DFA e DFM: qual’è la differenza nella progettazione dei PCB?

Nei mercati attuali, c’è una forte pressione affinché le aziende elettroniche sviluppino e producano prodotti sempre più miniaturizzati, in tempi sempre pià ridotti e con costi sempre più bassi. Al fine di garantire comunque gli standard qualitativi richiesti, si rende necessario ridurre al minimo il numero di iterazioni della progettazione, rimanendo competitivi e riducendo il più possibile il time to market.

Con riferimento alla progettazione di un circuito stampato, i requisiti basilari che ogni progetto deve soddisfare sono fondamentalmente due:

• il PCB deve poter essere prodotto in modo affidabile su larga scala;
• il PCB deve poter essere assemblato senza incontrare problemi.

Questi requisiti sono oggi sempre più difficili da soddisfare a causa dell’utilizzo esteso di componenti con package di dimensioni ultra ridotte e alla crescente densità dei componenti sul PCB. I progettisti devono pertanto introdurre degli opportuni controlli, eseguiti e ripetuti durante le varie fasi del ciclo di sviluppo, per garantire che il prodotto finale funzioni e sia realizzabile come previsto. È importante sottolineare come questo processo, in genere, coinvolga non soltanto i progettisti, ma anche i produttori e gli assemblatori del PCB.

DFM e DFA

I due concetti che sintetizzano i requisiti precedentemente esposti sono DFM e DFA.

DFM, acronimo di Design For Manufacturing, assicura che il progetto del PCB soddisfi i requisiti imposti dal processo di fabbricazione, basandosi su caratteristiche come larghezza minima delle tracce, distanza minima tra le tracce, larghezza minima dei fori e altro ancora, che devono essere verificate prima che il circuito stampato arrivi in produzione. Si tratta quindi di anticipare i possibili problemi a livello di layout del PCB attraverso un insieme di regole o controlli che prendono il nome di DRC (Design Rule Checking).

Il DFA, acronimo di Design for Assembly, ha invece lo scopo di valutare gli effetti che le scelte progettuali avranno sulla fase di assemblaggio del PCB. Scopo del DFA è quello di ottenere un prodotto con un numero ottimale di componenti e che richieda processi e materiali in grado di semplificare l’assemblaggio, riducendone i costi.

Le tecniche di analisi DFM e DFA consentono dunque di colmare le possible lacune esistenti tra la progettazione di un PCB e le fasi di produzione e assemblaggio dello stesso, basandosi sul controllo di alcuni parametri e fattori chiave che oggi può essere eseguito in larga parte tramite strumenti automatici. I costi relativi all’assenza o insufficienza delle analisi DFM e DFA possono incidere significativamente sul costo finale del PCB, arrivando anche al 20%. È pertanto fondamentale che le analisi DFM e DFA siano eseguite già prima di approntare i primi prototipi, evitando problemi o costi inattesassi durante le fasi di produzione e assemblaggio.

I principali benefici che derivano dalla conduzione delle analisi DFM e DFA possono essere così sintetizzati:

• riduzione del numero di iterazioni richieste per lo sviluppo del prodotto;
• riduzione del time to market;
• riduzione della percentuale di difetti riscontrati durante le fasi di produzione e assemblaggio del PCB;
• aumento dell’affidabilità e della durata del prodotto;
• riduzione dei costi.

Analisi DFM

Ogni progetto di PCB genera come output un insieme di file Gerber che contengono informazioni dettagliate su:

• materiali utilizzati e loro proprietà;
• tipo di stackup e caratteristiche di ogni singolo layer;
• numero, posizione e caratteristiche dei fori;
• numero, posizione e caratteristiche dei test point;
• eventuale finitura da applicare al PCB;
• informazioni su soldermask e silkscreen;
• pannellizzazione del PCB.

Eseguendo l’analisi DFM, queste informazioni consentono al produttore di valutare se una scheda sia effettivamente fabbricabile utilizzando le apparecchiature e i processi disponibili. Durante questa fase, potrebbero essere rilevati dei potenziali problemi in grado di compromettere seriamente il processo di fabbricazione. Ad esempio, l’analisi DFM potrebbe evidenziare sulle tracce la presenza di angoli acuti, potenzialmente in grado di trattenere l’acido durante il processo di etching della scheda. L’acido così intrappolato potrebbe creare dei problemi di connessione, tipicamente dei circuiti aperti. Sappiamo che la soluzione a questo problema è quella di sostituire tutti gli angoli acuti con degli archi, oppure con una coppia di angoli a 45°. Anche se questo è un esempio molto semplice, esistono molti altri problemi non facilmente individuabili durante la fase di sviluppo del PCB.

Una selezione dei problemi più frequenti è la seguente:

• trappole acide – abbiamo già anticipato questo classico problema che riguarda la topologia del PCB. Ricordiamo che questo problema riguarda in generale tutti gli angoli acuti (come nell’esempio di Figura 1), all’interno dei quali l’acido può ristagnare, durante la fase di lavaggio, senza scorrere via come invece dovrebbe. A seguito di un conseguente fenomeno di “over etching” (non particolarmente difficile con tracce spesse 4 o 5 mil), qualche traccia potrebbe essere interrotta;
  
  

Figura 1: esempio di trappola acida (fonte: TI)

