Bis zu 80 % der Kosten eines Endprodukts werden durch seine Konstruktion bestimmt (wobei der Rest typischerweise auf Gemein- und Kapitalkosten entfällt). Folglich ist es von entscheidender Bedeutung, die Produktkosten bereits in der Entwurfsphase zu senken, um ein erfolgreiches und kostengünstig wettbewerbsfähiges Endprodukt zu erzeugen. Design for Manufacture and Assembly ist ein formaler Ansatz zur Untersuchung der Komponenten- und Montagekosten eines Produkts und zielt auf eine Kostenreduzierung ab, bevor die eigentliche Produktion beginnt. Dieser Artikel beginnt mit einer allgemeinen Erörterung der Konzepte Design for Manufacture und Design for Assembly; anschließend wird diese Diskussion in weiteren Beiträgen im Detail fortgeführt, in denen die Besonderheiten des PCB-Designs für die Fertigung und für die Montage behandelt werden. Abschließend wird ein letzter Beitrag die Reihe mit einer Diskussion der am häufigsten auftretenden Probleme beim PCB-Design beschließen.
Bevor mit der fortlaufenden Darstellung begonnen wird, ist es notwendig zu erörtern, wie der Begriff „Design for Manufacture“ verwendet wird, wenn im allgemeineren Sinne gesprochen und wenn diskutiert wirdPCB-Produktiongenauer gesagt.Design for Manufacture und Design for Assembly können im allgemeinen Sinne die Vereinfachung und Optimierung eines Prototyps oder eines Konzeptentwurfs in Vorbereitung auf dessen Herstellung bezeichnenWenn diese Begriffe zur Diskussion von Leiterplatten (PCBs) verwendet werden, bedeuten sie häufig eine direktere Untersuchung potenzieller Fertigungsprobleme. Der erste Beitrag in dieser Reihe wird die frühere Definition verwenden, wenn wir die Konzepte im weiteren Sinne erörtern, und der zweite und dritte werden die letztere Definition verwenden, wenn wir unseren Fokus auf die Herstellung und Bestückung von Leiterplatten verlagern.
Allgemein gesprochen besteht das Ziel der Diskussion über fertigungsgerechtes Konstruieren und montagegerechtes Konstruieren darin, zu bestimmen, wie ein Produkt so gestaltet werden kann, dass es auf die kostengünstigste Weise hergestellt und montiert werden kann. Design for Manufacture (DFM) befasst sich mit der Senkung der gesamten Produktionskosten und, offensichtlicher, Design for Assembly (DFA) mit der Reduzierung des Materialeinsatzes, der Fixkosten für Kapital und der Arbeitskosten. Beide konzentrieren sich auf die Anwendung von Standards zur Senkung der Produktionskosten und beide zielen auch darauf ab, die Entwicklungszeit des Produkts zu verkürzen. Die Kombination der beiden Methoden wird üblicherweise als Design for Manufacture and Assembly (DFMA) bezeichnet. Im späteren Abschnitt werden beide Analysearten in Kombination behandelt, da sie so eng miteinander verwandt sind und beide Begriffe häufig austauschbar verwendet werden.
Die DFMA-Analyse beginnt, nachdem zunächst ein Konzeptentwurf erstellt wurde. Ein Konzeptentwurf kann die Erstellung eines Prototyps oder die Entwicklung einer neuen Version eines Produkts umfassen. Nachdem ein Konzeptentwurf erstellt wurde, kann die Stückliste (BOM) dieses Entwurfs im Rahmen einer DFMA-Analyse untersucht werden. Die Regeln, an die sich DFMA hält, werden wie folgt dargestellt:
•Minimiere die Anzahl der Teile in einem Design
Die Reduzierung der Anzahl von Bauteilen in einem Leiterplattendesign ist ein unkompliziertes Ziel mit offensichtlichen Vorteilen. Sie verringert die Kosten des Designs und die Komplexität der Bestückung und ist, auch wenn es nicht so offensichtlich ist, von großem Nutzen. Wenn zum Beispiel Bestückungsautomaten zur Bestückung von Leiterplattenbaugruppen eingesetzt werden, sind sie auf die Anzahl der Bauteile begrenzt, die sie in einem einzigen Durchlauf verarbeiten können. Wenn man die Anzahl der Bauteile berücksichtigt, die der Bestückungsautomat bei der Montage der Leiterplatte verwendet, kann dies zu nicht offensichtlichen Kostensenkungen führen. Wenn beispielsweise ein Design einen Widerstand von 20 kΩ erfordert und im Design bereits Widerstände von 10 kΩ verwendet wurden, kann es tatsächlich günstiger sein, zwei Widerstände von 10 kΩ in Reihe zu verwenden, wenn sich dadurch die Anzahl der Durchläufe des Bestückungsautomaten verringern lässt. In ähnlicher Weise kann die Suche nach Standard-ICs, mit denen sich ein Teil Ihres Designs in einem einzigen IC zusammenfassen lässt, die Montagezeit verkürzen und Teile der Testanforderungen auf den IC-Hersteller verlagern. Daher ist die Berücksichtigung der Anzahl und Art der Leiterplattenbauteile wahrscheinlich der wichtigste Schritt, umdie gesamten Leiterplattenproduktionskosten senkenKurz gesagt,Wenn ein Teil für das endgültige Design nicht erforderlich ist, senkt seine Eliminierung die Stücklistenkosten, reduziert die Beschaffungskosten, die Bearbeitungszeit, die Testzeit und den Montagearbeitsaufwand..
