Obwody drukowane

Katedra Mikroelektroniki i Technik Informatycznych
Politechniki Łódzkiej
Obwody drukowane
Projektowanie uwzględniające wymogi produkcji
W procesie projektowania urządzeń elektronicznych uwzględniającym
wymogi produkcji (Design For Manufacture, DFM) należy zwrócić
szczególną uwagę na:
1. Wzajemne powiązanie kolejnych etapów projektowania z procesem
wytwarzania
2. Umiejętność wykorzystania w procesie projektowania i wytwarzania
narzędzi komputerowych:
• Komputerowo wspomagane projektowanie
(Computer AidedEngineering, CAE)
dr inż. Piotr Pietrzak
[email protected]
pok. 54, tel. 631 26 20
www.dmcs.p.lodz.pl
Organizacja pracy w zespołach
Standardy projektowania muszą być jasne, jednolite i znane wszystkim
osobom realizującym projekt
Poszczególne etapy projektowania i wytwarzania produktu nie mogą być
odseparowane od siebie.
Należy zapewnić właściwy przepływ informacji między konstruktorami
reprezentującymi różne specjalności (elektronika, informatyka, mechanika,
inne dyscypliny) i biorącymi udział w każdym etapie procesu projektowania
i produkcji
• Automatyzację procesu projektowania systemów
elektronicznych
(Electronic Design Automation, EDA)
3. Organizację pracy projektowej w zespołach
Projektowanie uwzględniające wymogi produkcji
Dodatkowymi zagadnieniami wymagającymi analizy są:
1. Łatwość montażu poszczególnych elementów urządzenia w większą
całość
2. Łatwość testowania poszczególnych bloków funkcjonalnych w trakcie
procesu produkcyjnego oraz po jego zakończeniu, opracowanie
procedur testowych
3. Możliwość oraz miejsce serwisowania urządzenia
4. Możliwość właściwej utylizacji po zakończeniu eksploatacji
Inżynierów biorących udział w projekcie nie może cechować bardzo wąska
specjalizacja zawodowa – powinni oni posiadać podstawową znajomość
innych dziedzin poza własną specjalnością.
Podstawowe zasady DFM
Szacowanie czasu i kosztów realizacji projektu
Najistotniejszym
wymogiem
każdego
etapu
dobrego
projektu
elektronicznego
jest
zapewnienie
efektywnego
wytworzenia
zaprojektowanego urządzenia elektronicznego w założonej skali produkcji
Określenie czasu realizacji projektu oraz szacowanie kosztów, zwykle
wymaga jego podzielenia na zadania i etapy trwające maksymalnie kilka
dni roboczych (najlepiej do kilkudziesięciu roboczogodzin).
W czasie trwania projektu należy analizować ekonomiczne aspekty jego
realizacji, w celu zapewnienia opłacalności produkcji projektowanego
wyrobu
Podstawą szacowania kosztów i czasu realizacji projektu jest
doświadczenie inżynierskie liderów projektu. Prace w tym zakresie często
wspomagane są przez specjalistyczne programy komputerowe.
Technika modelowania kosztów technicznych TCM (Technical Cost
Modelling) pozwala na bezpośrednie porównywanie kosztów wytworzenia
równoważnych
funkcjonalnie
urządzeń
wytwarzanych
różnymi
technologiami.
Właściwie realizowany proces projektowy na wszystkich etapach
uwzględnia planowaną do wykorzystania technologię produkcji oraz
ograniczenia wprowadzane przez proces wytwarzania u danego
producenta w konkretnym czasie i warunkach
Proces projektowy powinien zapewnić uzyskanie powtarzalności produktu
wytworzonego w technologiach gwarantujących wysoką jakość oraz
opłacalność produkcji
Koszty i czas potrzebny na wytworzenie identycznego funkcjonalnie
urządzenia elektronicznego mogą być różne i zależą m.in. od:
• kompetencji zespołu projektowego
• wyposażenia w nowoczesne narzędzia EDA i CAE
• posiadanych narzędzi produkcyjnych i kwalifikacji pracowników
• sposobów kontroli jakości
1
Przebieg procesu projektowo-produkcyjnego
Oczekiwane efekty procesu projektowania
Minimalizacja czasu od pomysłu na produkt do jego wprowadzenia do
produkcji i przekazania odbiorcy (Time to Market, TiM)
Należy dążyć do osiągnięcia celu w pojedynczym cyklu projektowym, bez
konieczności prowadzenia wielokrotnych rewizji oraz opracowania
krótkiego cyklu produkcji
Konieczne jest rozróżnienie zamówienia klienta na konkretny produkt
(określone wymagania, pewność zbytu i znana skala produkcji) od
produktu konkurującego na wolnym rynku towarów (nie do końca znane
zapotrzebowanie i konieczność konkurowania z innymi producentami).
