuperäiseen suunnitteluun.
- Käyttää tilapäisiä testipisteitä laitteen testaamiseen ilman lukuisten pysyvien testipisteiden lisäämistä.
- Edut: Kustannustehokas, nopea toteuttaa, soveltuu alkutuotantoon ja prototyyppeihin.
2. Rakennetekniikka
- Pysyvä ratkaisu, joka integroi omat testipisteet levyn suunnitteluun.
- Edut: Jos vika ilmenee, pysyvät testipisteet helpottavat ongelmien paikantamista ja korjaamista.
- Paras valmistusvirheiden laajamittaiseen havaitsemiseen.
ICT - piirin sisäinen testi
- ICT (In-Circuit Test) käyttää tyypillisesti kynsisängyn kiinnitystä.
- Toiminnot: Mittaa resistanssin, kapasitanssin ja muiden passiivisten komponenttien arvot; tarkistaa analogisten komponenttien (esim. vahvistimet, oskillaattorit) toimivuuden; havaitsee yleiset ongelmat, kuten oikosulut, avoimet piirit tai virheelliset komponentit.
- Tyypillinen asennus: Sisältää testilaitteen, kiinnittimen ja testiohjelmiston.
Lentävän koettimen testi
- Yksinkertainen ja tehokas tieto- ja viestintätekniikan muoto.
- Tärkeimmät ominaisuudet: Kiinteää kiinnitystä ei tarvita, joten se on kustannustehokas piensarjatuotannossa tai prototyypeissä.
- Etu: Testipisteet eivät vaadi laitteistomuutoksia suunnittelumuutoksia varten, vaan ainoastaan testiohjelman päivitykset ovat tarpeen.
Valmistettavuuden suunnittelu (DFM)
Komponenttien saatavuus ja valmistusmenetelmät vaihtelevat yrityksittäin ja maittain. Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) on toinen pakollinen standardi laitteille ennen niiden markkinoille saattamista. Suunnittelijoiden on varmistettava, että suunnitelma vastaa käytettävissä olevia valmistusprosesseja, että käyttökelpoiset komponentit voivat täyttää vaaditut toiminnot ja että lopullinen ulkoasu täyttää määritellyt koko- ja muotovaatimukset. DFM (Design for Manufacturability) Tuotteen suunnittelu ja muotoilu siten, että se voidaan valmistaa helposti ja edullisesti.
DFM Tavoitteet
DFM auttaa nopeuttamaan PCB-tuotantoa, vähentämään tuotantoaikaa ja kustannuksia. Alla on lueteltu DFM:n keskeiset tarkistukset ja parhaat käytännöt:
1. Komponentin valinta
- Vakiokomponentit ovat luotettavampia ja kustannustehokkaampia kuin mukautetut komponentit, mikä lisää tuotteen arvoa.
- Vakiokomponenttien käyttö yksinkertaistaa logistiikkaa: niiden vaihtaminen vian sattuessa on helpompaa kuin mukautettujen komponenttien.
- Vakiokomponenteilla on yleensä selkeät toleranssit ja hyvä juotettavuus.
2. Levyn muoto ja asettelu
- Noudattaa asiakkaan määrittelemiä muoto- ja kokovaatimuksia.
- Harkitse liittimien sijoittelua ja ryhmittele piirit tehon, taajuuden ja reititystarpeiden mukaan.
- Sijoita toiminnallisesti toisiinsa liittyvät komponentit lähelle minimoidaksesi jäljen pituuden ja häiriöt.
3. Minimoi osien määrä
- Komponenttien määrän vähentäminen alentaa kustannuksia ja yksinkertaistaa valmistusta, mikä voi vähentää piirilevykerrosten määrää.
- Määritä kerrosten määrä piirilevyn pinta-alan, tehon reitityksen, signaalin eheyden, eristysvaatimusten ja nopeiden signaalien määrän perusteella.
4. Suunnitteluelementtien uudelleenkäyttö
- Suunnittele uudelleenkäytettäviä komponentteja kustannusten vähentämiseksi (esim. hyvin suunniteltu maataso voi toimia rakennekerroksena, EMI-suojana ja signaalin eheyden parantajana).
- Noudata DFM-sääntöjä: vähimmäisjäljen leveys, jäljen ja jäljen välinen etäisyys ja oikea rengaskoko.
5. Vaatimustenmukaisuus ja EMC
- Suunnittele EMC:n ja virrankäytön vaatimustenmukaisuus jo suunnittelun alkuvaiheessa, jotta voit parantaa tuotteen laatua ja vähentää kalliita jälkitöitä.
- Salli toleranssi pienille valmistuksen jälkeisille muutoksille levyn koossa tai komponenttien sijoittelussa kokoonpano- tai suorituskykyvirheiden välttämiseksi.
6. Käsittely ja pakkaaminen
- Vältä epäsymmetrisiä malleja, sillä ne voivat vahingoittua käsittelyn aikana (ja aiheuttaa vikoja).
- Minimoi hauraiden tai liian joustavien osien käyttö.
- Käytä turvallisia, tiiviitä pakkauksia, jotka suojaavat levyä kuljetuksen ja käytön aikana.
Kokoonpanosuunnittelu (DFA)
Elektroniikkateollisuus luottaa komponenttien kokoonpanon helppouteen. Laitteet valmistetaan hankkimalla paikallisia ja maailmanlaajuisia osia ja kokoamalla ne tarpeen mukaan. Vähemmän osia lyhentää kokoonpanoaikaa; kokoonpanon helpottamiseksi suunnitellut moduulit virtaviivaistavat koko prosessia. DFA (Design for Assembly) on suunnittelutapa, jossa kokoonpanon helppous on etusijalla, mikä tuo merkittäviä kustannussäästöjä.
