最終製品のコストの最大80％は、その設計方法によって決定されます（残りは通常、間接費や設備投資費によるものです）。したがって、製品のコストを設計段階で削減することは、成功し、かつコスト競争力のある最終製品を生み出すうえで極めて重要となります。
「製造と組立のための設計（DFMA）」は、製品の構成要素および組立コストを検証するための体系的な手法であり、本格的な生産が始まる前の段階でコスト削減を図ることを目的としています。
本記事ではまず、「製造のための設計」と「組立のための設計」という一般的な概念について概説し、その後の記事で、プリント基板（PCB）の製造のための設計および組立のための設計に関する具体的な内容を詳しく取り上げていきます。最後に、連載の締めくくりとして、最もよく見られるPCB設計上の問題について論じます。
継続的な記述に入る前に、より一般的な観点から話す場合や議論を行う場合に、「製造のための設計」という用語がどのように用いられるかについて検討する必要がある。PCB製造より具体的には。製造のための設計および組立のための設計は、一般的な意味では、試作機または概念設計を、その製造に備えて単純化し最適化することを指す場合があるこれらの用語がPCBについて議論する際に用いられる場合、多くの場合、潜在的な製造上の問題をより直接的に検証することを意味します。本シリーズの最初の記事では、概念を広い意味で論じるにあたり前者の定義を用い、2回目と3回目では、焦点をPCBの製造と実装に移すに従って後者の定義を用います。
一般的に、製造および組立のための設計について議論する目的は、最も費用対効果の高い方法で製造および組立が可能な製品の設計方法を決定することである。製造のための設計（DFM）は、全体的な生産コストの削減に関心があり、より明白には、組立のための設計（DFA）は、材料投入量、設備投資コスト、および労働力の削減に関心がある。両者はともに、生産コストを削減するための標準の適用に焦点を当てており、また製品開発サイクルの時間短縮も目指している。これら二つの手法を組み合わせたものは、一般に製造および組立のための設計（DFMA）と呼ばれる。両者は非常に密接に関連しており、またしばしば用語が互換的に使用されるため、後の節では両方のタイプの解析を組み合わせて論じる。
DFMA解析は、まず概念設計が作成された後に開始される。概念設計には、試作品の作成や製品の新バージョンの開発が含まれる場合がある。概念設計が作成された後、その設計の部品表（BOM）はDFMA解析によって検討することができる。DFMAが遵守するルールは、次のように示される。
•設計における部品数を最小限に抑える
PCB 設計において部品点数を削減することは、明確な利点を持つ、分かりやすい目標です。これにより、その設計のコストや組立の複雑さが低減されますが、それだけでなく、あまり目立たないところでも大きなメリットがあります。例えば、プリント基板アセンブリに部品を実装する際に使用されるマウンタ（ピックアンドプレースマシン）は、1 回のパスで対応できる部品点数に制限があります。基板を組み立てる際にマウンタが使用する部品点数を意識することで、一見分かりにくいコスト削減につながる場合があります。たとえば、ある設計で 20K の抵抗が必要だとして、その設計内ですでに 10K の抵抗を使用している場合、マウンタの稼働回数を減らせるのであれば、10K の抵抗 2 本を直列にして使うほうが実際には安くなることがあります。同様に、設計の一部を 1 つの IC に集約できる標準的な集積回路を探すことで、組立時間を短縮し、テスト要件の一部を IC メーカー側に委ねることができます。このように、PCB の部品点数と部品種類を意識することは、おそらく最も重要なステップと言えるでしょう。PCB全体の製造コストを削減する一言で言えば、最終設計に不要な部品がある場合、それを削減することで、BOMコストを下げ、購買コスト、加工時間、検査時間、および組立作業工数を削減することができます。。
•モジュール式デザインを開発する
複数の異なる製品で流用できる場合は、PCB 設計を機能ブロックに分割することを検討してください。特定のモジュールをメーカーに発注する数量を増やすことで、そのモジュールの単価を大幅に下げることができます。さらに、モジュールを使用することで、テスト工程を単純化できるため、完成したアセンブリのテストにかかるコストと複雑さを低減できる点も注目に値します。小規模なシステムは、大規模なシステムよりも本質的にテストや修理が容易です。もちろん、モジュラー設計を採用することで得られるコスト上のメリットは、複数のモジュールを使用することに伴うインターコネクションコストの増加と比較検討しなければなりません。モジュラー設計のその他の利点としては、設計更新の容易さ、複数製品間でのサブシステムの標準化、および製品サブシステム設計の不具合に対するトラブルシューティングの簡素化などが挙げられます。
•標準コンポーネントの使用に努める
標準コンポーネントを使用することは、設計開発の時間とコストを大幅に削減することができます。複雑なカスタムソリューションを指定すれば、あらゆる製品の初期コストが大きく増加し、設計が実現不可能になる場合もあることは言うまでもありません。より一般的なコンポーネントを使用することで、製品のサプライチェーンを簡素化し、部品供給に関する懸念を軽減することもできます。標準コンポーネントを優先するもう一つの利点は、PCB 設計に使用する前に、そのフットプリントをより容易に検証できるという点にあります。
