Relatia proiectare-contactare. Proiectarea pentru fabricatie

Relatia proiectare-contactare. Proiectarea pentru fabricatie

1. Conceptul de proiectare pentru fabricatie - DFM

Evolutia rapida a tehnologiei si cerintele societatii contemporane tind sa elimine conceptul de excelenta in modul de apreciere al unui produs.si sa reduca dramatic ciclul de viata al acestuia. Un produs este conceput pentru client, la un nivel determinat de calitate si in special cu reducerea costurilor. Costul de fabricatie redus pentru un nivel ridicat, dar determinat, de calitate cu reducerea timpului de lansare pe piata este cheia succesului economic pentru un produs pentru ca permite o margine a profitului ridicata. Acest deziderat este dependent de conceptia si proiectarea produsului.

Conditia de succes economic pentru un proiect este de a asigura produsului inca din faza de conceptie un nivel ridicat de calitate cu reducerea costurilor de fabricatie, in consecinta conditia de succes devine proiectarea pentru fabricatie.

Analizele economice efectuate privind ponderea fazelor din ciclul de viata al produsului (PLC) in stabilirea costurilor de fabricatie au demonstrat ca deciziile luate in faza de conceptie si proiectare a produsului determina peste 70% din costurile de fabricatie in timp ce deciziile luate in faza de productie au o pondere de maxim 20%. Mai mult, s-a demonstrat ca faza de conceptie are ponderea maxima in stabilirea costurilor de productie, a nivelului de calitate, al productibilitatii si al duratei de lansare pe piata.

Fig. 1.1. Ponderea fazelor PLC produs in costul de fabricatie

Pe baza acestor analize si a conditiei de asigurare a succesului economic pentru produs prin proiectare pentru fabricatie a fost dezvoltat conceptul de Proiectare Pentru Fabricatie ( Design For Manufacturing - DFM), care depaseste domeniul intrinsec, strict, al proiectarii prin luarea in considerare a interventiei congruente in toate fazele de dezvoltare si fabricatie al unui produs prin optimizari pe faze inerconditionate de ansamblul tuturor fazelor din ciclul de viata al produsului in scopul realizarii sinergieii la nivelul produsului a rezultatelor pozitive, imediate, de la nivelul local al fazelor PLC. Sinergia conceptului DFM se concretizeaza pentru procesul de dezvoltare al unui nou produs (New Product Development - NPD) prin reducerea timpului de lansare, asigurarea unui nivel de calitate ridicat la un cost de fabricatie optim, redus, oferind conditii pentru succesul pe piata si profitabilitate.

Principii generale DFM

Conceptul DFM presupune comunicarea si promovarea unor actiuni interdisciplinare pe toate fazele proiectului in scopul extragerii datelor pe baza carora se stabileste strategia si se elaboreaza cerinte si constrangeri specifice fiecarei faze (Fig. 1.2). Modul de actiune presupune minimizarea incertitudinilor specifice pe faze prin stabilirea unor cerinte generale determinate de nivelul tehnologic disponibil in proiectare si productie completate prin cerinte specifice produsului. Cerintele generale pot reprezenta un obiectiv specific unei faze sau al unui proces, de exemplu calitate, fiabilitate, posibilitati cat mai complete de testare, zero defecte la asamblare si sunt prezentete prin acronimul lor din limba engleza. Se cunosc:

DFA    Design For Assembly

DFD    Design For Disassembly

DFS Design For Speed

DFT Design For Test

DFTC  Design For Target costs

DFZ Design For Zero Defects

DFX    Design For Excellence

DFEMC Design For ElectroMagnetic Compatibility

DFESD Design For Electrostatic Discharge

DFI  Design For Instability

DFM Design For Maintainability

DFM   Design For Manufaturability

DFML Design For Material Logistic

DFP Design For Portability (Software)

DFQ    Design For Quality

DFR    Design For Reliability

DFR    Design For Reuse

DFS Design For Safety

DFS Design For Simplicity

Cerintele specifice produsului sunt determinate de conditia de asigurare a functionalitatii lui in conditii determinate de exploatare, service si mentenanta.

