製造向けPCB設計の最適化：主要戦略とベストプラクティス

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製造向け設計（DFM）とは？
DFMの目的
DFMの要素
DFMがPCBレイアウトにどう反映されるか
Millennium Circuits LimitedからのDFMチェック

PCBの製造向け設計

 

製造およびビジネスセクター全体で、膨大な数の機械がプリント基板（PCB）に依存しています。同様に、PCBの能力が、消費者が毎日使用するデバイスを現実のものにしています。

PCBの設計と製造にこれほど多くのものがかかっている中、最大効率で生産を実装することが不可欠です。しかし、これが実現するには、設計段階と製造プロセスに関わるすべての関係者が、製品アイデアを実現するために常に連絡を取り合う必要があります。ここで、製造向け設計（DFM）という概念とその一連のステップが活躍します。

製造向け設計（DFM）とは？

製造向け設計（DFM）は、メーカーが製品設計を一連のカテゴリで検証し、可能な限り効率的な製造手段を通じて、その寸法、材料、公差、機能性を最適化するプロセスです。DFMでは、認定製品請負業者が各新製品アイデアを様々な領域で精査し、手元の製品に最適な寸法、材料、製造プロセスを見つけます。

間接費を削減しつつ製品品質を向上させたいメーカーはDFMを採用します。DFMはまた、短期生産品の代替製造方法を見つけることも可能にします。例えば、企業が少量しか製品を必要としない場合、その限定生産品のために高価なハイテク成形装置一式をセットアップするのは無駄かもしれません。

同時に、その製品は従来の産業装置なしでは製造困難な独自の寸法を必要とするかもしれません。DFMは、別個の成形キャビティを必要とするピースに対してヒート成形法のような、コストを節約する代替方法を見つけるのに役立ちます。

DFMはまた、既存設計の改善にも役立ちます。企業が過去に製品を大量生産し、今度は再生産を計画している場合、元の設計とそれを製品化するために使用されたプロセスを再評価することで、今回はコストを節約できます。以前のステップのいずれかが無駄だと判断されれば、プロセスから排除できます。

DFMの目的

DFMの目的は、かつて一般的だった設計者とメーカー間のミスリードを排除することです。過去の数十年間、両当事者は相互の誤解によりしばしば対立しました。典型的なシナリオでは、設計者が一連の寸法と材料リストを持つ製品を考案し、ブループリントとスケッチをメーカーに送ります。メーカーの任務は設計を生産に移すことです。設計に問題が見つかれば、設計者はそれをメーカーに修正させます。

設計者の視点では、設計段階以降のステップ（修正含む）はメーカーの責任でした。問題は、メーカーが通常設計プロセスの複雑さを理解していないものの、特定の寸法や材料が非現実的または不可能であることは知っている点です。このような場合、生産が直前の設計大幅見直しで遅延し、関係者双方にとってコストがかかることがよくありました。時には、欠陥と製品不良・顧客不満のリスクにもかかわらず、メーカーが設計を急いで生産に移すこともありました。

DFMエンジニアリングでは、設計、開発、生産プロセスのすべての段階の専門家が、すべてのステップで協力します。彼らは、エンジニアが各部門からの入力とフィードバックをリアルタイムで聞きながら、製品が開発、テスト、修正のために戻されるという統合チームを形成します。DFMは、設計欠陥をほぼ即座に発見し、製造チームが生産を開始するずっと前に修正することで、コストと時間を節約します。

DFMを採用する製品開発チームには、製造プロセス外の当事者（購買担当、ベンダー、弁護士）からのインプットも含まれます。製品設計を最終決定した時点で、企業は全体製造予算のわずかな部分しか費やしていませんが、設計が製品コストの大半を決定します。したがって、メーカーは製品にコミットする際、あまりに多くのものが賭かっています。

DFMでは、各部門のエンジニアによる協調的な精査により、コストのかかる生産停止と無駄なランにつながるミスを排除できます。DFMはまた、不良品が市場に出回り、突然の欠陥、顧客苦情、複数の訴訟、ブランド名を消費者の目で傷つけるその他のPR失態を招くシナリオを回避するのにも役立ちます。

DFMの要素

DFMのステップには、与えられた製品のプロセス、設計、材料、環境、コンプライアンスを決定するための以下のシーケンスが含まれます。

1. 製造プロセス

DFMの最初の部分は、問題の製品に使用する適切な製造プロセスの種類を決定することです。特定数量で製品を生産する必要がある場合、プロセスは生産範囲と計画されるプレス数を反映すべきです。

与えられた製品に最適な製造プロセスを決定するには、製品サイズや生産に必要な材料などの要因を考慮すべきです。また、製品表面が必要とするステップ、基本的な組立段階を超える二次ステップが必要かどうかも考慮します。

2. 製品設計

DFMの次の部分は、製品設計を検証し、仕様が完成品に適しているか、生産開始前に追加の変更が必要かを判断することです。このステップの目的は、前回のランでの設計上の問題を修正し、今回の生産をよりスムーズかつ効率的にすることです。

既存設計を改訂する場合、変更が基本的な設計原則に沿っていることを確認してください。この領域のすべての決定について契約メーカーと議論してください。そうすることで、手元の製品の製造原則に従って次回生産が実行されることを確実にできます。

3. 製品材料

DFMのもう一つの重要な側面は、問題の製品に必要な材料を決定することです。製品の形状、サイズ、意図用途に応じて、強度、質感、熱特性など、材料または製品に必要な多様な要因を考慮する必要があります。

このステップでは、選択した材料が手元の生産要件を満たすことを確認するため、契約メーカーと相談する必要があります。特定の材料を念頭に置いている場合、その材料が耐熱性があり電気を伝導するかどうかを知る必要があります。これらの要因が製品の成否を分ける可能性があるためです。

