Каждая печатная плата должна быть спроектирована таким образом, чтобы затраты на ее производство, а также проблемы, которые могут возникнуть в процессе изготовления и монтажа, были сведены к минимуму. Для того чтобы проект платы соответствовал этим требованиям, используется подход DFM (design for manufacturing или design for manufacturability), то есть «проектирование с учетом технологических требований производства», или «проектирование с учетом пригодности для производства» (рис. 1).
DFM-анализ проекта платы, выполненный перед ее отправкой на производство, позволяет заранее выявить и устранить потенциальные дефекты, обеспечивая тем самым изготовление плат и электронных блоков в точном соответствии со всеми требованиями и спецификациями.
DFM объединяет два процесса — DFF и DFA. Процесс DFF (design for fabrication) отвечает за проект печатной платы и контролирует параметры, связанные с производством базовой печатной платы. DFA (design for assembly) предназначен для выявления и устранения потенциальных проблем, которые могут возникнуть в ходе монтажа электронных компонентов. Таким образом, подход DFM подразумевает полный анализ проекта печатного узла на всех его стадиях и используется для подготовки к производству печатной платы под ключ — от изготовления до сборки.
Что означает «проектирование с учетом пригодности для производства»?
DFM по сути представляет собой набор рекомендаций по проектированию, которые должны обеспечить технологичность печатных плат. И для того чтобы на заключительном этапе производства вдруг не возникли проблемы, производители активно используют DFM-анализ для выявления возможных дефектов и их устранения уже в ходе проектирования. Кроме того, DFM, являясь общей платформой коммуникации между разработчиками и производителями, упрощает процесс согласования проекта платы и внесения в него необходимых изменений.
DFM-анализ позволяет обнаружить недостатки в компоновке печатной платы, которые впоследствии, во время изготовления и сборки, могут привести к возникновению проблем, связанных с геометрией печатной платы. Зачастую проектировщики упускают из вида этот нюанс, поэтому перед запуском изделия в производство необходимо выполнить DFM-анализ для выявления таких дефектов.
Зачем нужен DFM-анализ печатным платам, которые уже изготавливались?
Если печатная плата работает должным образом и инженер-конструктор ею тоже доволен, зачем проводить дополнительные проверки с помощью DFM? Ответ на этот вопрос заключается в оптимизации конечной стоимости печатной платы и устранении потенциальных возможностей для выхода изделия из строя.
- Теоретически, в стоимостном отношении разработка проекта с DFM-проверкой обходится дороже, чем без нее. Но лучше немного перестраховаться и убедиться в том, что конструкция вашего изделия оптимальна и полностью соответствует требованиям производства на всех этапах.
- Как правило, в соответствии с проектными требованиями инженеры CAM редактируют данные, касающиеся контролируемых трасс и компоновки. Это может повлечь риски возникновения дефектов, связанных с электромагнитными помехами и целостностью сигнала.
- Печатные платы, правильно собранные и протестированные, все равно могут выйти из строя. Основная причина заключается в том, что проектные данные могут содержать ошибки, которые были устранены в прототипе, но не были реализованы во время производства.
Почему разработчики печатных плат должны выполнять DFM-анализ своих проектов?
Лучше потратить время и средства и выявить все потенциальные дефекты с помощью DFM-анализа, чем позволить им испортить вашу схему и затем искать решение проблем постфактум. В дальнейшем ошибки при проектировании могут привести к следующим неисправностям:
- печатная плата не работает;
- печатная плата работает некорректно, не выполняя всех требуемых функций, по причине несоответствия компонентов или задержкам сигналов на плате.
- случайный на первый взгляд сбой, не имеющий никакой связи с внешними факторами.
DFM-анализ позволяет обнаружить наиболее распространенные ошибки, допущенные проектировщиками печатных плат
В таблице 1 приведено описание шести типов наиболее распространенных ошибок, которые допускают разработчики при проектировании печатных плат. Эти ошибки можно обнаружить помощи DFM-анализа.