Metodologia DFM presupune stabilirea unei strategii de produs grefata pe strategia generala DFM a companiei si aplicarea unor principii conforme strategiei stabilite in conditiile determinate de cerintele si constrangerile generale si specifice produsului. Se pot enumera urmatoarele principii generale:

- Simplificarea proiectelor in scopul de a corespunde capabilitatilor tehnologice de productie prin utilizarea componentelor standardizate, reutilizarea unor segmente de proiecte, reducerea numarului de componente si utilizarea unor metode si solutii de simplificare a asamblarilor;

- Promovarea muncii in echipa si colaborarea dintre diferitele departamente implicate in proiect;

- Promovarea proceselor paralele;

- Educarea proiectantilor si a inginerilor de conceptie in domeniul tehnologiei de fabricatie si a cerintelor standadelor specifice;

- Introducerea unor constrangeri propuse proiectarii pe baza tolerantelor tehnologice de productie, a limitelor proceselor, a procedurilor, a programarii si organizarii productiei, a timpilor de productie prin contributia inginerilor de productie;

- Asigurarea documentatiei tehnice specifice proiectului;

- Utilizarea tehnicii de calcul si a softwarelor specializate CAD/CAE/CAM pentru procesul de proiectare, transferul datelor, analiza, introducerea si verificarea functionalitatii DFM.

Consider ca generalitatea si complexitatea conceptului Design For Manufacturing acopera domeniile definite prin conceptele aditionale precedente.

Fig. 1.2. Interactiuni specifice DFM

In aceste conditii DFM poate fi definit ca un proces continuu de concepere si promovare a solutiei optime pentru reducerea timpului de lansare pe piata, cresterea calitatii, imbunatatirea performantelor produsului, cresterea profitabilitatii, cresterea competitivitatii companiei si intarirea pozitiei ei pe piata prin luarea in considerare inca din faza de conceptie a limitelor si performantelor tehnologice ale proceselor de productie din companie.

Beneficiile companiei prin aplicarea conceptului DFM pot fi directe si imediate in ceea ce priveste cresterea generala a performantelor si rezolvarea problemelor de fabricatie prin promovarea produselor pentru fabricatia cu tehnologia proprie. Se pot lua in calcul beneficiile potentiale in cazul NPD, ca de exemplu:

- scurtarea timpului de lansare pe piata;

- reducerea costurilor de producti8e;

- imbunatatirea calitatii;

- cresterea fiabilitatii;

- optimizare activitatii efective de transfer tehnologic;

- cresterea satisfactiei clientului;

- abilitatea de a rezolva probleme complexe de productie in limitele tehnologiei existente;

- scurtarea procesului de proiectare si realizare a prototipului, premize pentru accelerarea executiei proiectului in ansamblu;

- reducerea timpului de recuperare a investitiei cu o margine de profit ridicata;

- reducerea iteratiilor in proiectare si a efortului de proiectare tehnologica;

- optimizarea resurselor si reducerea timpului de munca pe proiect;

- abilitati de identificare timpurie a necesitatilor de modificare in procesul de dezvoltare si evitarea angajarii unor cheltuiei nejustificate;

- cresterea activitatii de inovare prin participarea specialistilor din zona de productie in zona de conceptie;

- capabilitatea de a promova solutia corecta de la prima iteratie;

- experienta si capabilitati crescute privind munca in echipa;

- imbunatatirea comunicarii interdepartamentale si intre individ si comunitate.

2. Proiectare pentru fabricatie prin tehnologia de lipire la val

In conformitate cu variantele de echipare a PCBs rigide (Fig. 2.1), tehnologia de lipire la val permite lipirea 1A - complet, 1C - numai componentele THT, 2B - val selectiv cu mascarea componentelor, 2C - complet cu montarea prin adeziv a componentelor SMD pe bottom, 2CX - val selectiv si montare cu adeziv a componentelor.

