DFM kann ganz allgemein als die Entwicklung von Produkten definiert werden, die einfach und kostengünstig zu fertigen sind. Warum ist das wichtig? Die Bedeutung der fertigungsgerechten Gestaltung wird durch die Tatsache unterstrichen, dass:
etwa 70 Prozent der Herstellungskosten eines Produkts (Material-, Verarbeitungs- und Montagekosten) durch Design-Entscheidungen mitbestimmt werden
nur 20 Prozent dieser Kosten sich auf Produktionsentscheidungen zurückführen lassen (zum Beispiel Verfahrensplanung oder Werkzeugmaschinenauswahl)
Wenn Sie also die Markteinführungszeit, die Produktionskosten und die Qualität Ihres Produkts unter Kontrolle halten wollen, sind die in der Entwurfsphase getroffenen Entscheidungen am wichtigsten. Das ist der Wirkungsbereich von DFM.
DFM und NPI
Auf dem Elektronikmarkt wird das Design for Manufacturing auf die Leiterplatte angewandt. Ihre Produktion besteht aus zwei unterschiedlichen Phasen:
Fertigung der blanken Leiterplatte, auf der die Komponenten angebracht werden
Montagevorgang, bei dem die Komponenten auf der Leiterplatte angebracht werden
Technisch gesehen wird zwischen Design for Fabrication (DFT) und Design for Assembly (DFA) unterschieden, da die Probleme, die sie lösen (und verhindern) können, in den zwei Phasen unterschiedlich sind.
Sowohl DFT als auch DFA zielen auf eine erfolgreiche Einführung neuer Produkte (New Product Introduction, NPI) ab, das heißt auf die Einführung eines neuen Produkts in den Fertigungsprozess und schließlich auf den Markt. Die beim PCB-Layout getroffenen Entscheidungen wirken sich direkt auf den Erfolg des NPI-Prozesses aus. Jedes Fertigungsproblem, das in einem Entwurf gefunden wird, führt mindestens zu einer Verzögerung oder macht eine Überarbeitung des Designs erforderlich.
Das Wort Re-Spin ist typisch für diesen Prozess. Der Begriff ist Teil des Branchenjargons und bedeutet im Wesentlichen, etwas noch einmal zu tun, es noch einmal zu versuchen, etwas noch einmal zu überarbeiten – „zurück zum Zeichenbrett“, um einen unter Entwicklern beliebten Ausdruck zu verwenden. Wenn Sie zu einem früheren Stadium des Entwurfsprozesses zurückkehren müssen, müssen Sie alle Arbeitsschritte erneut durchlaufen, einschließlich der Tests und Verifizierungen. Jeder weitere Re-Spin bedeutet höhere Kosten und längere Fristen. Bei der idealen NPI ist kein Re-Spin erforderlich.
Intelligentes DFM
Seit den Anfängen der Leiterplattenherstellung in den 1950er-Jahren wurde stets eine Form des DFM angewandt. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich das Verfahren erheblich weiterentwickelt und ist zu einem integralen Bestandteil der Einführung neuer Produkte geworden. Heute beinhaltet die NPI-Software die Bereiche Design und Fertigung, um eine Leiterplatte für die Produktion zu optimieren. Die Daten und das Know-how stammen direkt aus der Fertigung und können während der gesamten Planung, Fertigung, Montage und Kontrolle genutzt werden.
Die besten Designer sind der Meinung, dass sie mit der NPI-Software zahlreiche Möglichkeiten zur Optimierung ihrer Produkte während des anfänglichen Freigabeprozesses nutzen können, da sie über die Möglichkeiten der Hersteller und Montagebetriebe informiert sind. Dieser Ansatz, bei dem die Bedürfnisse aller am Prozess Beteiligten berücksichtigt werden, wird intelligentes DFM genannt – weil jeder davon profitieren kann: PCB-Designer, Fertigungsingenieure und Unternehmen für Elektronikfertigung (EMS) oder Auftragshersteller.
Der intelligente Ansatz umfasst auch den Einsatz von Expertensystemlogik zur Automatisierung der DFM-Analyse. Das ist es, was die Valor-NPI-Software von Siemens leistet. Hochwertige automatisierte DFM-Analysen basieren auf einer Kombination von PCB-Technologien und Fertigungsrestriktionen. Die PCB-Technologie kann automatisch mit intelligenten Entwurfsdaten bestimmt werden. So ist beispielsweise das Kupfergewicht jeder Lage bei der DFM-Analyse für die Fertigung entscheidend. Der Grund dafür ist die angewandte Kompensation der Ätzung und die daraus resultierende Rückätzung, die je nach Kupfergewicht variiert.