1. Кислотная ловушка
Изгибы трасс под углом менее 90° приводят к образованию кислотных ловушек
Для того чтобы определить потенциальные кислотные ловушки, необходимо знать, как располагаются проводящие дорожки на поверхности печатной платы. Если какой-либо медный элемент изогнут под углом меньше 90°, то есть под острым углом, образовавшееся место может действовать как ловушка для кислот, которые используются во время изготовления платы. Обычно этот дефект возникает перед отмывкой, когда остатки кислоты собираются в местах изгиба и не удаляются, из-за чего медный элемент начинает разрушаться (чрезмерное травление), создавая обрыв цепи. Очень важно избегать возникновения кислотных ловушек (рис. 2), поскольку в современных платах медные дорожки очень тонкие (4–5 мил).
Во избежание появления кислотных ловушек следует воздержаться от размещения дорожек, идущих к площадкам, под острыми углами. Лучше подводить дорожки под углом 90° к площадке.
2. Козырьки над паяльной маской
Плавающие «козырьки» медной/паяльной маски образуют антенны
«Козырьками» (рис. 3) называют нависающие части печатного проводника, которые образуются в результате действия двух факторов — избыточного наращивания и бокового подтравливания, и представляют собой небольшие, иногда свободно плавающие на плоскости, клинья меди (проводящие) или паяльной маски (непроводящие). Часто «козырьки» образуют антенну, создающую шум и другие помехи внутри платы. Не имея заземления, они действуют как улавливатель сигнала.
Возникновения «козырьков» можно избежать (рис. 4), если устанавливать медные (рис. 3). Медные полоски ответственны за шум и помехи, так как образуют антенну элементы на расстоянии около 4 мил. На рисунке показано расстояние между вырезами в медном полигоне (так называемыми негативными площадками). Этот прием не дает стопроцентной гарантии, но значительно снижает вероятность повторного осаждения меди в других частях слоя. При этом чем выше толщина меди, тем шире необходимый зазор.
3. Ограниченные термобарьеры
Ограниченные термобарьеры вызывают проблемы в процессе пайки
Для обеспечения достаточного количества тепла в процессе пайки используются термобарьеры — небольшие медные элементы в тепло изолирующей площадке. Фактически они предотвращают рассеивание
тепла, что создает прочное паяное соединение и точное электрическое соединение между контактной площадкой и выводом компонента. В некоторых случаях зазоры между площадкой и полигоном могут
вызвать неполное соединение, сводя к минимуму концентрацию тепла, необходимую для формирования правильного паяного соединения, что становится причиной различных функциональных проблем, а кроме
того, зазоры ухудшают электрическое соединение. Термобарьеры, на которые влияют пустоты, называются ограниченными (рис. 5). Их возникновение приводит к увеличению времени оплавления в процессе монтажа и отрицательно сказывается на качестве пайки.
4. Недостаточный диаметр выреза в опорном слое
Отсутствие негативной площадки приводит к короткому замыканию
Сквозные металлизированные отверстия, у которых отсутствуют негативные площадки, будут соединяться со всем слоем. При этом если таких негативных площадок нет на всех слоях, то соединены будут все плоскости напряжения.
5. Сужение и разрыв гарантийного пояска
Гарантийный поясок недостаточного размера приводит к обрыву цепи
Если диаметр сверла превышает размер отверстия, для которого необходимо оставить гарантийный поясок, это может привести к отсоединению контакта или короткому замыканию в плоскости питания (рис. 6).
6. Короткое замыкание слоя
Медные элементы, расположенные слишком близко к краю платы, приводят к замыканию соседних слоев
Иногда между медным элементом и краем печатной платы имеется недостаточный зазор, то есть медный элемент расположен слишком близко к краю, из-за чего могут возникнуть замыкания при подаче тока между соседними слоями. Происходит это из-за оголенной меди по периметру платы.
Варианты решения данных проблем мы рассмотрим в следующей статье.
Оригинал статьи расположен в журнале "Технологии в электронной промышленности" №1 2024