•多機能コンポーネントへの依存度を高める
ある電気部品が設計の中で複数の用途を果たせる場合、PCB 設計者はそれを活用するべきです。たとえば、ヒートシンクとしても機能するエンクロージャを設計に用いることで、設計コストを大幅に削減できる可能性があります。別の二重用途デバイスの例としては、スタンドオフを、PCB 上の接続された取り付け穴を介して、PCB から PCB のエンクロージャへのアース接続として使用することが挙げられます。
•複数の製品で使用するための設計モジュール
幅広い製品群にわたって標準部品を使用することで、取り扱いコストを削減し、大量購入によるコスト低減が可能になる。この考え方は製品モジュールにも拡張できる。あるモジュールが複数の製品で使用できる場合、そのモジュールの生産量を増やすことでコストを削減でき、最終的には完成品のコスト低減につながる。
•製造の容易さを考慮した設計
PCB材料の選定製造工程中の加工をより少なくできるような設計は、製品の製造を大幅に効率化できる。適切な筐体材料を用いることで、筐体に塗装を施すといった工程を不要にできれば、製造工程全体の一部を丸ごと削減し、製品コストを下げることができる。また、設計部品が過度に大きな公差で製作されないようにしておくことで、組み立て時に時間と費用のかかる部品の手直し作業をなくすことができる。
•可能であれば、締結部品の使用を減らし、避ける
PCB を組み立てる際、あらゆる製品と同様に、部品を取り付けるのにファスナーを使用する方が、プレスフィット方式の取り付け技術を用いるよりもコストが高くなります。これを有利に活用するために、組み立てではファスナーの使用を減らすようにしてください。その一つの方法は、電源 IC の表面実装版を使用し、基板設計に放熱機能を組み込むことです。たとえば、外付けヒートシンクを用いる TO-220 版の IC から、PCB を一体型ヒートシンクとして利用する D2PAK 版へ切り替えることで、最終的な設計コストを大幅に削減することができます。
•組立手順を最小限にする
可能であれば、すべての部品は、組立体の同じ側から始まる1つの軸に沿って実装されるべきです。これはしばしば「トップダウン」組立と呼ばれ、すべてのコンポーネントが上側から最終組立体へ向けて下方向に実装される方式を指します。このような片面からの組立プロセスを用いることで、組立中に製品を反転させたり回転させたりすることに伴う時間を節約できます。したがって、他のあらゆる設計判断と同様に、PCB 設計エンジニアは、基板の両面に部品を実装してより小型の PCB を製造する方がよいのか、それとも片面のみに部品を実装したより大きな PCB を設計する方がよいのかを比較検討しなければなりません（PCBCart には、片面の処理に対応できる能力がありますPCB組立および両面実装).
•コンポーネント配置の受け入れを最大化する
エンジニアは、部品実装時のエラーを低減できるような方法で PCB を設計すべきである。これは、寸法公差の大きい（ピン間隔の広い）部品を使用したり、トゥームストーニングのような問題を回避したりすることで実現できる。高い実装許容度を考慮して設計された部品を使用することで、アセンブリの故障率を大幅に低減できる。さらに、剛性が高く寸法が予測しやすいベース構造を使用することも、部品を正しく配置できる割合の向上に寄与する。加えて、マシンビジョン型のフィードバックシステムやその他のフィードバック手段を用いることで、配置自動化プロセスを実現し、生産歩留まりを大幅に向上させることができる。
•PCB組立中の再配置と取り扱いを最小限に抑える
組立工程の途中でプリント基板（PCB）を再配置するたびに、そのPCBへの部品実装に必要な時間は増加します。PCBに両面があり、表面と裏面の両方に部品が実装される場合に再配置が発生することは、容易に理解できます。可能であれば、基板の片面のみにすべての表面実装部品（SMT部品）を配置してください。表面実装部品のみを使用すれば、はんだ付け工程は1回のリフロー工程に限定されますが、スルーホール部品を含めると、追加のフローはんだ付け工程や手はんだ付けが必要になる場合があります。
- ・取り扱いや文書化が必要な部品が少なくなります。
- ・部品表（BOM）コストを削減することができます。
- ・取り扱いコストは、ある程度まで削減することができます。
- ・労働力とエネルギー投入を削減することができる。
- ・全体の製造時間を短縮できるため、製造効率を大幅に向上させることができます。
- ・複雑さを下げることで、信頼性は高まる。
- ・製品はより競争力を高めることができます。
- ・より高い利益率が得られます。
DFMA は、次の設計のコストを削減するための明確な道筋です。設計における部品点数を削減することの利点は明白です。コストが低く、故障しにくい製品の方が市場性は高くなりますが、製品の製造に投入される材料の量を減らすことで、取り扱いコストも削減され、文書化の要件は最小限になり、必要な組立作業工数も減少します。これらすべての要因が生産コストの低減につながり、製品の利益率を高めるか、あるいは製品価格をより競争力のある水準に設定することを可能にします。さらに、生産時間も短縮されるため、顧客への製品納入までのリードタイムも短くなります。DFMA は、これらの目標を実現するための取り組みを体系化したものです。
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