Was ist Design for Manufacturing?

Das „Design for Manufacturing“ oder auch „Design for Manufacturability“ (DFM) ist ein Begriff aus dem Produktdesign. Im Wesentlichen zielt es darauf ab, Produkte so zu entwickeln, dass diese später sowohl fehlerfrei, als auch kostengünstig produziert werden können.
DFM findet in nahezu jeder Ingenieurs-Disziplin Anwendung, seine genaue Bedeutung hängt jedoch sehr stark vom jeweiligen Einsatzgebiet ab. Ein sinnvoll eingesetztes DFM-Verfahren beginnt schon in frühen Entwicklungsphasen und zieht alle kritischen Aspekte eines Produktes in Betracht. Von der äußeren Produktgestaltung, über die Auswahl der Rohmaterialien, die erlaubten Fertigungstoleranzen, bis hin zur Endmontage sollten alle Fertigungsschritte bedacht werden.

Wie funktioniert die DFM-Prüfung bei Leiterplatten?

Im Bereich der Leiterplattenfertigung dient das Design for Manufacturing in erster Linie zum fertigungsgerechten Layouten der Leiterplatte. Ziel ist es, die Leiterplatte so zu designen, dass der Leiterplattenhersteller diese später auch fehlerfrei und mit angemessenem Aufwand produzieren kann. Es gibt gewisse technologische Grenzen, die eingehalten werden müssen, damit die Funktion des Endproduktes gewährleistet ist. Typischerweise werden folgende Werte vor der Produktion ermittelt und auf gewisse Mindestwerte hin überprüft.

Welche Probleme bestehen bei der DFM-Analyse?

Im heutigen Entwicklungs- und Angebotsprozess von Leiterplatten kommen diverse Werkzeuge zum Einsatz, die einen Teil der DFM-Überprüfung bereits automatisiert durchführen können. Allerdings bestehen dabei zum Teil noch erhebliche Probleme:

-> Prüfungen dauern häufig sehr lange
Bestehende Software Tools, die für die automatisierte DFM-Überprüfung zum Einsatz kommen, basieren zum Teil auf veralteter Softwarearchitektur und benötigen bei komplexen Fertigungsdaten daher häufig viel Zeit, um alle fertigungsrelevanten Parameter zu bestimmen und zu überprüfen. Werkzeuge, die für den Einsatz als Desktop Software am Einzelarbeitsplatz konzipiert wurden, sehen sich nun immer häufiger mit modernen Web Architekturen konfrontiert. Während bei der internen Analyse von Leiterplattendaten Analysezeiten von mehr als 20 Minuten durchaus vertretbar sind, wird ein Kunde in einem Online-Shop für Leiterplatten nur sehr ungern mehrere Minuten auf sein Analyseergebnis warten.

-> Die DFM-Prüfung wird erst beim Hersteller durchgeführt
Im aktuell gelebten Prozess wird die DFM-Überprüfung ausschließlich vom Leiterplattenhersteller durchgeführt. Die Entwicklung der Leiterplatten beansprucht nicht selten mehrere Wochen oder Monate Zeit. Während der Entwicklungsphase findet heute in aller Regel keinerlei DFM-Prüfung statt. Die CAD-Software nutzt eine DRC-Prüfung (Design Rule Check), um Fehler frühzeitig zu erkennen. Allerdings basieren die zu prüfenden Werte der DRC-Prüfung auf den Einträgen des Entwicklers. Sind diese fehlerhaft oder ist der Export der Fertigungsdaten anders als die Entwicklungsdaten, so kommt es zu Problemen bei der Produktion. Erst wenn die Entwicklung abgeschlossen ist und die Leiterplatte beim Hersteller angefragt wird, erfolgt eine erste DFM-Prüfung. Strukturelle Fehler, die zu diesem späten Zeitpunkt erst auffallen, sind nur noch mit sehr großem Aufwand zu beheben.

