概要
家電業界は、デバイスの信頼性に大きく依存しています。シミュレーションとテストは、設計者が製品の動作を確認するための2つのツールです。優れた設計は、PCB全体のニーズを予測し、そのニーズを満たすために必要なものを提供しなければなりません。確実なDFT、DFM、DFA設計の実践は、信頼性の高い基板を作り、使用するために不可欠です。.
設計者は、技術者がテスト段階でチェックを実行できるように、PCBにテストポイントやその他のテスト機能を追加しなければなりません。優れた設計は、基板の製造と組み立てを容易にするためのルールも満たしていなければなりません。早期に回路図とシミュレーションに時間を費やすことで、開発時間を短縮し、最終製品の信頼性を高めることができます。.
テスト用設計（DFT）
テストと検査は、PCB製品サイクルにおいて不可欠なステップです。DFTは、回路の機能をテストしやすくするために、PCBにテストポイントなどの項目を追加することを意味します。余分なテストポイントは、エンジニアが製造後にボードをチェックするのに役立ちます。その目的は、製品が動作しなくなる可能性のある製造上の欠陥を見つけ、確認することです。.
DFTの主なアイデア
DFTにおける2つの重要な考え方は、可制御性と可観測性である：
- 制御性:特定の回路ノードまたは入力を既知の状態または論理値に設定する機能。.
- 観測可能性:内部ノードまたは出力の状態または論理値を確認する機能。.
これら2つのアイデアにより、エンジニアは設計を既知のスタート状態にし、内部信号を制御して見ることができる。これにより、デバイスがその通りに動作するかどうかをチェックすることができる。テストによって、機能的な欠陥や製造上の欠陥を発見することができる。.
一般的な機能故障とチェック
- A 機能障害 回路の動作不良や度重なる機能エラーによって引き起こされる、システムからの不正確または不良な出力のこと。.
- エラーはコードの調整やちょっとした修正で直るかもしれないが、重大な欠陥は設計変更の必要性を示している。.
- 詳細な故障診断のプロセスは次のように呼ばれる。 故障モード解析（FMA）.
- 機能テストでは、エンジニアは配線電流、ピン電圧、電力レベル、スイッチング信号、タイミング信号、基板温度も検証する。.
一般的な製造上の欠陥
製造上の欠陥は、基板上の余分な金属残留物、メッキ不良、はんだ接合部の汚染、誘電体の問題などに起因する。これらは、短絡、開回路、弱いはんだ接合、または絶縁不良につながる可能性があります。このような欠陥のリスクを最小化し、発生した場合の検出を容易にするように設計することが極めて重要です。.
DFT機能を追加する2つの方法
1.一時的なテクニック
- オリジナルの設計に大きな変更を加えることなく、テスト機能を追加。.
- 一時的なテストポイントを使用することで、多数の恒久的なテストパッドを追加することなくデバイスをテストすることができる。.
- 利点費用対効果、迅速な導入、初期生産やプロトタイプに適している。.
2.構造技術
- 専用テストポイントを基板設計に組み込む恒久的なソリューション。.
- 利点欠陥が発生した場合、恒久的なテストポイントにより、問題の特定と修正が容易になる。.
- 大規模な製造欠陥の検出に最適。.
ICT - インサーキットテスト
- ICT（インサーキットテスト） 通常、釘のベッドを使用する。.
- 機能抵抗、静電容量、その他の受動部品の値を測定。アナログ部品（アンプ、発振器など）の機能を検証。短絡、開回路、部品の間違いなど、一般的な問題を検出。.
- 典型的なセットアップ：テスター、治具、テスト・ソフトウェアが含まれる。.
フライング・プローブ・テスト
- シンプルで効果的なICTの一形態。.
- 主な特徴プローブはPCB上を自由に移動し、必要なテストポイントに触れることができます。固定治具が不要なため、少量生産やプロトタイプのテストに費用対効果が高くなります。.
- 利点：設計変更に対して、テストポイントはハードウェアの修正を必要とせず、テストプログラムの更新のみが必要です。.
製造可能設計（DFM）
部品の入手可能性や製造方法は、企業や国によって異なる。電磁両立性（EMC）もまた、デバイスを市場に出す前の必須基準である。設計者は、設計が利用可能な製造工程に適合し、使用可能な部品が必要な機能を果たし、最終レイアウトが指定されたサイズと形状の要件を満たしていることを確認しなければなりません。. DFM（製造可能設計） は、簡単かつ低コストで製造できるように製品を企画・設計することである。.
DFMの目標
DFMはPCB生産を加速し、生産時間とコストを削減します。以下は、DFMの主なチェック項目とベストプラクティスです：
1.コンポーネントの選択
- 標準部品は、カスタム部品よりも信頼性が高く、コスト効率が高いため、製品に付加価値を与えることができる。.
- 標準部品を使用することで、ロジスティクスが簡素化される。カスタム部品に比べて、故障時の交換が容易である。.
- 標準部品は通常、公差が明確で、はんだ付け性が良い。.
2.基板の形状とレイアウト
- 顧客指定の形状およびサイズ要件を遵守する。.
- コネクタの配置を考慮し、電力、周波数、配線の必要性によって回路をグループ化する。.
- トレースの長さと干渉を最小限にするために、機能的に関連する部品を近くに配置する。.
3.部品点数の最小化
- 部品点数を減らすことでコストが下がり、製造が簡素化されるため、プリント基板の層数を減らせる可能性がある。.
- 基板面積、電源配線、シグナルインテグリティ、絶縁要件、高速信号の数などに基づいて層数を決定する。.