DFA:n parhaat käytännöt
1. Vähennä osien monipuolisuutta
- Käytä samaa komponenttia useissa eri toimipisteissä, jotta voit vähentää varastoja, yksinkertaistaa poiminta- ja sijoittelutoimintoja ja minimoida virheet.
2. Tee osien sijoittaminen helpoksi
- Valitse komponentit, joissa on selkeät polariteettimerkinnät helpon orientaation varmistamiseksi.
- Suunnittele pohjapiirrokset, jotka vastaavat komponentin todellisia mittoja ja tarjoavat riittävän alustan alueen luotettavaa juottamista varten.
3. Ryhmittele osat loogisesti
- Klusterin osat, jotka vaativat testausta tai viritystä.
- Ryhmittele osat toimintojen mukaan, jotta kokoonpano ja testaus voidaan suorittaa järjestelmällisesti.
4. Suunnittelu automatisoitua kokoonpanoa varten
- Varmista layout-yhteensopivuus automaattisten tuotantolinjojen pick-and-place-koneiden ja reflow-uunien kanssa.
- Pidä levy tasaisena ja vältä korkeita komponentteja, jotka voivat haitata viereisten osien kokoamista.
5. Salli manuaalinen työ
- Varaa työntekijöille tilaa, jotta he pääsevät käsin asennettavia tyynyt ja liittimet.
- Käytä apuvälineitä ja selkeitä merkkejä laitteiden ja henkilöstön kohdistamiseen.
6. Käytä hyvää mekaanista suunnittelua
- Suunnittelulevyn muoto ja kiinnitysreiät helpottavat asennusta koteloihin.
- Tarjoa selkeät kiinnityskohdat ja vältä malleja, jotka aiheuttavat levyn rasitusta asennuksen aikana.
Käytännön tarkastukset ja esimerkit
1. Jäljen leveys ja väli
- Seuraa PCB-valmistajan jälkien leveyttä ja välejä koskevat vähimmäisvaatimukset.
- Leveämmät jäljet kuljettavat enemmän virtaa ja ovat helpompia valmistaa; riittävä väli jälkien välillä vähentää oikosulkuriskiä.
2. Suunnittelun kautta
- Valitse sopiva läpivientikoko ja rengasrengas. Pienet läpiviennit säästävät tilaa, mutta niitä on vaikeampi levyttää ja ne voivat olla vähemmän luotettavia - tasapainota koko ja suorituskyky.
3. Juotosmaski ja silkkipaino
- Käytä juotosmaskia oikosulkujen estämiseksi ja juottamisen helpottamiseksi.
- Pidä silkkipaino vapaana ja kaukana tyynyistä, jotta vältät painamisen juotettaville alueille.
4. Lämpö- ja sähkösuunnittelu
- Varaa tehokomponenteille riittävästi kuparialuetta lämmön haihduttamiseksi.
- Käytä tarvittaessa tyynyissä lämpöeristeitä; sijoita tehokomponentit siten, että vältetään lämmön kertyminen herkkien osien läheisyyteen.
5. EMI ja maadoitus
- Käytä kiinteitä maatasoja ja lyhyitä paluureittejä.
- Pidä suurnopeusjohdot lyhyinä ja impedanssin osalta valvottuina.
- Aseta ohituskondensaattorit virtanastojen läheisyyteen ja reititä virtaverkot huolellisesti.
6. Kokoonpanon testauspisteet
- Aseta testialustat niin, että koettimeen pääsee helposti käsiksi, eivätkä muut komponentit estä niitä.
- Käytä vakiokokoisia testityynyjä, jotta ne eivät vaurioidu koettelemisen aikana.
7. Pakkaaminen ja lähettäminen
- Käytä antistaattista pehmustetta levyn suojaamiseksi.
- Pakkaa levyt siten, että yksiköiden välinen taipuminen tai kosketus estyy; suojaa alttiit liittimet ja herkät komponentit.
Päätelmä
Piirilevytuotantosyklissä noin 70% valmistuskustannuksista määritetään suunnittelun alkuvaiheessa. DFM:n käyttöönotto alusta alkaen vähentää kustannuksia ja nopeuttaa markkinoille tuloaikaa. DFT varmistaa valmistuksen jälkeisen toiminnallisuuden, kun taas DFA alentaa kokoonpanoaikaa ja -kuluja. Noudattamalla DFT:n, DFM:n ja DFA:n parhaita käytäntöjä suunnittelijat voivat luoda luotettavia ja kustannustehokkaita piirilevyjä.
Yksinkertainen tarkistuslista (nopeaa tarkastelua varten)
- Lisää keskeisten verkkojen testipisteet.
- Varmista, että verkot ovat valvottavissa ja tarkkailtavissa.
- Aseta vakiokomponentit etusijalle mahdollisuuksien mukaan.
- Minimoi osien ja kerrosten määrä.
- Noudata myyjän määrityksiä jäljitysleveydestä ja -välistä.
- Käytä maatasoja ja aseta ohituskondensaattorit virtanastojen läheisyyteen.
- Suunnittelun jalanjäljet vastaavat komponenttien todellisia mittoja.
- Varaa tilaa testikoettimille ja paikannustyökaluille.
- Suunnittele käsittely, pakkaaminen ja kiinnittäminen.
- Suoritetaan prototyypeille ICT- tai lentäviä koettimia koskevia testejä.