Oczekiwane efekty procesu projektowania
Minimalizacja kosztów projektu i produkcji
Konieczne jest wypracowanie kompromisu pomiędzy wysoką wydajnością
procesu, niezawodnością i kosztem przy znajomości i uwzględnieniu
specyficznych reguł technologicznych danego procesu produkcji.
W procesie powstawania nowego wyrobu należy bazować na
wcześniejszych doświadczeniach, gotowych rozwiązaniach, efektywnie
wykorzystywać posiadane narzędzia, linie technologiczne.
Oczekiwane efekty procesu projektowania
Umiejętność wprowadzania do projektu zmian wynikających z postępów w
zakresie wykorzystywanych podzespołów oraz technologii produkcji
Należy dążyć do poszerzania wiedzy projektanta o najnowszych
rozwiązaniach dostępnych na rynku oraz technologiach produkcji,
zapewnić udział w szkoleniach, kontakty bezpośrednie z inżynierami
produkcji, samokształcenie, podwyższanie kwalifikacji.
Integracja procesów projektowania i produkcji
Poprawa jakości produktu w stosunku do stanu istniejącego
Należy dokonać wnikliwej analizy podobnych produktów istniejących na
rynku lub produkowanych dotychczas, z uwzględnieniem informacji o
występujących usterkach, słabych punktach, reklamacjach, sugestiach
użytkowników.
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Tworzenie założeń technicznych i finansowych projektu
Nieodzowne są: znajomość poprawnej metodyki projektowania DFM,
otwartość na innowacje technologiczne oraz wiedzę i doświadczenie
innych uczestników projektu, elastyczność w projektowaniu, dobry
przepływ informacji w zespole.
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Analiza bezpieczeństwa użytkowania produktu
Specyfikacja techniczna projektu
Ochrona przeciwporażeniowa
Planowany budżet projektu
Sprawność zasilania, chłodzenie
Czas realizacji projektu
Analiza możliwości wystąpienia awarii i ich skutki
Możliwe zagrożenia zdrowia i życia
Należy wziąć pod uwagę konieczność spełniania przez projektowane
urządzenie wymagań przewidzianych normami krajowymi PN (Polska
Norma) i dyrektywą CE (deklaracja zgodności z normami Unii
Europejskiej).
W
szczególnych
przypadkach
(urządzenia
telekomunikacyjne,
biomedyczne itp.) koniecznej jest uzyskanie atestu z akredytowanych
laboratoriów
badawczych
potwierdzających
zgodność
wyrobu
z właściwymi normami.
Bezpieczeństwo
funkcjonowania
warunkach środowiskowych
urządzenia
w
różnych
Produkty wprowadzane na rynek Unii Europejskiej powinny być
bezpieczne. Zgodnie z Ustawą z 12 grudnia 2003 r. o ogólnym
bezpieczeństwie produktów istotnym wymogiem bezpieczeństwa jest
dostarczenie konsumentom odpowiednich informacji, które umożliwiają
ocenę zagrożeń związanych z produktem w czasie jego użytkowania. Za
wszelkie szkody powstałe w wyniku wprowadzenia na rynek produktu
niebezpiecznego odpowiada producent.
2
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Opracowanie
ideowych
schematu
blokowego
i
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
roboczych wersji
schematów
Opracowanie schematu blokowego stanowiącego podstawę analizy
funkcjonalnej urządzenia elektronicznego oraz planowania dalszej części
procesu projektowego.