-> Die Kommunikation bei Abweichungen ist sehr aufwändig
Ermittelt die DFM-Überprüfung beim Leiterplattenhersteller Abweichungen, so muss er diese Informationen an den Entwickler kommunizieren. Die bisher verwendeten Tools bieten die Möglichkeit, Analyseprotokolle in Form von PDF-Dokumenten zu erstellen. Diese Dokumente haben in aller Regel einen Umfang von mehr als 20 Seiten und beinhalten alle ermittelten Werte und Informationen, unabhängig davon, ob diese für den Entwickler eine Relevanz haben oder nicht. Als Nachweis für ermittelte Engstellen wird das Protokoll mit entsprechenden Screenshots versehen, die dem Entwickler bestenfalls eine Ahnung darüber vermitteln, wo er den Fehler suchen kann.

-> Heutige DFM-Checks beschränken sich auf die Prüfung von Fertigungstoleranzen
Wie eingangs bereits beschrieben, bedeutet eine Design for Manufacturing Prüfung, dass alle kritischen Aspekte, die sich auf Fertigung oder Funktion eines Produktes auswirken können, überprüft werden. Was Leiterplattenhersteller mit den zur Verfügung stehenden Werkzeugen heute überprüfen, beschränkt sich allerdings im Wesentlichen auf die Fertigungstoleranzen. Weitere wichtige Aspekte bei der Leiterplattenfertigung ergeben sich beispielsweise aus den Lagenaufbauten, den eingesetzten Materialien oder den spezifischen Anforderungen an das jeweilige Produkt. Diese werden heute keiner automatischen Prüfung unterzogen, sondern hängen in aller Regel von der Erfahrung und Aufmerksamkeit der Mitarbeiter beim Leiterplattenhersteller ab.

Wie hilft Stackrate, die bestehenden Probleme zu lösen?

Bei der Konzeption und Entwicklung der Stackrate Plattform haben wir die bestehenden Probleme und Herausforderungen der Leiterplattenbranche sorgfältig analysiert. Wir haben zeitgemäße Softwarelösungen geschaffen, die in der Lage sind, vollwertige DFM-Prüfungen in angemessener Zeit durchzuführen. Zur Visualisierung haben wir eine moderne WebDFM Frontend Komponente erschaffen, die sowohl den Entwickler, als auch den Hersteller bei der Ermittlung und Behebung von DFM-Abweichungen unterstützt.

Welche Prüfungen macht WebDFM?


1

Ermittlung der Strukturbreiten

Kleinster Abstand

Der Abstand zwischen Leiterbahnen ist von großer Relevanz für die Produktion. Sehr feine Abstände stellen entsprechende Anforderungen an die Präzision der eingesetzten Maschinen. Feinere Strukturen führen außerdem zu mehr Ausschuss in der Produktion und sind daher ein erheblicher Kostentreiber.

Das Stackrate WebDFM Modul ermittelt die Abstände und prüft diese auf ihre Realisierbarkeit. Eine moderne Web Komponente hilft Entwicklern bei der Korrektur und gibt nützliches Feedback zu möglichen Optimierungen.


2

Ermittlung der Strukturbreiten

Feinste Leiterbahn

Ähnlich wie ein sehr feiner Abstand zwischen Leiterbahnen, stellen auch sehr schmale Leiterbahnstrukturen hohe Anforderungen an den Fertigungsprozess und die eingesetzten Werkzeuge beim Leiterplattenhersteller.

Das WebDFM Modul von Stackrate misst alle vorhandenen Leiterbahnen und identifiziert potentielle Problemstellen in kürzester Zeit. Mit Hilfe des innovativen Web DFM Viewers erhält der Entwickler wertvolles Feedback, mit dem er seine Leiterplatte in kürzester Zeit optimieren kann.


3

Überprüfung der Bohrungen

Feinste Bohrung

Der kleinste Bohrdurchmesser hat erheblichen Einfluss auf den Fertigungsprozess. Je feiner der kleinste Bohrer im Fertigungsprozess ist, desto weniger Lagen können gleichzeitig bearbeitet werden.

Stackrate überprüft alle vorhandenen Bohrungen der Leiterplatte und macht Vorschläge für mögliche Optimierungen. Auf diese Weise stellen wir sicher, dass einzelne Bohrungen die Leiterplatte nicht unnötig verteuern und gewährleisten eine effiziente Produktion.


