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Warum DFM den Unternehmensumsatz in der Elektronikindustrie steigern kann

DFM ist ein Akronym, das für Design For Manufacturing steht. Es ist eine zunehmend wichtige technische Praxis in der Elektronikindustrie, da es eine entscheidende Rolle bei der Einführung neuer Produkte spielt. Kosten werden dadurch reduziert, die Qualität erhöht und potenzielle Schwierigkeiten bei der eigentlichen Produktion vermieden. In diesem Artikel erfahren Sie, was DFM genau ist und wie ein Werkzeug wie Valor NPI sowohl Entwicklern als auch Herstellern bei einem DFM-basierten Prozess zur Einführung neuer Produkte helfen kann.

 

Was genau ist DFM?

Ganz allgemein kann DFM als die Entwicklung von Produkten definiert werden, die einfach und kostengünstig zu fertigen sind. Warum ist das wichtig? Die Bedeutung der fertigungsgerechten Gestaltung (design for manufacturing) wird durch die Tatsache unterstrichen, dass:

  • Etwa 70 % der Herstellungskosten eines Produkts (Material-, Verarbeitungs- und Montagekosten) durch Design-Entscheidungen mitbestimmt werden.
  • Nur 20 % dieser Kosten sich auf Produktionsentscheidungen zurückführen lassen (z. B. Verfahrensplanung oder Werkzeugmaschinenauswahl).

Wenn Sie also die Markteinführungszeit, die Produktionskosten und die Qualität Ihres Produkts unter Kontrolle halten wollen, sind die in der Entwurfsphase getroffenen Entscheidungen am wichtigsten. Das ist der Wirkungsbereich von DFM.

Auf dem Elektronikmarkt wird das Design for Manufacturing auf die Leiterplatte angewandt. Ihre Produktion besteht aus zwei unterschiedlichen Phasen:

  • Der Fertigung der blanken Leiterplatte, auf der die Komponenten angebracht werden.
  • Dem Montagevorgang, bei dem die Komponenten auf der Leiterplatte angebracht werden.

Technisch gesehen wird zwischen Design for Fabrication (DFT) und Design for Assembly (DFA) unterschieden, da die Probleme, die Sie lösen (und verhindern) können, in den zwei Phasen unterschiedlich sind.

DFM and the NPI business process
DFM und der New Product Introduction Prozess

Steps for ensuring PCB assembly success with Valor NPI

White Paper

In diesem Dokument werden die acht Schritte erläutert, die Sie unternehmen müssen, um den Erfolg der Leiterplattenbestückung und den Erfolg des Unternehmens zu gewährleisten, und wie die Valor NPI-Tools von Siemens Ihnen dabei helfen können.

DFM und NPI

Sowohl DFT als auch DFA zielen auf eine erfolgreiche Einführung neuer Produkte (New Product Introduction, NPI) ab, das heißt auf die Einführung eines neuen Produkts in den Fertigungsprozess und schließlich auf den Markt. Bei der idealen NPI ist kein Re-Spin, das heißt keine Überarbeitung des Entwurfs oder Korrekturprozess für Produktionsprobleme erforderlich.

Die beim PCB-Layout getroffenen Entscheidungen wirken sich direkt auf den Erfolg des NPI-Prozesses aus. Jedes Fertigungsproblem, das in einem Entwurf gefunden wird, führt mindestens zu einer Verzögerung oder macht eine Überarbeitung des Designs erforderlich.

Das Wort "Re-Spin" ist typisch für diesen Prozess. Der Begriff ist Teil des Branchenjargons und bedeutet im Wesentlichen, etwas noch einmal zu tun, es noch einmal zu versuchen, etwas noch einmal zu überarbeiten – "zurück zum Zeichenbrett", um einen unter Entwicklern beliebten Ausdruck zu verwenden. Wenn Sie zu einem früheren Stadium des Entwurfsprozesses zurückkehren müssen, müssen Sie alle Arbeitsschritte erneut durchlaufen, einschließlich der Tests und Verifizierungen. Jeder weitere Re-Spin bedeutet höhere Kosten und längere Fristen.