• frammenti di rame o solder mask – questi frammenti (conduttivi se di rame, oppure non conduttivi nel caso del solder mask) possono depositarsi sul PCB creando dei potenziali corto circuiti. Quando hanno dimensioni importanti, questi frammenti possono dare origine a delle vere e proprie antenne, con conseguente generazione di rumore o interferenze, soprattutto se interessano tracce con segnali ad alta velocità. Il modo migliore per risolvere questo problema è quello di evitare di lasciare aree di rame troppo sottili, soprattutto dove le tracce si intersecano con i pad. Una risoluzione minima del processo di etching di 0,004-0,006” consente di evitare il problema;
• connessioni che rimangono isolate dal piano di alimentazione – note anche come “starved thermals”. Queste connessioni riguardano tipicamente le piccole connessioni di rame che collegano i rilievi termici ai piani di dispersione termica, necessari per dissipare efficacemente il calore durante il processo di saldatura. A volte, può crearsi del vuoto tra il rilievo termico e il piano, creando una connessione difettosa e riducendo al minimo l'efficacia del trasferimento di calore. Le starved thermals possono creare problemi sia durante la saldatura, sia durante il processo di assemblaggio. L’incorretto trasferimento di calore può inoltre provocare surriscaldamenti e conseguenti danni alla scheda;
• anular ring insufficiente – se la dimensione di un foro è maggiore a quella del pad circolare su cui deve essere praticato, si può provocare una disconnessione del pin, oppure un corto circuito. Occorre quindi prevedere, in fase di definizione del layout, uno spazio sufficiente per ogni anular ring, come visibile in Figura 2;
  
  
  

Figura 2: anular ring su pad circolari (fonte: Altium)

• rame troppo vicino ai bordi della scheda – anche in questo caso, un’opportuna distanza deve essere lasciata tra ogni traccia o piano di rame e i bordi del circuito stampato. In caso contrario, esiste la possibilità che si creino dei corto circuiti o delle scariche elettriche quando la scheda viene alimentata;
• solder mask mancante o insufficiente – anche se l’applicazione del solder mask non è strettamente necessaria in tutte le applicazioni, essa offre il vantaggio di proteggere il circuito dall’ossidazione e dagli agenti atmosferici, semplificando e rendendo più affidabile la fase di saldatura;
• utilizzo di materiali e substrati non adatti – i dispositivi elettronici di ultima generazione utilizzano segnali digitali e sorgenti di clock a frequenze sempre più elevate, avvicinandosi sempre di più alla gamma di frequenze radio. In molti casi, un substrato tradizionale come l’FR-4, economico e facilmente reperibile, può rivelarsi inadeguato, dando luogo nel prodotto finale a pericolosi fenomeni di surriscaldamento, deriva termica o addirittura danneggiamento della scheda. I materiali utilizzati per i substrati, eventualmente combinati tra loro, devono essere opportunamente selezionati prima di lanciare la produzione del PCB.

Anche se i possibili errori che il progettista può compiere nella definizione del layout sono numerosi, la conduzione dell’analisi DFM consente la loro individuazione già durante le prime fasi dello sviluppo. Sul mercato sono oggi disponibili numerosi tool per il DFM, in grado di assistere il progettista in questa delicata fase, evitando così elevati costi di riprogettazione. Tali strumenti possono essere utilizzati dai progettisti non necessariamente esperti di produzione. Inoltre, è possibile configurare parametri e regole predefinite per ogni produttore, adattando così l’analisi DFM alle effettive caratteristiche e agli impianti di chi dovrà effettivamente occuparsi della produzione.

Analisi DFA

L'assemblaggio può essere considerato come il processo di fabbricazione del PCB più dispendioso in termini di tempo e denaro. Le fasi di progettazione e sviluppo di un circuito stampato includono due fasi di assemblaggio: assemblaggio della scheda prototipo e assemblaggio della scheda di produzione. Entrambe queste due fasi andrebbero incluse nell’analisi DFA durante la progettazione del PCB.

Sebbene l’obiettivo dell'analisi DFA differisca da quello dell’analisi DFM, molte tecniche e strategie sono applicabili in modo intercambiabile a tutte le fasi su cui si articola la progettazione di un circuito stampato. Essendo focalizzata sulla fase di assemblaggio, l’analisi DFA considera anzitutto le caratteristiche e proprietà dei componenti che andranno montati sul PCB, con l’obiettivo di ridurne al minimo il numero e le tipogie, preferendo componenti standard, affidabili, facili da reperire e semplici da assemblare.

L'analisi DFA produce in generale un miglioramento dell'affidabilità del PCB, selezionando ad esempio solo i componenti provenienti da produttori che offrono garanzie di accuratezza, stabilità e consegna affidabili. Se ad esempio l’analisi DFA evidenzia che un determinato componente è in obsolescenza, il progettista dovrebbe fornire le informazioni relative a un possibile sostituto adeguato.

Anche se i controlli eseguiti durante l’analisi DFA sono diversificati e numerosi, una possible selezione è la seguente:

• corrispondenza tra ogni componente e i relativi pad;
• distanza minima tra i componenti;
• corretta presenza delle serigrafie e dei fiducial marker;
• corretto dimensionamento e posizione dei fori;
• disponibilità di sufficiente spazio libero sui bordi della scheda;
• opportuna applicazione dei rilievi termici;
• reperibilità dei componenti, attuale e nel medio-lungo termine;
• possibilità di pannellizzazione della scheda per la produzione su larga scala;
• testabilità della scheda;
• resistenza a vibrazioni e sollecitazioni meccaniche, in base alla specifica applicazione.

Se si trascura l’applicazione della tecnica DFA come parte integrante della progettazione di un PCB, è molto più probabile incorrere in problemi futuri durante l'assemblaggio della scheda, con conseguente allungamento del ciclo di produzione e maggiori costi.

L’utilizzo delle analisi DFM e DFA garantisce non solo il funzionamento ottimale del circuito, ma assicura anche che lo stesso possa essere prodotto e assemblato su larga scala, senza aumentare i costi, i rischi e il fattore tempo.

 04.01.2022