Fig. 2.1 Variante de echipare a PCBs conform IPC

Componentele SMD montate cu adeziv pe bottom necesita geometri diferite pentru paduri, distante intre componente si intre trasee, reguli de orientare, functie de directia si sensul de lipire. In general se creste aria padului pentru lipirea la val. Din punct de vedere al proiectarii se recomanda trecerea la echiparea smd pe bottom incepand cu componente chip, in scopul de a reduce numarul de componente smd complexe montate pe aceasta suprafata. Componentele chip vor fi montate perpendicular pe directia de lipire iar capsulele "dual in line" paralel cu directia de lipire (Fig. 2.2).

Pentru prevenirea fenomenului de umbrire si de salt al valului peste componentele de inaltime mica este recomandat sa se evite plasarea componentelor smd inalte, de exemplu condensatori cu tantal in vecinatatea unor capsule ca SOT23. In acest caz este recomandat valul Worthmann. La capsulele DIP, SOICsi in general capsulele axiale se recomanda utilizarea unui pad suplimentar recuperator de aliaj in exces pentru evitarea puntilor (Fig. 2.3 si 2.4).

Fig. 2.2. Orientarea componentelor SMD

Acest pad se pune opus pe directia valului la acelasi pas dar de trei ori lungimea unui pad normal. In cazul componentelor QFP se utilizeaza plasarea componentei la 45° in raport cu directia valului (Fig. 2.3. c).

a. b. c.

Fig. 2.3. Pad recuperator

Fig. 2.4. Pozitia padului recuperator in raport cu directia si sensul valului

Componentele smd cu terminale J (PLCC) sau componentele QFP si BGA nu pot fi lipite la val prin montare cu adeziv deoarece terminalele sunt mascate de corpul componentei. Pentru rezolvarea situatiei cand avem componente THT top si componente smd de acest tip bottom, se utilizeaza lipirea selectiva la val cu mascarea prin structuri proiectate special a componentelor smd lipite anterior prin retopire (Fig. 2.5).

Pentru lipirea selectiva la val se recomanda:

- gruparea componentelor pe zone SMD - THT;

- distanta de minim 3.8mm intre componentele de granita SMD - THT;

- inaltime de maximum 2.4mm pentru componentele SMD

Pentru lipirea la val este necesara panelarea placilor prin frezare (Fig. 4.6) sau prin taietura in V - scoring (Fig. 4.7), conform IPC 782 / 7351.

a. b.

Fig. 2.5 Structura de lipire selectiva la val

3. Proiectare pentru fabricatie prin tehnologia de lipire prin retopire

In conformitate cu variantele de echipare a PCBs rigide (Fig. 2.1), tehnologia de lipire prin retopire permite lipirea 1B - SMD top complet, 1C - SMD top complet si THT cu tehnologia PIN - IN - Paste, 2B, 2C - SMD top complet si montare cu adeziv SMD bottom, 2CX - SMD top si bottom complet completat cu val selectiv pentru bottom.

Se recomanda orientarea componentelor pe una sau doua axe in scopul simplificarii inspectiei optice (Fig. 3.1) cu spatii de siguranta conform reglementarilor IPC (Fig. 4.3).

Tehnologia de lipire prin retopire pe linii automate SMT necesita elemente de referina pe placi Aceste referinte se numesc fiduci, fiducials sau fiducial marks. Se utilizeaza fiduci de componenta (local fiducials), de placa (global fiducials) si de panel (Fig. 4.2). Conform IPC (Fig. 4.1) fiducii cei mai utilizati au dimensiunile 50/150mls. Fiducii nu pot fi amplasati la mai putin de 4.75mm de marginea placii si esse cere ca neuniformitatile stratului de acoperire sa nu depaseasca 0.015mm.

a. b.

