Designregelprüfung

Designregelprüfung

Designregelprüfung, im PCB-Bereich üblicherweise als DRC bezeichnet, ist ein physikalischer Designprozess, um festzustellen, ob das physikalische Layout eine Reihe von Regeln oder empfohlenen Parametern erfüllt, die von den Halbleiterherstellern definiert wurden. DRC umfasst auch LVS-(Layout-und-Schaltplan-)Prüfung, XOR-Prüfung, ERC (elektrische Regelprüfung) sowie Antennenprüfung.

Die Leiterplattenkonstruktion und -fertigung ist ein äußerst komplexer Prozess, der ein effektives Management von Tausenden von Bauteilen und Verbindungen auf mehrlagigen Platinen erfordert. Die Sicherstellung der Ausbeute in der Produktion ist entscheidend, und die Designregelprüfung ist eine wichtige Methode, um diese zu verbessern. DRC ist ein kritischer Verifikationsschritt im PCB-Designprozess, bei dem mithilfe von EDA-Tools automatisch überprüft wird, ob das PCB-Layout den vorgegebenen Designregeln und Fertigungsbeschränkungen entspricht, um sicherzustellen, dass das Design herstellbar und zuverlässig ist.

Diese Regeln umfassen typischerweise:

• Elektrische Regeln: wie minimale Leiterbahnbreite, Leiterabstand und Anschluss- und Leiterverbindungsvorgaben, um Kurzschlüsse oder Signalstörungen zu vermeiden;

• Fertigungsregeln: wie minimale Bohrungsdurchmesser, Via-Breite und Lötstopplack (Lötstopplack) Öffnungsgröße, um sie an die Fertigungsmöglichkeiten der Leiterplattenfabrik anzupassen;

• Prozessregeln: wie Bauteilabstände und Einstellungen der Positionsreferenzpunkte, um die Genauigkeitsanforderungen der SMT-Bestückungsgeräte zu erfüllen. Die Kernfunktion der DRC besteht darin, potenzielle Konstruktionsfehler und Verstöße zu erkennen, was Nacharbeit in späteren Produktionsphasen reduziert, Kosten senkt und den Entwicklungszyklus verkürzt.

Der Kernwert und die Bedeutung der Designregelprüfung (DRC) in der PCBA-Fertigung

Die Designregelprüfung ist ein entscheidlicher Qualitätssicherungsschritt im gesamten PCBA-Prozess von der Konstruktion bis zur Serienproduktion. Durch die Festlegung von Industriestandards, Fertigungsprozessvorgaben und Zuverlässigkeitsanforderungen wird die automatisierte oder manuelle Überprüfung von Leiterplattendesign-Dokumenten ermöglicht. Ihre Bedeutung erstreckt sich über die gesamte Kette der Designverifikation, Kostenkontrolle, Sicherstellung der Serienfertigung und Qualitätsverbesserung. Sie ist ein zentraler Vorprozess für Kingfield, um die Wettbewerbsfähigkeit seiner PCBA-Produkte sicherzustellen.

I. Vermeidung von Konstruktionsfehlern und Reduzierung von Risiken in der Serienproduktion

DRC kann versteckte Probleme im Design genau identifizieren, einschließlich nicht konformer Leiterbahnbreiten/Abstände, abnormaler Via-Abmessungen, Unebenheiten zwischen Lötflächen und Bauteilegehäusen, schlechter Kupferverbindungen sowie Konflikte in der Layoutgestaltung von Strom- und Masseleitungen. Wenn diese Probleme in der Entwurfsphase nicht erkannt werden, können sie zu schwerwiegenden Fehlern wie Kurzschlüssen/Unterbrechungen auf der Leiterplatte, Unfähigkeit, Bauteile zu verlöten, und Signalstörungen während der Prototypenerstellung oder Serienproduktion führen. Dies verschwendet nicht nur Rohstoffe, sondern verzögert auch die Projektabwicklung. Kingfield verwendet einen strengen DRC-Prozess, um Designfehler frühzeitig zu erkennen, Risiken bereits an der Quelle zu kontrollieren und sicherzustellen, dass das Design den Anforderungen der Fertigbarkeit genügt.