4.デザイン要素の再利用
- コストを削減するために再利用可能なコンポーネントを設計する（例えば、うまく設計されたグランドプレーンは、構造層、EMIシールド、シグナルインテグリティのエンハンサーとして機能する）。.
- DFMルールに準拠：最小トレース幅、トレース間の間隔、正しいビア環状リングサイズ。.
5.コンプライアンスとEMC
- 初期設計段階からEMCおよび電力使用コンプライアンスを計画し、製品の品質を向上させ、コストのかかる手戻りを減らします。.
- 組み立てや性能のエラーを避けるため、基板サイズや部品配置の製造後の軽微な変更に対する許容誤差を許容する。.
6.取扱いと梱包
- 非対称のデザインは、取り扱い中に損傷を与える（故障につながる）可能性があるため避けること。.
- 壊れやすい部品や過度に柔軟な部品の使用を最小限に抑える。.
- 輸送中および使用中に基板を保護するため、安全でコンパクトな梱包材を使用してください。.
組立設計（DFA）
エレクトロニクス産業は、部品組み立ての容易さに依存している。デバイスは、ローカルおよびグローバルな部品を調達し、必要に応じて組み立てることで製造される。部品点数が少ないほど組立時間が短縮され、組立が容易なように設計されたモジュールは工程全体を合理化します。. DFA（組立設計） は、組み立ての容易さを優先した設計手法で、大幅なコスト削減を実現する。.
DFAベストプラクティス
1.部品の種類を減らす
- 複数の拠点で同じコンポーネントを使用することで、在庫を減らし、ピックアンドプレース作業を簡素化し、エラーを最小限に抑えます。.
2.部品を置きやすくする
- 極性マーカーがはっきりしている部品を選ぶと、方向がわかりやすい。.
- 実際の部品寸法に合ったフットプリントを設計し、信頼性の高いはんだ付けのために十分なパッド面積を確保する。.
3.部品を論理的にグループ化する
- テストやチューニングが必要なクラスターコンポーネント。.
- 機能別に部品をグループ化し、順序よく組み立てとテストを行えるようにする。.
4.自動組立設計
- 自動生産ラインのピックアンドプレースマシンやリフロー炉とのレイアウト互換性を確保する。.
- 基板を平らに保ち、隣接する部品の組み立ての妨げになるような背の高い部品は避けてください。.
5.手作業を許可する
- 手作業による組み立てステップのために、作業員がパッドやコネクターにアクセスできるスペースを確保すること。.
- 機器や人員による位置合わせには、フィデューシャルやクリアマーカーを使用する。.
6.優れた機械設計を使用する
- 筐体への取り付けを容易にするため、基板形状と取り付け穴を設計。.
- 取り付け位置を明確にし、取り付け時に基板にストレスを与えるような設計は避けてください。.
実践的なチェックと例
1.トレースの幅と間隔
- に従う。 PCBメーカーの トレースの幅と間隔の最低要件。.
- 幅の広いトレースはより多くの電流を運び、製造が容易である。トレース間の十分な間隔は短絡のリスクを低減する。.
2.デザイン経由
- 適切なビアサイズと環状リングを選択する。小さなビアはスペースを節約できるが、メッキが難しく、信頼性が低くなる可能性がある。.
3.ソルダーマスクとシルクスクリーン
- 短絡を防ぎ、はんだ付けを容易にするため、はんだマスクを使用する。.
- はんだ付け可能な部分に印刷しないよう、シルクスクリーンはパッドから離してください。.
4.火力発電計画
- 放熱のため、電源部品に適切な銅エリアを割り当てる。.
- 必要に応じてパッドにサーマルリリーフを使用し、敏感な部品の近くに熱がこもらないように電源部品を配置する。.
5.EMIと接地
- 強固なグランドプレーンと短いリターンパスを使用する。.
- 高速トレースは短くし、インピーダンスを制御する。.
- バイパスコンデンサを電源ピンの近くに配置し、電源ネットを注意深く配線する。.
6.組立テストポイント
- テストパッドは、他の部品に邪魔されることなく、プローブにアクセスしやすい位置に配置します。.
- プロービング中の損傷を防ぐため、標準サイズのテストパッドを使用してください。.
7.梱包と発送
- 静電気防止パッドを使用して基板を保護する。.
- ユニット間の折り曲げや接触を防ぐために基板を梱包し、露出したコネクタや壊れやすい部品を保護する。.
結論
PCB製造サイクルにおいて、製造コストの約70%は初期設計段階で決定されます。最初からDFMを導入することで、コストを削減し、市場投入までの時間を短縮することができます。DFTは製造後の機能性を保証し、DFAは組立時間とコストを削減します。DFT、DFM、DFAのベストプラクティスに従うことで、設計者は信頼性が高く、コスト効果の高いPCBを作成することができます。.
簡易チェックリスト（クイックレビュー用）
- キーネットのテストポイントを追加する。.
- ネットが制御可能で、観測可能であることを確認する。.
- 可能な限り標準部品を優先する。.
- 部品点数と層数を最小限に抑える.
- トレースの幅と間隔については、ベンダーの仕様に従うこと。.
- グランドプレーンを使用し、電源ピンの近くにバイパスコンデンサを配置する。.
- 実際の部品寸法に合わせたフットプリントの設計。.
- テストプローブやピックアンドプレースツール用のスペースを確保する。.
- 取り扱い、梱包、取り付けの計画を立てる。.
- プロトタイプのICTまたはフライング・プローブ・テストを実施する。.
