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Ansysブログ

November 9, 2020

Design for Manufacturing (DfM) のベストプラクティス

製造上の問題は、エレクトロニクス業界で保証の返品や市場シェアの低下を引き起こす最大の理由の一つです。設計に関連したサプライチェーンの障害やプリント基板アセンブリ(PCBA)の製造上の課題などの問題は、ブランドの評判に取り返しのつかないダメージを与えることにつながります。したがって、企業はこれらの問題を軽減するために、製造性を考慮した設計(Design for manufacturability: DfM)プロトコルを導入することが重要です。

DfMは、欠陥を減らし、サプライチェーンの品質と信頼性を見直すことを目的とした一連のベストプラクティスを通じて、製造上のエラーを確実に抑制します。そして最も重要なことは、このプロセスを設計段階の早い時期に実施することです。

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Design for Manufacturabilityとは?

製造性を考慮した設計(DfM)とは、設計したものを指定したサプライチェーンで最小限の欠陥で一貫して製造できるようにするプロセスです。設計プロセスの後半までDfMを見過ごしてしまうと、ほとんどの場合、製造性の問題を発見するのが遅くなり、何度も設計を繰り返すことになり、費用も増加します。

一般的な経験則では、DfMを早期に、かつ積極的に導入することです。フロントエンドに費用をかけてバックエンドの問題を解決することで、将来的には大幅なコスト削減につながるからです。

DfMは、次のような理由でデザインプロセスにおいて見過ごされがちです。

信頼性と製造に起因するコスト
の問題が桁違いに大きくなることがあります。
設計プロセスでの対応が遅くなるほどです。

  • サプライチェーンに対する乏しいインサイト
  • OEMは、DfMに関するフィードバックを要求していないか、あるいはあまりにも単純なチェックリストを用意しています。
  • OEMでのDfM活動は標準化されておらず、分散していません。

Design for Manufacturability:ベストプラクティスのレビュー

1.業界標準の設計ルールの活用

既存の業界標準(IPC、JEDEC、ASTM、ISO)を可能な限り活用することは、DfMレビューの良い出発点となります。これらの規格は、多くの場合、試行錯誤されています。これらの規格は、PCBやPCBAの標準的な設計手法や信頼性試験に関する知見を提供します。

使用できるIPC規格やテスト方法の例は以下の通りです。

  • IPC-2221-プリント基板設計に関する汎用規格
  • IPC-A-600 プリント基板の許容範囲
  • IPC-A-610 電子機器組立品の受容性
  • IPC J-STD-001D - 電気電子機器用はんだ付け部品の要求事項
  • BGAのIPC-7095設計および組立プロセスの実装
  • J-STD-020D.01:J-STD-020D 01:非密閉型固体表面実装デバイスの湿度/リフロー感度分類に関するIPC/JEDEC合同規格
  • IPC-TM-650:試験方法マニュアル
    • Section 1.0:報告および測定分析方法
    • セクション 2.1:目視によるテスト方法
    • セクション 2.2:寸法試験方法
    • セクション 2.3:化学試験方法
    • セクション 2.4: 機械的試験方法
    • セクション 2.5:電気試験方法
    • セクション 2.6: 環境試験方法

規格は後ろ向きなものである可能性があることを念頭に置き、設計に特有の追加事項を検討することが重要です。このプロセスでは、サプライヤーとのコミュニケーションを大切にしてください。コラボレーションが重要です。設計、製造、品質、信頼性、購買の各チームの代表者がDfMプロセスに参加する必要があります。

2.正式なデザインレビューの実施

ワークフローにDfMを導入する次のステップは、 正式な設計レビューを開始することです 。この作業は社内外のチームが行うことができますが、レビューを行う設計チームはメーカーから隔離されている必要があります。

設計レビューは、製品、システム、アプリケーションを評価し、各コンポーネントの性能が業界標準に達していることを確認するものです。これは、試作品を作る前に、効果的な製品を作り、成功するデザインを開発していることを確認するための重要なステップです。これにより、ビジネスのリソースを節約し、コストを削減し、最も重要なことですが、市場投入までの時間を短縮することができます。

3.シミュレーションと設計ソフトウェアの使用

シミュレーションは、リフロー後の製造性に関連する不具合の原因をより良く理解するために、特定のケースで活用することができます。シミュレーションで評価可能なプロセスの1つに、PCBA製造時に欠陥検査に使用されるインサーキットテスト(ICT)があります。ICTは、PCBAの製造時に欠陥を検査するために使用されますが、場合によっては、基板の過度なたわみを引き起こし、部品の故障につながることがあります。

Ansys Sherlock のようなツールでは、回路内テスト解析を実行して、オーバーストレスのリスクがあるコンポーネントを評価し、テストポイントの位置の調整、テストポイントの荷重や変位の低減、ボードサポートの追加や移動など、PCB設計やICTテストの変更を迅速に比較して、ICT中にボード上のどのコンポーネントが最もリスクにさらされているかを確認することができます。

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Ansys Sherlockの解析により、PCB上の4つの抵抗器が、
コネクタ挿入時に重大な過負荷を受ける危険性があると判断されました。

DfMプロセスでシミュレーションが役立つもう一つの分野は、リジッドフレックス技術です。リジッドフレックス技術は、スマートフォンやラップトップなど、曲面や小さなフォームファクタを持つ多くの家電製品の設計に使用されています。この技術は製造工程が多く、設計変更を行うのが難しい場合があります。このような場合にシミュレーションを利用することで、潜在的な故障リスクを把握し、目的の製品に向けて設計を最適化することができます。

トレースモデリングは、最近Sherlockの新機能として導入され、特にリジッドフレックス技術のシミュレーションに役立ちます。この技術では、回路基板の様々な層に見られる個々の銅トレースをモデル化することができます。トレースモデリングでは、実際にまずジオメトリを構築し、次にマテリアルとメッシュを割り当てます。この機能は, Ansys Mechanical で提供されているトレースマッピングに似ています.どちらの機能も、シミュレーションのためにPCBの細かい部分をキャプチャするのに適しています。

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4.材料およびプロセスオーディットの実施

最後に、DfMプロセスの最後のステップとして、PCBメーカー、CM(コントラクトメーカー)、サプライヤーの監査を行うことが重要です。

サプライヤーアセスメントのようなサービスは、サプライヤーの部品や技術を評価して、それらが業界標準を満たしていることを確認し、製品が製造上のミスによる信頼性の問題を起こさないことを確認することができます。

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