II. Abstimmung der Fertigungsprozesse zur Sicherstellung der Produktionseffizienz

Unterschiedliche PCBA-Hersteller verfügen über unterschiedliche Produktionsanlagen und Prozesskapazitäten. DRC kann Prüfregeln basierend auf den Kernprozessparametern von Kingfield anpassen, um eine hohe Übereinstimmung zwischen Konstruktionsunterlagen und den tatsächlichen Fertigungsmöglichkeiten sicherzustellen. Beispielsweise kann DRC bei Mikro-Via-Designs auf hochdichten Leiterplatten überprüfen, ob der Bohrungsdurchmesser der Präzision der Bohranlagen entspricht, wodurch Produktionsunterbrechungen und Einbußen bei der Ausbeute aufgrund von Prozessinkompatibilitäten vermieden werden. DRC ermöglicht eine nahtlose Integration von "Design und Fertigung", verbessert die Produktionseffizienz erheblich und verkürzt die Lieferzeiten.

III. Steuerung von Kostenverlusten und Optimierung der Ressourcenallokation

Konstruktionsfehler, die zu Nacharbeit beziehungsweise Neufertigung führen, sind eine der Hauptursachen für Kostenüberschreitungen bei PCBA-Projekten. Wenn beispielsweise ein Kurzschluss auf einer Leiterplatte aufgrund zu geringem Leiterbahnenabstand auftritt, muss die Platine erneut hergestellt, die Bauteile neu beschafft und eine erneute Bearbeitung durchgeführt werden, was die Material- und Arbeitskosten direkt erhöht. Werden solche Probleme erst nach der Serienproduktion entdeckt, vervielfachen sich die Verluste exponentiell. Kingfield nutzt DRC, um Probleme im Voraus zu erkennen, die Nacharbeitquote zu minimieren und Materialverschwendung durch ungeeignete Konstruktion zu vermeiden, wodurch eine präzise Kostenkontrolle erreicht und die Rentabilität des Projekts verbessert wird.

IV. Sicherstellung der Produktsicherheit und Steigerung des Markenrufs

Die Zuverlässigkeit von PCBA-Produkten hängt direkt von der Rationalität des Designs ab. DRC kann das Designkonzept in mehreren Dimensionen überprüfen, einschließlich elektrischer Leistung, mechanischer Struktur und thermischer Stabilität:
Elektrische Leistung: Überprüfung der Rationalität des Spannungsabfalls im Stromnetz, der Signalimpedanzanpassung und der Erdungsanlage, um Produktstörungen aufgrund von Signalinterferenzen oder Strominstabilität zu vermeiden;
Mechanische Struktur: Prüfung, ob die Bauteilanordnung die Anforderungen an die Wärmeableitung erfüllt und ob Steckverbinder ausreichend Platz für Ein- und Ausstecken haben, um eine Beeinträchtigung der Produktlebensdauer durch Wärmestau oder mechanische Interferenzen zu vermeiden;
Umweltverträglichkeit: Für besondere Anwendungsszenarien wie industrielle und automotive Anwendungen kann DRC überprüfen, ob das Design Umweltstandards wie Schwingungs- und Temperaturbeständigkeit erfüllt. DRC gewährleistet einen stabilen Betrieb der Produkte über deren gesamten Lebenszyklus, reduziert die Kosten für die Nachverkaufswartung und stärkt den Markenruf sowie die Wettbewerbsfähigkeit von Kingfield in der PCBA-Branche.