Fig. 3.1. Orientarea componentelor SMD pentru lipirea prin retopire

a. b. c.

Fig. 3.2. Recomandari pentru proiectarea placilor pentru lipirea prin retopire

Se recomanda pastrarea unui ecart intre solder mask si pad de circa 5 mls pe contur (Fig. 3.2. a) si utilizarea puntilor termice (thermal relief) pentru racordarea padurilor de dimensiuni mari (Fig. 3.2. b). In cazul neutilizarii acestei proceduri de racordare a padurilor la traseu sau la selectarea suprafetelor active pentru radiatia termica corespunzatoare radiatoarelor componentelor de putere, in cuptor la retopire se va deplasa componeta fara terma relief (Fig. 3.2. c).

Pentru lipirea prin retopire pe liniile automate SMT este necesara panelarea placilor prin frezare (Fig. 4.6) sau prin taietura in V - scoring (Fig. 4.7), conform IPC 782 / 7351.

4. Continut si cerinte DFM pentru proiectul pcb

A. Format:

Documentatia pcb va fi in format Gerber 274X, sau fisiere gerber cu extensia: *.gtd. *.gbr, *.grb, *.gbx, *ger, *.pho, *cam, *pcb

Documentatia mecanica va fi in format *.dxf

B. Continut

Documentatia minima necesara d.p.d.v tehnologic trebuie sa contina:

PCB drilling and cutting info. Desenul de executie pcb.Trebuie sa contina referinta, cotele de executie, cote fiduci.

Fisierele gerber pentru pcb produs ( caz: componente pe ambele fete, n layers):

- Assembly top (AST)

- Assembly bottom (ASB)

- Layer top (TOP)

- Layer bottom (BOT)

- Solder mask top (SMT)

- Solder mask bottom (SMB)

- Solder paste top (SPT)

- Solder paste bottom (SPB)

- Silkscreen top (SST)

- Silkscreen bottom (SSB)

- Contur (border) ( BRD, MLL )

- Fisierul de gaurire (TAP)

Specificatia tehnica pcb. Cuprinde toate conditiile tehnice si tehnologice necesare fabricarii pcb.

Fisa tehnologica pcb. Insoteste specificatia tehnica pcb. Prezinta structura pcb si documentatia tehnologica specifica pcb.

Proiectul de panelare:

- PCB panel drilling and cutting info- Desenul de executie panel.Trebuie sa contina referinta, cotele de executie, cote fiduci.

- Fisierele gerber pentru panel

- Assembly top panel ( _P.AST)

- Assembly bottom panel ( _P. ASB)

- Solder mask top panel ( _P .SMT)

- Solder mask bottom panel (_P. SMB)

- Solder paste top panel (_P. SPT)

- Solder paste bottom panel (_P.SPB)

- Fiducials top

- Fiducials bot

- Contur panel (border) ( BRD, MLL )

Lista cuprinzand coordonatele centrelor componentelor si fiducilor (text sau excel)

Lista de materiale(codificare componente, cod, tip, nume producator, caracteristici). Listele de materiale vor permite specificarea componentelor generala, top/bot, smd/th.

C. Cerinte SMD

Fiducials

- Sunt necesari 3 fiduci de aceasi dimensiune (eroare max. 25µm(0.001in) intr-un proiect pcb

plasati la min.4.75mm(0.187in) de marginile placii.

- Dimensiuni: diametru minim 1mm(0.040in); maxim 3mm(0.120in)

- Pastila poate fi lasata cupru pur, cupru OSP , nichelata sau acoperita cu cositor. Sunt admise

denivelari pe suprafata pastilei de max. 0.015mm(0.0006in).

- Zona de contrast din jurul pastilei are diametrul egal cu 3 dimetre de pastila si nu este

acoperita de solder mask.