 

Die Entwicklung des DFM

Seit den Anfängen der Leiterplattenherstellung in den 1950er Jahren wurde stets eine Form des DFM angewandt. In den vergangenen Jahrzehnten hat sich das DFM erheblich weiterentwickelt und ist zu einem integralen Bestandteil der Einführung neuer Produkte (NPI) geworden. Heute beinhaltet die NPI-Software die Bereiche Design und Fertigung, um eine Leiterplatte für die Produktion zu optimieren. Die Daten und das Know-how stammen direkt aus der Fertigung und können während der gesamten Planung, Fertigung, Montage und Kontrolle genutzt werden.

Die besten Designer sind der Meinung, dass sie mit der NPI-Software zahlreiche Möglichkeiten zur Optimierung ihrer Produkte während des anfänglichen Freigabeprozesses nutzen können, da sie über die Möglichkeiten der Hersteller und Montagebetriebe informiert sind.

Dieser Ansatz, bei dem die Bedürfnisse aller am Prozess Beteiligten berücksichtigt werden, wird "intelligentes DFM" genannt – weil jeder davon profitieren kann: PCB-Designer, Fertigungsingenieure und Unternehmen für Elektronikfertigung (EMS) oder Auftragshersteller.

 

Intelligentes DFM

Der "intelligente" Ansatz umfasst auch den Einsatz von Expertensystemlogik zur Automatisierung der DFM-Analyse. Das ist es, was die Valor NPI-Software von Siemens leistet. Hochwertige automatisierte DFM-Analysen basieren auf einer Kombination von PCB-Technologien und Fertigungsrestriktionen. Die PCB-Technologie kann automatisch mit intelligenten Entwurfsdaten bestimmt werden. So ist beispielsweise das Kupfergewicht jeder Lage bei der DFM-Analyse für die Fertigung entscheidend. Der Grund dafür ist die angewandte Kompensation der Ätzung und die daraus resultierende Rückätzung, die je nach Kupfergewicht variiert.

Das Gewicht des Kupfers variiert zwischen Innen- und Außenschichten. Ein 3-Millimeter-Abstand auf einer Innenschicht aus 0,5 Unzen Kupfer könnte akzeptabel sein. Auf den äußeren Lagen sind jedoch größere Abstände erforderlich – bis zu 4 Millimeter bei der Verwendung von 1 Unze Kupfer. Darüber hinaus erfordern sequenziell laminierte, stacked Vias andere DFM-Regeln als eine herkömmliche, einfach laminierte Leiterplatte.

Dadurch, dass die DFM-Software automatisch auf jede dieser Einschränkungen reagiert, verringert sich der Engineering-Aufwand und die gewünschten Ergebnisse werden für jeden Benutzer, unabhängig von seinen Fertigungskenntnissen, zuverlässig erzielt. Darüber hinaus kann Valor NPI eine vollständige Lötanalyse durchführen, wie in der Abbildung unten gezeigt, um potenzielle Lötprobleme zu lokalisieren.

DFM checkingValor NPI kann im Rahmen der DFM-Prüfung Lötvalidierungsanalysen durchführen.

 

Panel-Optimierung

Da sich DFM kontinuierlich weiterentwickelt, wird die Valor NPI-Software nun auch für das Design und die Optimierung von Leiterplatten-Panels eingesetzt. Viele Unternehmen sind ineffizient in ihrem Panel-Design-Prozess, selbst in Bezug auf Montagepanels oder Arrays. In der Regel verwenden Konstrukteure ein mechanisches 2D-CAD-Tool, um eine Skizze zu erstellen, die zeigt, wie die Baugruppen aussehen sollen, wenn sie vom Bare-Board-Hersteller geliefert werden. Die Erstellung der Skizze und das Hinzufügen von Notizen und Maßangaben kann mehrere Stunden in Anspruch nehmen, bevor die Zeichnung als "einfache" Datei an den Fertigungsbetrieb geschickt wird. "Einfach" bedeutet, dass die Zeichnungsdatei keine Informationen enthält, auf die der Hersteller bei der Fertigung der Werkzeuge zurückgreifen kann. Stattdessen muss der Hersteller das Panel mit seiner CAM-Software neu generieren und ein Prüfbild zur Genehmigung an den Konstrukteur zurücksenden. Mit der heute verfügbaren Technologie sind diese redundanten manuellen Prozesse überflüssig.