V. Anpassung an Branchenstandards und Erfüllung von Konformitätsanforderungen

PCBA-Produkte für verschiedene Anwendungen müssen die geltenden Branchenstandards erfüllen. DRC kann die zwingenden Anforderungen dieser Standards einbetten, um die Konformitätszertifizierung der Produkte sicherzustellen. Beispielsweise kann DRC bei der Leiterplattenbestückung für die Automobilindustrie den Isolationsabstand zwischen Hoch- und Niederspannungskreisen überprüfen, um die Sicherheitsstandards für Automobilelektronik einzuhalten; bei medizinischen Geräten kann DRC die Signalintegritätsauslegung prüfen, um die Genauigkeit der Diagnosen des Geräts sicherzustellen. Kingfield gewährleistet durch DRC die Einhaltung von Industriestandards und bietet Kunden konforme und zuverlässige kundenspezifische Lösungen.

Die Designregelprüfung (Design Rule Check) ist als zentrales Werkzeug zur Verifikation von PCBA-Designs eine umfassende und detaillierte Prüfung von PCB-Designunterlagen mithilfe einer standardisierten Regelbasis und intelligenter Verifizierungslogik. Ihre Funktionen decken Schlüsselaspekte wie elektrische Leistung, Fertigungstauglichkeit, mechanische Struktur und Konformität ab und stellen eine zentrale technologische Unterstützung für Kingfield dar, um die Qualität von PCBA-Designs und die Zuverlässigkeit bei der Serienproduktion sicherzustellen. Im Folgenden werden ihre acht Kernfunktionen erläutert:

I. Prüfung elektrischer Regeln: Sicherstellung stabiler Schaltkreisfunktion

Die elektrische Leistung ist das Herzstück von PCBA-Produkten. Die DRC prüft präzise die elektrische Richtigkeit des Schaltungsdesigns, um bereits an der Quelle Probleme wie Signalstörungen und Spannungsinstabilität zu vermeiden:

• Abstandsregelprüfung: Überprüft den minimalen Isolationsabstand zwischen Leitern, Lötflächen, Durchkontaktierungen und Kupferbahnen, um Kurzschlüsse und Kriechströme aufgrund unzureichender Abstände zu vermeiden, besonders geeignet für die strengen Anforderungen von Hochspannungsschaltungen und hochdichten Leiterplatten;

• Netzwerkverbindungsprüfung: Erkennt Netzwerkprobleme wie Unterbrechungen, Kurzschlüsse und lose Verbindungen, um sicherzustellen, dass die Verbindungen von Strom-, Signal- und Masseleitungen den Konstruktionsvorgaben entsprechen, und funktionale Ausfälle durch unterbrochene Netzwerke zu vermeiden;

• Impedanzanpassungsprüfung: Prüft bei Hochgeschwindigkeitssignalen, ob die Leiterbahnbreite, der Leiterabstand und die Dielektrikumdicke den vorgegebenen Impedanzwerten entsprechen, um Signalreflexionen und Übersprechen zu reduzieren und die Signalintegrität sicherzustellen;

• Stromversorgungsnetzprüfung: Überprüft, ob die Breite der Strombahn den Anforderungen an die Stromtragfähigkeit genügt (Überlastung und Erwärmung vermeiden) und ob die Verteilung von Strom und Masse ausgeglichen ist (Spannungsabfall reduzieren), um eine stabile Stromversorgung sicherzustellen;

• Prüfung des Erdungsdesigns: Prüfen, ob die Erdungsmethode (Einzelpunkt-Erdung, Mehrpunkt-Erdung) sinnvoll gewählt ist und ob die Anzahl der Erdungs-Vias ausreichend ist, um Erdungsschleifenstörungen zu vermeiden und die Störfestigkeit der Schaltung zu verbessern.