Opracowanie roboczych wersji schematów ideowych poszczególnych
bloków funkcjonalnych, na podstawie których będzie można dokonać
wyboru najlepszych rozwiązań układowych wykorzystanych w realizacji
projektu.
Kompleksowa analiza problemów transmisji i przetwarzania sygnałów
Poziomy sygnałów
Analiza zakłóceń, odstęp sygnałów od zakłóceń i szumów
Dopasowanie bloków pod względem obciążalności
Wybór metody montażu elementów elektronicznych i wykonywania
połączeń elektrycznych
Rodzaj montażu (powierzchniowy, przewlekany, mieszany)
Sposób lutowania (na fali, rozpływowy, ręczny)
Stopień automatyzacji procesu montażu
Konieczne jest dostosowanie techniki montażu do wymagań odnośnie
rozmiarów urządzenia, skali produkcji, posiadanego oprzyrządowania,
dostępności i kosztów pracy pracowników zatrudnionych przy montażu.
W sytuacji braku odpowiedniego oprzyrządowania, w przypadku produkcji
seryjnej, warto rozważyć możliwość zlecenia automatycznego montażu
obwodów drukowanych zewnętrznej firmie, która dysponuje odpowiednim
wyposażeniem. Rozwiązanie to w porównaniu z montażem ręcznym
gwarantuje większą niezawodność połączeń.
Analiza opóźnień czasowych (hazard)
Kwestie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC)
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Określenie sposobów testowania poprawności funkcjonowania urządzenia
i jego parametrów
Uwzględnienie w procesie projektowania punktów testowych
Opracowanie procedur testowania
Określenie wymagań w zakresie standardowej
lub specjalistycznej aparatury pomiarowo-kontrolnej
Opracowanie konstrukcji mechanicznej
Wybór obudowy z uwzględnieniem stawianych jej wymagań.
Istnieje możliwość zastosowania obudów dostępnych na rynku
lub wykonanie projektu obudowy dedykowanej (opłacalne
w przypadku produkcji seryjnej)
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Wybór podzespołów elektronicznych i elektromechanicznych
Sposób mocowania, wymiary
Koszt, dostępność na rynku, przewidywany okres dostępności
Dostępność zamienników
Prognozy
pojawienia
lub o lepszych parametrach
się
komponentów
tańszych
Projekt płytek obwodów drukowanych
Określenie parametrów PCB i zdefiniowanie reguł projektowych
z uwzględnieniem możliwości technologicznych wytwórcy
Analiza integralności sygnałów
Dobór odpowiedniego materiału PCB
Analiza termiczna
Określenie liczby i kształtu PCB
Uwzględnienie zagadnień kompatybilności elektromagnetycznej
Projekt okablowania z uwzględnieniem złączy
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Projekt oprogramowania
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Opracowanie dokumentacji powykonawczej
Wybór platformy programistycznej
Dokumentacja projektowa
Opracowanie funkcjonalności oprogramowania
Dokumentacja montażowa
Opracowanie interfejsu użytkownika (GUI)
Dokumentacja serwisowa
Instrukcje użytkowania
Integracja prototypu
Montaż i uruchomienie serii prototypowej urządzeń
Produkcja
Testy funkcjonalności, pomiary parametrów
Zapewnienie powtarzalności procesów produkcyjnych
Modyfikacje schematów i PCB
Analiza i eliminacja wpływu zakłóceń na jakość produkcji
Modyfikacje i dopasowanie mechaniki
Testy produktu finalnego i naprawy
Modyfikacje oprogramowania
Badanie uzysku
Optymalizacja kosztu wytwarzania
Kontrola jakości
3
Etapy procesu projektowo-produkcyjnego
Archiwizacja dokumentacji technologicznej
Zapewnienie bezpieczeństwa i trwałości dokumentacji
Przygotowanie bezpiecznego, taniego
naturalnemu opakowania transportowego
i
przyjaznego
środowisku
Określenie możliwości i celowości (opłacalności) ochrony patentowej
produktu
Przygotowanie dokumentacji marketingowej
Wprowadzenie na rynek
4