Das Gewicht des Kupfers variiert zwischen Innen- und Außenschichten. Ein 3-mm-Abstand auf einer Innenschicht aus 0,5 Unzen Kupfer könnte akzeptabel sein. Auf den äußeren Lagen sind jedoch größere Abstände erforderlich – bis zu 4 mm bei der Verwendung von einer Unze Kupfer. Darüber hinaus erfordern sequenziell laminierte, stacked Vias andere DFM-Regeln als eine herkömmliche, einfach laminierte Leiterplatte.
Dadurch, dass die DFM-Software automatisch auf jede dieser Einschränkungen reagiert, verringert sich der Engineering-Aufwand und die gewünschten Ergebnisse werden für jeden Benutzer, unabhängig von seinen Fertigungskenntnissen, zuverlässig erzielt. Darüber hinaus kann Valor NPI eine vollständige Lötanalyse durchführen, um potenzielle Lötprobleme zu lokalisieren.
Panel-Optimierung
Da sich DFM kontinuierlich weiterentwickelt, wird die Valor-NPI-Software nun auch für das Design und die Optimierung von Leiterplatten-Panels eingesetzt. Viele Unternehmen sind ineffizient in ihrem Panel-Design-Prozess, selbst in Bezug auf Montagepanels oder Arrays. In der Regel verwenden Konstrukteure ein mechanisches 2D-CAD-Tool, um eine Skizze zu erstellen, die zeigt, wie die Baugruppen aussehen sollen, wenn sie vom Bare-Board-Hersteller geliefert werden.
Die Erstellung der Skizze und das Hinzufügen von Notizen und Maßangaben kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen, bevor die Zeichnung als „einfache“ Datei an den Fertigungsbetrieb geschickt wird. „Einfach“ bedeutet, dass die Zeichnungsdatei keine Informationen enthält, auf die der Hersteller bei der Fertigung der Werkzeuge zurückgreifen kann. Stattdessen muss er das Panel mit seiner CAM-Software neu generieren und ein Prüfbild zur Genehmigung an den Konstrukteur zurücksenden. Mit der heute verfügbaren Technologie sind diese redundanten manuellen Prozesse überflüssig.
Stattdessen kann das Designteam mit der Valor-NPI-Software einfach Montagepanels erstellen, die alle benötigten Elemente enthalten: Schienen, Werkzeugbohrungen, Referenzmarken und Routing- oder V-Score-Elemente. Valor NPI kann die Boards innerhalb des Montagepanels automatisch optimieren, um die Materialkosten für die Herstellung zu minimieren.
Digitalisierung von Daten
Die Einführung neuer Produkte umfasst außerdem die Erstellung, Validierung und Übergabe des Konstruktionsdatenpakets an die Fertigungs- und Montagebetriebe. In der Regel wird es als Bündel geliefert, das aus einer Kombination der folgenden Elemente besteht:
Gerber files
Drill files
Netlist files
Test files
Manufacturing BOM
Drill-Entwürfe
Montagepanel-Entwürfe
Route drawings
Stack-up-Entwürfe
Entwurfsnotizen
In einer Branche, welche die Digitalisierung der gesamten Welt vorantreibt, ist die Leiterplattenproduktion in hohem Maße von manuellen Prozessen abhängig, bei denen die Anweisungen durch zweidimensionale, nicht-relationale Pläne und Dokumente übermittelt werden. Gibt es etwas in der Dokumentation, das nicht als Datenfeld dargestellt werden kann? Netze, die absichtlich kurzgeschlossen werden? Ein Datenfeld kann mit den entsprechenden Netzen verknüpft werden. Farbe der Lötpaste auf der Oberfläche? Mit Valor NPI können Daten vom Design bis zur Fertigung vollständig digital übermittelt werden. Dies ist die wesentliche Voraussetzung für die digitale Transformation der Elektronikindustrie und für die Umsetzung von Smart Manufacturing.
Mehrwert von Valor NPI
Die genannten Beispiele haben deutlich gemacht, was intelligentes DFM ist und welche Rolle es im NPI-Prozess spielt. Aber im Fall von Valor NPI kann das Tool selbst aus mindestens drei weiteren Gründen einen Mehrwert darstellen:
Die Handhabung ist unkompliziert, die Lernkurve ist kurz und die ersten Ergebnisse sind schnell erkennbar.
Der IPC-Regelsatz ist in der Software enthalten.
Die DFA-Lötstellenprüfung ist im Lieferumfang enthalten.
Zusammenfassend kann gesagt werden, dass DFM das wahre Element der Kontinuität zwischen Design und Fertigung ist. Es gehört zum Tätigkeitsbereich der Entwicklung, hat aber einen starken Einfluss auf die Fertigung. Ein schlanker NPI-Prozess bedeutet, dass weniger Re-Spins und höhere Qualität eine deutlich gesteigerte Produktionsrate nach sich ziehen. Infolgedessen ist der Umsatz höher. Das ist der entscheidende Punkt.