II. Überprüfung der Verträglichkeit mit dem Fertigungsprozess: Sicherstellung der Herstellbarkeit

DRC passt Regeln basierend auf den Parameter der Produktionsanlagen und den Prozessfähigkeiten von Kingfield an, um eine nahtlose Kompatibilität zwischen Design und dem tatsächlichen Fertigungsprozess sicherzustellen:

• Überprüfung von Leiterbahnbreite/Abstand: Überprüfung, ob die Leiterbahnbreite den minimalen Bearbeitungsanforderungen entspricht, um ein Brechen während des Ätzvorgangs und eine unzureichende Stromtragfähigkeit aufgrund zu geringer Leiterbahnbreite zu vermeiden;

• Überprüfung über Parameter: Prüfen Sie, ob Durchmesser, Wandstärke und Lötflächenabmessungen der Bohrungen mit den Bohr- und Kupferbeschichtungsprozessen übereinstimmen, um eine Verstopfung der Durchkontaktierungen und schlechte elektrische Verbindungen zu vermeiden;

• Überprüfung des Lötflächendesigns: Stellen Sie sicher, dass Größe und Abstand der Lötflächen mit dem Bauteilegehäuse kompatibel sind, um zu große oder zu kleine Lötflächen zu vermeiden, die kalte Lötstellen oder Lötbrücken verursachen können, und gewährleisten Sie die Kompatibilität mit SMT-Bestückungs- und Reflow-Lötverfahren;

• Prüfung von Lackschutz (Lötstopplack)/Seidenbedruck: Überprüfen Sie, ob die Lötstopplacköffnung die Pad abdeckt und ob der Siebdruck überlappt, um eine genaue Bauteilpositionierung während der Produktion sicherzustellen;

• Überprüfung der Kupferbearbeitung: Überprüfen Sie die Verbindungsmethode zwischen Kupfer und Pads sowie Vias, Kupferinseln und passen Sie an die Anforderungen des PCB-Ätz- und Lötstopplackprozesses an.

III. Prüfung der mechanischen Struktur und des thermischen Designs: Verbesserung der Produktsicherheit

DRC optimiert das Design aus Sicht der physikalischen Struktur und thermischen Stabilität, um die mechanische Festigkeit und Wärmeableitungsfähigkeit der Leiterplatte über ihren gesamten Lebenszyklus hinweg sicherzustellen:

• Überprüfung der Bauteilanordnung: Überprüft, ob der Abstand zwischen Bauteilen den Anforderungen an die Wärmeableitung entspricht und ob mechanische Interferenzen vorliegen; stellt ausreichenden Platz für Montage und Wärmeableitung sicher;

• Prüfung des Randabstands: Überprüft den Mindestabstand von Bauteilen, Durchkontaktierungen und Leiterbahnen zur Kante der Leiterplatte, um Schäden an der Schaltung und unzureichende mechanische Festigkeit durch das Trennen der Plattenkanten zu vermeiden;

• Überprüfung des Kühlungsdesigns: Für Leistungsbauteile wird geprüft, ob das Design der Wärmepads und Wärmedurchkontaktierungen sinnvoll ist, um eine schnelle Wärmeableitung sicherzustellen und Hitzestau, der zur Alterung der Bauteile führen kann, zu vermeiden;

• Prüfung mechanischer Bohrungen: Überprüft, ob Größe und Position der Schraublöcher und Positionierlöcher zur Gehäuse- und Montagestruktur passen, um Montagefehler aufgrund von Lochabweichungen zu vermeiden.

IV. Geräte- und Gehäusekompatibilitätsprüfung: Minimierung von Montagerisiken

Die Kompatibilitätsprüfung des Designs überprüft die Übereinstimmung zwischen Gerätegehäusen und Konstruktionsdokumenten, um Montageprobleme aufgrund von Gehäusefehlern zu vermeiden:

• Gehäusepassungsprüfung: Stellt sicher, dass das Gehäuse des Bauelements mit dem tatsächlich ausgewählten Bauelement übereinstimmt, um eine „Gehäuse-Bauelement-Unverträglichkeit“ zu vermeiden, die das Löten verhindern würde;

• Polarisationskomponenten-Überprüfung: Überprüft, ob die Polung des Gehäuses bei polarisierten Bauelementen wie Dioden, Kondensatoren und integrierten Schaltungen mit der Designlogik übereinstimmt, um falsches, gerätebeschädigendes Gegenlöten zu vermeiden;

• Bauteilplatzhalter-Prüfung: Untersucht nicht spezifizierte Pakete und doppelte Komponenten, um sicherzustellen, dass die Komponenteninformationen in der Stückliste (BOM) vollständig mit den Komponenteninformationen in den Konstruktionsdokumenten übereinstimmen.

