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Ansys-Blog

November 9, 2020

Design for Manufacturing (DfM) Best Practices

Fertigungsprobleme sind einer der Hauptgründe für Garantierückgaben und den Verlust von Marktanteilen in der Elektronikindustrie. Probleme wie Ausfälle in der Lieferkette und Probleme bei der Herstellung von Leiterplatten (PCBA) im Zusammenhang mit dem Design können den Ruf einer Marke irreparabel schädigen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, dass Unternehmen über ein DfM-Protokoll (Design for Manufacturability) verfügen, um diese Probleme zu entschärfen.

DfM stellt sicher, dass Fertigungsfehler durch eine Reihe von Best Practices reduziert werden, die darauf abzielen, Fehler zu reduzieren und die Qualität und Zuverlässigkeit der Lieferketten zu überprüfen - und, was am wichtigsten ist, sicherzustellen, dass dieser Prozess frühzeitig in der Designphase implementiert wird.

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Was ist Design für Herstellbarkeit?

Unter Design for Manufacturability (DfM) versteht man den Prozess, der sicherstellt, dass ein Design von der vorgesehenen Lieferkette mit einer minimalen Anzahl von Fehlern hergestellt werden kann. Wird DfM erst in einer späten Phase des Designprozesses berücksichtigt, führt dies fast immer dazu, dass Probleme mit der Herstellbarkeit zu spät erkannt werden, was mehrere Designiterationen und erhöhte Kosten nach sich zieht.

Die allgemeine Faustregel lautet, DfM frühzeitig und proaktiv einzuführen. Das kann sich auszahlen, denn wenn man im Vorfeld Geld ausgibt, um Probleme im Nachhinein zu erkennen, kann man später erhebliche Kosten einsparen.

DfM wird in der Regel aus den folgenden Gründen im Designprozess übersehen:

Kosten aufgrund von Zuverlässigkeit und Herstellung
Probleme können zunehmen
je später sie im Designprozess berücksichtigt werden

  • Wenig Einblicke in die Lieferkette.
  • Der Erstausrüster (OEM) verlangt kein Feedback zu DfM oder hat eine zu einfache Checkliste.
  • DfM-Aktivitäten bei OEMs sind nicht standardisiert oder aufgeteilt.
     

Design for Manufacturability: Überprüfung bewährter Praktiken

1. Nutzung von Industriestandard-Designregeln

Die Nutzung bestehender Industrienormen (IPC, JEDEC, ASTM, ISO) ist, wenn möglich, ein guter Ausgangspunkt für eine DfM-Überprüfung. Diese Normen sind in vielen Fällen erprobt und bewährt. Sie bieten einen Einblick in Standard-Design-Praktiken und Zuverlässigkeitstests für PCBs und PCBAs.

Beispiele für IPC-Normen und Prüfverfahren, die Sie verwenden können, sind:

  • IPC-2221- Generischer Standard für das Design von gedruckten Schaltungen
  • IPC-A-600 Akzeptanz von PCBs
  • IPC-A-610 Akzeptanz von elektronischen Baugruppen
  • IPC J-STD-001D - Anforderungen für gelötete elektrische & elektronische Baugruppen
  • IPC-7095 Design- und Montageprozess-Implementierung für BGAs
  • J-STD-020D.01: Gemeinsamer IPC/JEDEC-Standard für die Klassifizierung der Feuchtigkeits-/Rückflussempfindlichkeit von nicht hermetischen oberflächenmontierten Festkörperbauteilen
  • IPC-TM-650: Handbuch der Testmethoden
    • Abschnitt 1.0: Berichterstattung und Messanalyseverfahren
    • Abschnitt 2.1: Visuelle Prüfverfahren
    • Abschnitt 2.2: Abmessungsprüfverfahren
    • Abschnitt 2.3: Chemische Prüfverfahren
    • Abschnitt 2.4: Mechanische Prüfverfahren
    • Abschnitt 2.5: Elektrische Prüfverfahren
    • Abschnitt 2.6: Umweltprüfverfahren

Bedenken Sie, dass Normen veraltet sein können und dass es wichtig ist, zusätzliche Aspekte zu berücksichtigen, die für Ihr Design charakteristisch sind. Kommunizieren Sie während dieses Prozesses mit Ihren Zulieferern. Zusammenarbeit ist hierbei das A und O - Sie sollten Vertreter aus den Bereichen Design, Fertigung, Qualität, Zuverlässigkeit und Einkauf in den DfM-Prozess einbinden.
 