4. 最終的に使用される環境

製品のプロセス、設計、材料の選択を最終決定する前に、消費者が使用する環境を検証する必要があります。この環境が材料と製品形状にどのような影響を与えるかを決定したら、前の3つのDFM選択で十分かを判断する必要があります。

製造向け設計の例には、消費者が製品をどう、どこで使用するかを考慮することが含まれます。一年中屋外で使用する製品を開発する場合、材料は周囲温度と気象条件の全範囲に耐えられる必要があります。ユーザーが製品を他の物体に取り付ける場合、設計は多様なセットアップに対応する必要があります。

5. テスト/コンプライアンス

DFMの最終段階は、問題の製品の設計と材料が、意見を持つ様々な主体の安全性と品質基準を満たすかどうかを判断することです。サードパーティのISO認定試験施設でこれを判断できます。中立的な製造アナリストがテストを監督する必要があります。

様々な主体が、現在の状態での設計進行に影響を与える基準を持つ可能性があります。例えば、州、連邦、国際レベルの規制ルールが、既存構成での製品を危険と見なすかもしれません。製品が意図する業界のコードを満たさないかもしれません。製品設計が、自社の安全基準さえ満たさない可能性もあります。

よくある設計ミス

PCBの設計と生産中にDFMを採用することで、以下のミスを排除できます。

1. エッジクリアランス

PCB設計でメーカーが犯し得る最も重大なミスの一つは、十分なエッジクリアランスを確保しないことです。この問題は、PCBエッジ沿いの銅にとって問題となり得ます。保護コーティングがないと銅は腐食する可能性があるためです。この許容を考慮せずにPCBを設計すると、最終カットでコーティングが除去される恐れがあります。

幸い、必要なクリアランスを基板設計に追加すれば、エッジ許容問題を容易に修正できます。PCBの外層では、コーティングに設計への追加0.010インチ（約0.25mm）のみが必要です。内層では、追加0.015インチ（約0.38mm）のみが必要です。

2. 酸トラップの形成

酸トラップは、この問題を考慮しないPCB設計で繰り返し発生する可能性があります。この可能性を避けるため、鋭角で角度付きトレースを設計しないでください。例えば、45度角は90度角よりはるかに好ましいです。後者はPCBを酸トラップに対して脆弱にする可能性がありますが、前者は一般的にこの問題になりにくいです。ルーティング完了後、すべてのトレース角度を再確認し、接合トレースが酸トラップを形成していないか確認してください。

3. 複雑すぎる基板レイアウト

基板が複雑になる状況に陥った場合、必要なすべてのコンポーネントを同じ側に整理できる、より現実的な計画に設計を見直すべきです。一部のPCB設計者が時々犯すミスは、メイン側のスペースを空けるために、いくつかの要素を基板の裏面に配置することです。

PCBの両面にコンポーネントを配置すると、製造プロセスのコストが増加します。さらに、PCBの反対側にコンポーネントを追加すると、メーカーにとって多数の複雑さが生じます。

4. パッド間にソルダーマスクなし

PCB設計において、ソルダーマスクはあらゆる回路基板の最も重要な要素の一つです。これは銅と他の金属の接触を防ぐためです。パッド間にソルダーマスクがない場合、負の金属間で接触が形成され、予期せぬショートサーキットを引き起こす可能性があります。

すべての回路基板に十分なソルダーマスクがあることを確実にするには、すべてのPCB生産の設計ルールにこれを含めてください。そうすれば、大型PCBの設定を小型回路基板に変換する際、ソルダーマスクの適用に問題が生じることはありません。

5. パッドへのビア配置

PCBでスペースがタイトな場合、スペースを確保するためにビアを追加したくなるかもしれません。しかし、これは基板から半田を引き離すことでPCBの実装能力を弱め、半田付けプロセスを無効にする可能性があります。ビアオプションは特定の状況で有用ですが、必要な場合のみ使用してください。マイクロビア、ブラインドビア、埋め込みビアも同様です。

製造向け設計がPCBレイアウトにどう反映されるか

PCBエンジニアリングにおいて、DFMの原則は、PCBのサイズに関わらず、すべての設計仕様を機能的なレイアウトに保つのに役立ちます。一つの基板のコンポーネントをより小さなPCBに組み込む場合、部品を配置し、酸トラップやエッジクリアランスの問題などを回避するのは困難です。DFMは、基板が生産に入る前にこれらの問題を回避するのに役立ちます。

DFMエンジニアリングでは、認定メーカーが回路基板の設計を検査し、その寸法がPCBの意図した目的に十分かどうかを確認します。また、基板設計が意図した環境で機能するかも検証します。例えば、基板が莫大な熱を発生する機械で使用される場合、PCB設計はこれらの条件に耐えられるコンポーネントと保護要素を組み込む必要があります。

DFMプロセスはまた、一連の標準テストに合格しない場合、PCB設計が生産承認を受けないことも保証します。例えば、想定される作業条件のセットで基板が容易に故障する場合、設計者は追加コンポーネントで基板を再加工し、対応デバイスのタスクを処理できるまで改善する必要があります。

PCB生産において、DFMの原則は設計製造（DFF）と手を携えて進み、製造に関する問題とそれがPCBにどう適用されるかをカバーします。

Millennium Circuits LimitedからのDFMチェック

設計検査とコンプライアンステストでは、客観的で資格のあるサードパーティの意見を求める必要があります。Millennium Circuits Limitedでは、PCB設計と試作板にDFM分析を実施し、欠陥やその他の問題を特定します。MCLに今すぐお問い合わせいただき、生産前にPCBを改善する方法をご確認ください。