Stattdessen kann das Designteam mit der Valor NPI-Software einfach Montagepanels erstellen, die alle benötigten Elemente enthalten: Schienen, Werkzeugbohrungen, Referenzmarken und Routing- oder V-Score-Elemente. Valor NPI kann die Boards innerhalb des Montagepanels automatisch optimieren, um die Materialkosten für die Herstellung zu minimieren.

panel optimization n DFM

Valor NPI kann sowohl die Fertigungs- als auch die Montagepanels optimieren. In diesem Fall führt das Zusammenfügen der Leiterplatten in einem effizienteren Bestückungsmuster zu 20 Montagepanels anstelle der 12 Panels des ursprünglichen Entwurfs.

 

Digitalisierung von Daten

Die Einführung neuer Produkte umfasst außerdem die Erstellung, Validierung und Übergabe des Konstruktionsdatenpakets an die Fertigungs- und Montagebetriebe. In der Regel wird es als Bündel geliefert, das aus einer Kombination der folgenden Elemente besteht:

  • Gerber files
  • Drill files
  • Netlist files
  • Test files
  • Manufacturing BOM
  • Drill Entwürfe
  • Montagepanel-Entwürfe • Route drawings
  • Stackup Entwürfe
  • Entwurfsnotizen.

In einer Branche, welche die Digitalisierung der gesamten Welt vorantreibt, ist die Leiterplattenproduktion in hohem Maße von manuellen Prozessen abhängig, bei denen die Anweisungen durch zweidimensionale, nicht-relationale Pläne und Dokumente übermittelt werden. Gibt es etwas in der Dokumentation, das nicht als Datenfeld dargestellt werden kann? Netze, die absichtlich kurzgeschlossen werden? Ein Datenfeld kann mit den entsprechenden Netzen verknüpft werden. Farbe der Lötpaste auf der Oberfläche?

Mit Valor NPI können Daten vom Design bis zur Fertigung vollständig digital übermittelt werden. Dies ist die wesentliche Voraussetzung für die digitale Transformation der Elektronikindustrie und für die Umsetzung von Smart Manufacturing.

 

Der Mehrwert von Valor NPI

Die genannten Beispiele haben deutlich gemacht, was intelligentes DFM ist und welche Rolle es im NPI-Prozess spielt. Aber im Fall von Valor NPI kann das Tool selbst aus mindestens drei weiteren Gründen einen Mehrwert für Sie darstellen:

  • Die Handhabung ist unkompliziert, die Lernkurve ist kurz und die ersten Ergebnisse sind schnell erkennbar.
  • Der IPC-Regelsatz ist in der Software enthalten.
  • Die DFA-Lötstellenprüfung ist im Lieferumfang enthalten.

Der Valor NPI Geschäftsprozess

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass DFM das wahre Element der Kontinuität zwischen Design und Fertigung ist. Es gehört zum Tätigkeitsbereich der Entwicklung, hat aber einen starken Einfluss auf die Fertigung. Wie in der nachstehenden Grafik zu sehen ist, bedeutet ein schlanker NPI-Prozess, dargestellt durch die grüne Linie, dass weniger Re-Spins und höhere Qualität eine deutlich gesteigerte Produktionsrate nach sich ziehen. Infolgedessen ist der Umsatz höher. Das ist der entscheidende Punkt.

Valor NPI Business Process in DFM
Der Valor NPI Geschäftsprozess

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