2. Durchführen einer formalen Designprüfung

Der nächste Schritt bei der Implementierung von DfM in Ihren Arbeitsablauf ist die Initiierung einer formalen Designprüfung. Dies kann von einem internen oder externen Team durchgeführt werden. Das Designteam der Überprüfung sollte vom Hersteller isoliert sein.

Bei einer Designprüfung wird ein Produkt, ein System oder eine Anwendung beurteilt und sichergestellt, dass jede Komponente den Industriestandards entspricht. Dies ist ein entscheidender Schritt, da er sicherstellt, dass Sie ein effektives Produkt bauen und ein erfolgreiches Design entwickeln, bevor Sie einen Prototyp herstellen. Dadurch werden Unternehmensressourcen geschont, Kosten gesenkt und vor allem die Markteinführung beschleunigt.
 

3. Verwendung von Simulations- und Entwurfssoftware

Simulation kann in bestimmten Fällen genutzt werden, um Fehlerquellen im Zusammenhang mit der Herstellbarkeit nach dem Reflow-Prozess besser zu verstehen. Ein Prozess, der mit Hilfe von Simulationen bewertet werden kann, ist der In-Circuit-Test (ICT), der während der PCBA-Fertigung zur Prüfung auf Fehler eingesetzt wird. In einigen Fällen kann der ICT eine übermäßige Biegung der Leiterplatte verursachen und zu Bauteilausfällen führen.

Ein Tool wie Ansys Sherlock kann eine In-Circuit-Testanalyse durchführen, um die Komponenten zu analysieren, die überlastet werden könnten. Folgend können schnell Änderungen am Leiterplattendesign oder am ICT-Test verglichen werden. Dazu gehören die Anpassung der Testpunktpositionen, die Reduzierung der Testpunktlasten und -verschiebungen oder das Hinzufügen oder Verschieben von Leiterplattenstützen. So kann festgestellt werden, welche Komponenten auf der Leiterplatte während des ICT am meisten gefährdet sind.

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Die Ansys Sherlock-Analyse ergibt, dass 4 Widerstände auf einer Leiterplatte
beim Einstecken des Steckers der Gefahr einer kritischen Überbeanspruchung ausgesetzt sind

Ein weiterer Bereich, in dem die Simulation im DfM-Prozess hilfreich sein kann, ist die Starrflex-Technologie, die für die Entwicklung vieler Unterhaltungselektronikgeräte wie Smartphones und Laptops mit gekrümmten oder kleinen Formfaktoren verwendet wird. Bei dieser Technologie gibt es oft mehr Fertigungsschritte, und es kann schwierig sein, Designänderungen vorzunehmen. Die Simulation kann in diesem Fall eingesetzt werden, um potenzielle Fehlerrisiken zu ermitteln und die Designs für Ihr gewünschtes Produkt zu optimieren.

Die Modellierung von Leiterbahnen wurde vor kurzem als neue Funktion in Sherlock eingeführt und kann besonders nützlich für die Simulation von Starrflex-Technologie sein. Mit dieser Technologie können Sie einzelne Kupferbahnen modellieren, die sich in den verschiedenen Schichten Ihrer Leiterplatte befinden. Bei der Leiterbahnmodellierung erstellen Sie zunächst die Geometrie und weisen dann Materialien und ein Mesh zu. Dies ist vergleichbar mit dem Trace Mapping, das in Ansys Mechanical verfügbar ist. Beide Funktionen sind gut geeignet, um kleine Details Ihrer Leiterplatte für die Simulation zu erfassen.

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4. Durchführung eines Material- und Prozessaudits

Als letzter Schritt im DfM-Prozess ist es wichtig, Audits bei Ihren Leiterplattenherstellern, deren Vertragsherstellern (CMs) und deren Zulieferern durchzuführen - einschließlich eines Audits vor Ort, um deren Materialien und Verfahren zu überprüfen, insbesondere vor einem großen Produktionsdurchlauf.

Eine Dienstleistung wie die Lieferantenbewertung kann die Komponenten und Technologien der Lieferanten bewerten, um sicherzustellen, dass sie den Industriestandards entsprechen und Ihr Produkt keine Zuverlässigkeitsprobleme aufgrund von Herstellungsfehlern aufweist.

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