Fig. 4.1. Definitie fiducials

Trasee si paduri. Amplasare componente

- Padurile vor fi de dimensiuni standard functie de fata pe care sunt amplasate componentele. Optim este sa fie realizate dintr-o singura apertura tip flash.

- Padurile vor fi conectate la trasee sau la suprafetele de cupru prin punti cu latimea sub1/3 din latura respectiva a padului.

- Solder mask va avea un ecart de min. 5mls in jurul padului.

- Silkscreen nu va fidepus pe paduri sau sub componente.

- Este necesar un spatiu liber de componente cu lungimea de 4.5mm in partea anterioara pcb

(conform directiei de lipire) inclusiv marginea tehnologica (daca exista).

Fig. 4.2. Amplasarea fiducilor pe placa si pe panel

Fig. 4.3. Distantele de siguranta minime intre componentele SMD

D. Cerinte pentru val

Fig. 4.4. Orientarea componentelor SMD lipite la val

Fig. 4.5. Amplasarea componentelor pe pcb pentru un control vizual rapid

F. Cerinte pentru panel

- Dimensiuni : - lungime (51 - 400) mm

- latime (51 - 280) mm

- Margine tehnologica: min. 4.5mm paralela la directia de lipire

- Grosime pcb: (0.8 - 5)mm

- Greutate max. placa asamblata: 2Kg

Fig. 4.6. Detalii pentru panelarea prin frezare (routed)

Fig. 4.7. Detalii pentru panelarea prin scoring (Vcut)

Fig. 4.8. Model FISA TEHNOLOGICA PCB

Fig. 4. Model SPECIFICATIE TEHNICA PCB

Bibliografie

[1] Improving Lead-Free Joint Quality With Nitrogen - SMT October 2006

[2] The Effect of Voiding in Solder Interconnections Formed from Lead Free Solder pastes with Alloys of Tin, Silver and Copper - IPC Solder Products Value Council

[3] Understanding 'tombstoning' and how to prevent it - Harry Trip, 2003

[4] Does PCB finish affect voiding levels in lead-free assemblies? - David Bernard, Keith Bryant, 2003

[5] Multi-criterial Approach for Implementing of Lead-free Technology - S. Jianu, I. Plotog, C. Turcu, T. C. Cucu, N. D. Codreanu, 2006

[6] Lead-Free Soldering: DOE Study to Understand its Affect on Electronic Assembly Defluxing - Mike Bixenman, Dirk Ellis, Steve Owens, 2004

[7] Traian C. Cucu, Norocel-Dragos Codreanu, Ioan Plotog, 'Reflow process using lead free materials-basics and comparison with tin-lead process', Proceedings of the 2005 Interntional Symposium for Design Technology and Electronics Packaging (SIITME 2005), Cluj-Napoca, Romania, September 22-25, 2005, pp. 250 - 255.

[8] I. Plotog, S. Jianu, C. Turcu, T. C. Cucu, N. D. Codreanu, "Multi-criterial Approach for Implementing of Lead-free Technology", 4th European Microelectronics and Packaging Symposium, May 21-24, Terme Catez, Slovenia, pp. 301-306.

***, Internet web sites related to DFM topics.

***, www.ipc.org

IPC Reviews 2005,2006

[12] ***, DIRECTIVE 2002/95/EC OF THE EUROPEAN PARLIAMENT AND OF THE COUNCIL on the restriction of the use of certain hazardous substances in electrical and electronic equipment, January 27, 2003.

[13] ***, UK Government Guidance Notes SI 2005 No. 2748, November, 2005.

[14] ***, COMMISSION DECISION 2005/618/EC amending Directive 2002/95/EC for establishing the maximum concentration values - document no. C(2005) 3143, August 18, 2005.

[15] ***, UK, University of Bolton, Department of Computing & Electronic Technology, Advanced Microelectronics for Industrialists - on line course

[16] ***, https://nepp.nasa.gov, NASA Basic Info/FAQ Basic Information Regarding Tin WhiskersBasic