In de huidige markten is er grote druk op elektronische bedrijven om steeds meer geminiaturiseerde producten te ontwikkelen en te produceren, in steeds kortere tijd en met steeds lagere kosten. Om de vereiste kwaliteitsnormen te kunnen garanderen, is het noodzakelijk het aantal ontwerpiteraties tot een minimum te beperken, concurrerend te blijven en de marktintroductietijd zoveel mogelijk te verkorten.
Met betrekking tot het ontwerp van een printplaat zijn er in feite twee basiseisen waaraan elk project moet voldoen:
Door het grootschalige gebruik van componenten met ultra kleine verpakkingen en de toenemende dichtheid van componenten op de printplaat wordt het steeds moeilijker om aan deze eisen te voldoen. De ontwerpers moeten daarom passende controles invoeren die tijdens de verschillende stappen van de ontwikkelingscyclus worden uitgevoerd en herhaald, om ervoor te zorgen dat het eindproduct werkt en uitvoerbaar is zoals bedoeld. Het is belangrijk op te merken dat bij dit proces over het algemeen niet alleen de ontwerpers betrokken zijn, maar ook de fabrikanten en assembleurs van de printplaat.
De twee concepten die de bovenstaande eisen samenvatten zijn DFM en DFA. DFM, acroniem voor Design for Manufacturing, zorgt ervoor dat het printplaatontwerp voldoet aan de eisen die door het fabricageproces worden gesteld, op basis van kenmerken als minimale spoorbreedte, minimale afstand tussen sporen, minimale gatbreedte en meer, die moeten worden geverifieerd voordat de printplaat in productie gaat. Het komt er dus op aan te anticiperen op mogelijke problemen op het niveau van de printplaatlay-out door middel van een reeks regels of controles die de naam DRC (Design Rule Checking) dragen.
DFA, acroniem voor Design for Assembly, heeft daarentegen tot doel de effecten te evalueren die de ontwerpkeuzen zullen hebben op de assemblagefase van de printplaat. Het doel van DFA is een product te verkrijgen met een optimaal aantal componenten en waarvoor processen en materialen nodig zijn die de assemblage kunnen vereenvoudigen en de totale kosten kunnen verlagen.
Daarom vullen DFM- en DFA-analysetechnieken de mogelijke leemten op tussen het ontwerp van een printplaat en de productie- en assemblagefasen daarvan, op basis van de controle van enkele parameters en sleutelfactoren die tegenwoordig grotendeels met automatische hulpmiddelen kunnen worden uitgevoerd. De kosten die gepaard gaan met de afwezigheid of ontoereikendheid van de DFM- en DFA-analyse kunnen de uiteindelijke kosten van de printplaat aanzienlijk beïnvloeden (tot 20%). Daarom is het van essentieel belang dat de DFM- en DFA-analyse vroeg worden uitgevoerd, voordat de eerste prototypes worden gemaakt, zodat problemen of onverwachte kosten tijdens de productie- en assemblagestappen worden voorkomen.
De belangrijkste voordelen van DFM- en DFA-analyse kunnen als volgt worden samengevat:
Elk PCB-project produceert als output een reeks Gerber-bestanden die gedetailleerde informatie bevatten over:
Door het uitvoeren van de DFM-analyse kan de fabrikant aan de hand van deze informatie beoordelen of een printplaat daadwerkelijk kan worden vervaardigd met de beschikbare apparatuur en processen. In deze fase kunnen potentiële problemen worden opgespoord die het fabricageproces ernstig kunnen beïnvloeden. De DFM-analyse kan bijvoorbeeld de aanwezigheid van scherpe hoeken op de sporen aan het licht brengen, die mogelijk zuur kunnen vasthouden tijdens het etsproces van de printplaat. Het opgesloten zuur zou verbindingsproblemen kunnen veroorzaken, met name open stroomkringen. We weten dat de oplossing voor dit probleem is om alle scherpe hoeken te vervangen door bogen, of door een paar hoeken van 45°. Hoewel dit een zeer eenvoudig voorbeeld is, zijn er vele andere problemen die niet gemakkelijk te identificeren zijn tijdens de printplaatontwikkelingsfase.
Hieronder volgt een selectie van de meest voorkomende problemen:
Hoewel de mogelijke fouten die de ontwerper kan maken bij het definiëren van de lay-out talrijk zijn, kunnen deze door het uitvoeren van de DFM-analyse al in een vroeg ontwikkelingsstadium worden opgespoord. Er zijn tegenwoordig verscheidene DFM-tools beschikbaar op de markt, die de ontwerper in deze delicate fase kunnen bijstaan en zo hoge herontwerpkosten kunnen vermijden. Dergelijke tools kunnen worden gebruikt door ontwerpers die niet noodzakelijk bekwaam zijn in fabricage. Bovendien is het mogelijk vooraf gedefinieerde parameters en regels voor elke fabrikant te configureren, zodat de DFM-analyse kan worden aangepast aan de werkelijke kenmerken en systemen van degenen die daadwerkelijk met de productie te maken zullen krijgen.
Assemblage kan worden beschouwd als het meest tijdrovende en kostbare fabricageproces van printplaten. De ontwerp- en ontwikkelingsfasen van een printplaat omvatten twee assemblagefasen: de assemblage van de prototypeprintplaat en de assemblage van de productieprintplaat. Beide fasen moeten worden opgenomen in de DFA-analyse bij het ontwerpen van de printplaat.
Hoewel het doel van de DFA-analyse verschilt van dat van de DFM-analyse, zijn veel technieken en strategieën uitwisselbaar toepasbaar op alle fasen van het ontwerp van een printplaat. De DFA-analyse is gericht op de assemblagefase en houdt in de eerste plaats rekening met de kenmerken en eigenschappen van de componenten die op de printplaat zullen worden gemonteerd, met het doel hun aantal en types te minimaliseren en de voorkeur te geven aan standaard, betrouwbare, gemakkelijk te vinden en eenvoudig te assembleren componenten.
De DFA-analyse leidt in het algemeen tot een verbetering van de betrouwbaarheid van de printplaat door bijvoorbeeld alleen componenten te selecteren van fabrikanten die garanties bieden voor een betrouwbare nauwkeurigheid, stabiliteit en levering. Als uit de DFA-analyse bijvoorbeeld blijkt dat een bepaalde component verouderd is, moet de ontwerper informatie verstrekken over een mogelijke geschikte vervanging.
Hoewel de tijdens de DFA-analyse uitgevoerde controles divers en talrijk zijn, is een mogelijke selectie als volgt:
Indien ontwerpers de toepassing van de DFA-techniek als integraal onderdeel van het PCB-ontwerp verwaarlozen, is de kans veel groter dat zij op toekomstige problemen stuiten bij de assemblage van de printplaat, met als gevolg een verlenging van de productiecyclus en hogere kosten.
Het gebruik van DFM en DFA-analyses garandeert niet alleen een optimale werking van de schakeling, maar zorgt er ook voor dat deze laatste op grote schaal kan worden geproduceerd en geassembleerd, zonder verhoging van de kosten, risico's en tijd.