V. Spezielle Prüfung für Hochdichte- und Spezialverfahren: Anpassung an komplexe Designs

Für Leiterplatten mit Spezialverfahren wie HDI, Starr-Flex-Leiterplatten und eingebetteten/verdeckten Vias bietet DRC angepasste, spezielle Prüffunktionen:

• HDI-Verfahrensprüfung: Überprüft, ob Durchmesser, Positionsgenauigkeit und Stapelstruktur der Vias den Anforderungen des HDI-Verfahrens entsprechen, um Verbindungsfehler bei Vias zu vermeiden;

• Prüfung eingebetteter/verdeckter Vias: Überprüft die Leitfähigkeit eingebetteter/verdeckter Vias und deren Anschluss an die Leiterbahnen der äußeren Schichten, um eine stabile Signalübertragung zwischen den Schichten sicherzustellen;

• Starr-Flex-Leiterplattenprüfung: Überprüft, ob das Übergangsdesign zwischen flexiblen und starren Bereichen sowie der Biegeradius den Anforderungen des Flex-Leiterplattenverfahrens entsprechen, um einen Bruch der Leiterbahnen während des Biegens zu vermeiden.

VI. Compliance- und Branchenstandards-Prüfung: Erfüllung anwendungsszenariospezifischer Anforderungen

DRC berücksichtigt zwingende Standards aus verschiedenen Branchen, um sicherzustellen, dass PCBA-Produkte die Compliance-Anforderungen ihrer jeweiligen Anwendungsszenarien erfüllen: Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV): Überprüfung, ob das Layout von Entstörkondensatoren, die Integrität der Massefläche und die Abschirmung der Signalleitungen den EMV-Normen entsprechen, um elektromagnetische Abstrahlung und Störungen zu reduzieren; Branchenspezifische Standardüberprüfung:

• Automobilelektronik: Erfüllt die IATF-16949-Standards, Prüfung des Isolationsabstands zwischen Hoch- und Niederspannungskreisen sowie der vibrationsfesten Konstruktion;

• Medizintechnik: Erfüllt die ISO-13485-Standards, Überprüfung der Signalintegrität und der Isolationskonstruktion, um eine präzise Diagnosefähigkeit der Geräte sicherzustellen;

• Industrielle Steuerungstechnik: Überprüfung der Störfestigkeit und Breittemperaturtauglichkeit der Konstruktion, um die Stabilitätsanforderungen industrieller Umgebungen zu erfüllen;

• Sicherheitskonformitätsprüfungen: Bei netzbetriebenen Leiterplatten muss überprüft werden, ob Kriechstrecken und Luftstrecken den Sicherheitsnormen wie IEC 60950 entsprechen, um das Risiko eines elektrischen Schlags zu vermeiden.

VII. Funktion zur Design-Optimierung: Verbesserung der Konstruktions-Effizienz

Fortgeschrittene DRC-Tools ermitteln nicht nur „Probleme“, sondern geben auch intelligente Optimierungsvorschläge ab, um Ingenieuren ein schnelles Iterieren der Designs zu ermöglichen:

• Automatische Markierung von Problemstellen: Verletzungsstellen werden präzise über eine grafische Benutzeroberfläche markiert und unterstützen das direkte Anspringen des entsprechenden Bereichs in der Design-Datei;

• Empfehlungen für Optimierungslösungen: Konkrete Lösungen für Verstöße werden bereitgestellt, beispielsweise „Leiterbahnbreite unzureichend, Vorschlag zur Anpassung auf 0,15 mm“ oder „Abstand der Pads zu gering, Vorschlag zur Erhöhung auf 0,3 mm“;

• Funktion zur Serienreparatur: Unterstützt die automatische Serienreparatur wiederkehrender einfacher Verstöße und steigert damit deutlich die Effizienz bei Designänderungen.