•Entwickeln Sie ein modulares Design
Erwägen Sie, PCB-Designs in Funktionsblöcke aufzuteilen, wenn Sie diese Blöcke in einer Reihe verschiedener Produkte einsetzen können. Die Erhöhung der Stückzahl eines bestimmten Moduls, das bei einem Hersteller bestellt wird, kann die Stückkosten dieses Moduls erheblich senken. Ebenfalls bemerkenswert ist, dass die Verwendung von Modulen die Kosten und die Komplexität der Prüfung einer fertiggestellten Baugruppe verringern kann, indem der Testprozess vereinfacht wird. Kleinere Systeme sind von Natur aus leichter zu testen und zu reparieren als größere. Offensichtlich muss der Kostenvorteil, den Sie durch eine modulare Designanwendung erzielen können, gegen die erhöhten Verbindungskosten abgewogen werden, die mit der Verwendung mehrerer Module einhergehen. Weitere Vorteile eines modularen Designs sind die einfache Aktualisierung des Designs, die Standardisierung von Subsystemen über mehrere Produkte hinweg und eine einfachere Fehlersuche bei Ausfällen im Produkt-Subsystem-Design.
•Streben Sie danach, Standardkomponenten zu verwenden
Die Verwendung von Standardkomponenten kann die Entwicklungszeit und -kosten für das Design drastisch reduzieren. Es versteht sich von selbst, dass die Spezifikation einer komplexen kundenspezifischen Lösung die anfänglichen Kosten eines Produkts erheblich erhöht und ein Design möglicherweise unpraktikabel macht. Die Verwendung gängigerer Komponenten kann zudem die Lieferkette eines Produkts vereinfachen und Bedenken hinsichtlich der Komponentenverfügbarkeit verringern. Ein weiterer Vorteil der Bevorzugung von Standardkomponenten liegt darin, dass ihre Footprints vor der Verwendung in einem PCB-Design leichter überprüft werden können.
•Verlassen Sie sich stärker auf multifunktionale Komponenten
Immer wenn ein elektrisches Bauteil in einem Design mehrere Zwecke erfüllen kann, sollte der PCB-Designer dies ausnutzen. Beispielsweise kann die Verwendung eines Gehäuses, das in einem Design auch als Kühlkörper dient, erhebliche Kosteneinsparungen ermöglichen. Ein weiteres Beispiel für ein Dual-Use-Bauteil ist die Verwendung eines Abstandshalters als Verbindung zur Erdung vom PCB zum Gehäuse des PCB über ein angeschlossenes Befestigungsloch auf der Leiterplatte.
•Entwerfen Sie Module für die Verwendung in mehreren Produkten
Die Verwendung von Standardteilen in einer Reihe von Produkten kann die Handhabungskosten senken und den Einkauf in großen Mengen ermöglichen. Dieses Konzept kann auch auf Produktmodule ausgeweitet werden. Wenn ein Modul in mehreren Produkten eingesetzt werden kann, kann ein höheres Produktionsvolumen die Kosten dieses Moduls senken und letztlich zu niedrigeren Kosten des Endprodukts führen.
•Gestaltung für einfache Fertigung
Auswahl von Leiterplattenmaterialiendie während der Fertigung weniger Verarbeitung erfordern, können die Produktherstellung erheblich rationalisieren. Das Vermeiden von Arbeitsschritten wie dem Lackieren eines Gehäuses durch die Verwendung eines geeigneten Gehäusematerials kann ganze Fertigungsschritte überflüssig machen und die Produktkosten senken. Außerdem kann sichergestellt werden, dass Konstruktionselemente nicht mit übermäßig großen Toleranzen gefertigt werden, um zeitaufwändige und kostspielige Nacharbeiten an Teilen während der Montage zu vermeiden.