4

Überprüfung der Bohrungen

Restring Prüfung

Durchkontaktierte Bohrungen sorgen dafür, dass Strom über Lagen hinweg fließen kann. Aus diesem Grund verlaufen diese Bohrungen immer durch Kupferflächen auf der Leiterplatte. Ähnlich wie bei der Strukturbreite von Leiterbahnen, sollten gewissen Mindestwerte hierbei nicht unterschritten werden, da dies zu deutlich höheren Ausschussraten in der Produktion führen würde.

Das Web DFM Modul überprüft alle vorhandenen Durchkontaktierungen und stellt sicher, dass der kupferne Restring um die Bohrung an jeder Stelle ausreichend ist. Auf diese Weise beugen wir Fehlern in der Produktion bereits frühzeitig vor.

 

5

Klick, Tabellen und Gruppen selektieren

Fehler schnell markiert

Das Web DFM Modul erlaubt es dem Benutzer, vom System erkannte Fehler zu selektieren und zu ignorieren. Dabei können einzelne Fehler per Klick oder mehrere Fehler mittels Fenster ausgewählt werden. Diese Funktion ist für jeden Fehlertyp (Rest Ring, Kleinster Abstand …) möglich.

Aktive Fehler werden in dunkelrot, ignorierte Fehler in Gelb dargestellt. Hierdurch können die zu prüfenden Fehler einfach und schnell erkannt werden.

Die WebDFM Viewer Komponente

Der interaktive WebDFM Viewer ist eine webbasierte Lösung zur Darstellung und Bearbeitung von Abweichungen, die in der DFM-Analyse ermittelt wurden. Die Rechte Seite des Viewers beinhaltet eine übersichtlich strukturierte Liste der Abweichungen. Diese sind den jeweiligen Lagen entsprechend gruppiert. Auf der linke Seite des Viewers befindet sich eine interaktive Ansicht der Leiterplatte. Anhand dieser Darstellung können die Fehler äußerst schnell lokalisiert und bearbeitet werden.

WebDFM Viewer

“Der schnellste DFM-Check am Markt.”

“I’ve failed over and over again in my life. And that is why I succeed.”

Unserer Überzeugung nach dürfen Analyseprozesse im Web Umfeld nicht mehrere Minuten dauern. Der Stackrate Web DFM Check bietet Analysezeiten im Sekundenbereich.

Der Vergleich mit den bestehenden Tools am Markt

Wir haben uns intensiv mit den bestehenden Produkten am Markt auseinandergesetzt. Wir sind der Überzeugung, dass unsere Analyse-Algorithmen bei vielen Projekten gleichwertige und zum Teil sogar bessere Ergebnisse liefern, als die bestehenden Werkzeuge. Fest steht, dass die Laufzeit des WebDFM Moduls in allen Fällen deutlich besser ist, als die Laufzeit bestehender Tools. Folgende Praxisbeispiele dienen als Referenz.

WebDFM 4

4 Lagen Leiterplatte

Industrial Carrier Board

74.00 x 74.00 mm

Stackrate Marktführer
Min. Abstand 151,51 μm 152,00 μm
Min. Leiterbahn 111,94 μm 112,00 μm
Min. Restring 150,00 μm 147,00 μm
Analysezeit 0:35 min 3:42 min
WebDFM 5

10 Lagen Leiterplatte

System on Module (SoM)

82.00 x 30.00 mm

Stackrate Marktführer
Min. Abstand 1,57 μm unknown
Min. Leiterbahn 106,60 μm unknown
Min. Restring 150,00 μm unknown
Analysezeit 1:18 min 2:50 min
WebDFM 6

10 Lagen Leiterplatte

Single Board Computer

70.00 x 95.00 mm

Stackrate Marktführer
Min. Abstand 99,94 μm 100,00 μm
Min. Leiterbahn 100,00 μm 100,00 μm
Min. Restring 120,00 μm 125,00 μm
Analysezeit 3:41 min 14:14 min
Nils Minor

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