•Verwenden von Befestigungselementen reduzieren und nach Möglichkeit vermeiden
Wenn eine Leiterplatte bestückt werden soll, ist es wie bei allen Produkten teurer, Befestigungselemente zur Montage von Bauteilen zu verwenden, als eine Pressfit-Montagetechnik einzusetzen. Um dies auszunutzen, sollten Sie versuchen, den Einsatz von Befestigungselementen in Ihrer Baugruppe zu reduzieren. Eine Möglichkeit dazu besteht darin, SMD-Versionen von Leistungs-ICs zu verwenden und die Wärmeableitung in das Design Ihrer Leiterplatte zu integrieren. Wenn Sie zum Beispiel von einer TO-220-Version eines ICs mit externem Kühlkörper auf eine D2PAK-Version umsteigen, bei der die Leiterplatte als integrierter Kühlkörper dient, können Sie in Ihrem Enddesign beträchtliche Kosten einsparen.
•Montageanleitung minimieren
Wenn möglich sollten alle Teile entlang einer Achse von derselben Seite einer Baugruppe aus installiert werden. Dies wird häufig als „Top-Down“-Montage bezeichnet, bei der alle Komponenten von oben in die Endmontage eingesetzt werden. Die Verwendung eines derartigen einseitigen Montageprozesses spart die Zeit, die mit dem Wenden und Drehen eines Produkts während der Montage verbunden ist. Daher müssen PCB-Designingenieure – wie bei allen Designentscheidungen – abwägen, ob es besser ist, eine kleinere Leiterplatte mit auf beiden Seiten der Platine platzierten Komponenten zu fertigen oder eine größere Leiterplatte zu entwerfen, bei der die Komponenten nur auf einer Seite der Platine platziert werden.PCBCart verfügt über die Fähigkeit, sowohl einseitigeLeiterplattenbestückungund doppelseitige Montage).
•Maximieren Sie die Akzeptanz der Komponentenplatzierung
Ingenieure sollten Leiterplatten so entwerfen, dass Bestückungsfehler reduziert werden können. Dies kann erreicht werden, indem Bauteile mit größeren Maßtoleranzen (größerem Pin-Abstand) verwendet oder Probleme wie Tombstoning vermieden werden. Die Verwendung von Bauteilen, die mit hohen Platzierungstoleranzen ausgelegt sind, kann die Ausfallrate einer Baugruppe erheblich verringern. Zusätzlich kann die Verwendung von Grundstrukturen, die steif und in ihren Abmessungen vorhersagbar sind, ebenfalls die Quote korrekt platzierter Bauteile verbessern. Darüber hinaus ermöglichen Bildverarbeitungssysteme und andere Formen von Feedback Automatisierungsprozesse bei der Platzierung, die die Produktionserträge erheblich steigern können.
•Minimieren Sie das Umpositionieren und Handhaben während der Leiterplattenbestückung
Jedes Mal, wenn eine Leiterplatte während des Montageprozesses neu positioniert werden muss, erhöht sich die für die Bestückung der Bauteile auf dieser Leiterplatte benötigte Zeit. Es ist leicht nachvollziehbar, dass ein Umspannen erforderlich ist, sobald eine Leiterplatte zwei Seiten aufweist und Bauteile sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Leiterplatte montiert werden. Wenn möglich, sollten alle SMD-Bauteile auf einer einzigen Seite der Leiterplatte platziert werden. Die ausschließliche Verwendung von SMD-Bauteilen beschränkt den Lötanteil des Montageprozesses auf einen einzigen Reflow-Schritt, während der Einsatz von Durchsteckbauteilen einen zusätzlichen Wellenlötprozess oder manuelles Löten erforderlich machen kann.
- • Es müssen weniger Teile gehandhabt und dokumentiert werden.
- • Die Stücklistenkosten können reduziert werden.
- • Die Bearbeitungskosten können bis zu einem gewissen Grad gesenkt werden.
- • Arbeits- und Energieeinsatz können verringert werden.
- • Die gesamte Fertigungszeit kann verkürzt werden, sodass die Produktionseffizienz erheblich gesteigert werden kann.
- • Geringere Komplexität führt zu höherer Zuverlässigkeit.
- • Produkte können wettbewerbsfähiger sein.
- • Höhere Margen werden erzielt.
DFMA ist ein klarer Weg, die Kosten Ihres nächsten Designs zu senken. Die Vorteile der Reduzierung der Anzahl von Komponenten in einem Design liegen auf der Hand. Produkte sind wettbewerbsfähiger, wenn sie kostengünstiger und weniger anfällig für Ausfälle sind. Durch die Verringerung der Menge an Materialien, die in die Herstellung von Produkten einfließen, werden jedoch auch die Handhabungskosten gesenkt, die Dokumentationsanforderungen minimiert und der erforderliche Montageaufwand reduziert. All diese Faktoren führen zu niedrigeren Produktionskosten und ermöglichen entweder höhere Margen für Produkte oder deren Angebot zu einem wettbewerbsfähigeren Preis. Darüber hinaus wird die Produktionszeit verkürzt, sodass die Lieferung des Produkts an den Kunden in kürzerer Zeit erfolgen kann. DFMA formalisiert die Umsetzung dieser Ziele.
