Die Bedeutung der frühen Zusammenarbeit im Produktentstehungsprozess.

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1 Die Bedeutung der frühen Zusammenarbeit im Produktentstehungsprozess. Vortrag bei der Veranstaltung der FED-Regionalgruppe Nürnberg am Gerhard Gröner Beratung für Elektronik-Design Prüfungsleiter im FED IPC-Masterinstructor Unt. Stadtmauerweg 3 D Neustadt/Aisch Tel g. groener.nea@tonline.de Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 1

2 1. Ziele: Verlässliche Planungen ab den Preentwicklungsphasen Befriedigte Informations- und Kommunikationsbedürfnisse Voraussetzungen für einen möglichst reibungslosen Entwicklungs- und Fertigungsverlauf Qualitätssicherung Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 2

3 2. Gegebenheiten Eine Vielzahl von Gegebenheiten müssen heute bei der Entwicklung einer Baugruppe berücksichtigt werden. Eine Menge von Informationen müssen dabei beachtet werden. Schon bei der Erstellung des Lastenheftes einer Produktentwicklung müssen Vorentscheidungen für die spätere Fertigungstechnologie getroffen werden, die bei mangelnden Absprachen später oft nur mit erheblichen Zeitverlust und Kostenaufwand korrigiert werden können. Den Leiterplatten-und Baugruppendesignern fällt dabei eine besondere Rolle zu: Sie müssen die Ideen aus der Schaltungsentwicklung und Konstruktion und die Möglichkeiten der Produktion frühzeitig und kostengünstig zusammenführen und haben später meist kaum Gelegenheiten zu großen Korrekturen. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 3

4 3. Anforderungen Die eigentliche Anforderung, die an das spätere Produkt gestellt werden, müssen bekannt sein. Die daraus erwachsenden Voraussetzungen für eine qualitative Fertigung sowohl für die Leiterplatte als auch der Baugruppe müssen Beachtung finden. Daraufhin erwachsen Designregeln und Vorgaben. Diese wiederum haben Einfluss auf die Funktionalität. Oft sind die Anforderungen an zuverlässige elektronische Baugruppen gegensätzlich. Es ist abzuklären welcher davon der Vorzug gegeben wird. Es sind nicht alle ( technischen) Anforderungen an eine Baugruppen erfüllbar. Es ergibt immer einen Kompromiss. Dies bedarf einen funktionierenden Informationens- und Kommunikationsweg. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 4

5 4. Ein Irrtum Es entstand die fälschliche Meinung durch zunehmende Automatisierung werden bestimmte Tätigkeiten und die Designerarbeit überflüssig. Zeichnungen wurden von einen Teilnehmer der IPC-Konferenz in San Franzisco 1998 erstellt. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 5

6 5. Die Realität Das Gegenteil ist der Fall. Immer mehr Einflüsse müssen berücksichtigt werden. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 6

7 6. Vielfältige Funktionsträger Die Leiterplatte erfüllt mehrere Funktionen. Zum einen dient sie als Träger für die verschiedenen Bauelemente einer elektrischen Schaltung. Zum anderen werden in einem aufwändigen Prozess die elektrischen Verbindungen (Leiter) zwischen den verschiedenen Bauelementen ausgeführt. Zusätzlich werden auch mechanische Funktionen berücksichtigt. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 7

8 7. Realistische AVT Die Realisierung der Funktion einer elektronischen Baugruppe ist mit den Ideen, der Schaltungsentwicklung und den passenden Bauelementen längst nicht getan. Die Schaltung muss real, also körperlich aufgebaut werden. Die Leiterplatte ermöglicht dieses fertigungstechnisch überhaupt erst. Dabei ist die Wahl der richtigen Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) von großer Bedeutung für Funktionalität, Herstellungskosten, Qualität und Betriebssicherheit. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 8

9 8. Rechtzeitig Vor der eigentlichen Layoutarbeit, schon bei der Konzipierung mit den Schaltungsentwicklern als auch mit Leiterplattenherstellern und Baugruppenfertigern müssen im Team Technologien festgelegt und Absprachen getroffen werden, wovon immer auch das Design betroffen ist. Dessen Bearbeitung hat wiederum Einflüsse auf Schaltung und Fertigungsprozesse. Diese Tendenz setzt sich fort. Den in den gesamten Produktentstehungsprozess eingebunden Leiterplatten- und Baugruppendesignern kommt dabei eine Brückenfunktion zwischen Entwicklung und Fertigung zu. Dafür müssen diese organisatorisch, strategisch mit der notwendigen Kompetenz versehen in die Lage versetzt werden, dieser Aufgabe auch gerecht zu werden. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 9

10 9. Der Produktentstehungsprozess Lastenheft Pflichtenheft Vorserienunterlagen Serienunterlagen Definition Konzeption Entwicklung Verifikation Produktion Von hier ab werden neben den Richtlinien die für Entwicklungsstrategie und Designanfertigung benötigten und beeinflussenden Vorgaben, wie Fertigungsqualität, Einflüsse von Streuungen der Prozessparameter, Wartbarkeit und Testbarkeit auf Systemebene, Entsorgungsanforderungen etc. mit entschieden. Hier beginnt die Fertigungsüberleitung. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 10

11 10. Zu Design-Planung (aus IPC 2221): Der Prozess der Layoutgenerierung sollte eine formale Designüberprüfung von Layoutdetails durch möglichst viele der beteiligten Abteilungen innerhalb der Firma beinhalten. Dazu gehören die Fertigung, die Bestückung und der Test. Die Freigabe des Layouts durch die entsprechenden Mitarbeiter der Abteilungen stellt sicher, dass alle für das Design relevanten Produktionsdaten berücksichtigt worden sind. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 11

12 11. Zur Vorgehensweise > Idee Schaltung > Bibliothekselement erzeugen > Schaltplan erstellen und übernehmen > Mechanische Konstruktion erstellen und übernehmen > Leiterplatten-kick-off > Vorplatzierungen, Sperrflächen übernehmen > Vorgaben zur Leitungsführung übernehmen > Aufteilung nach Funktion und Fertigungserfordernissen > Platzieren > Routing > DRC > Korrekturen einbringen und Backennotation > Lötstoppdruck, Bestückungsdruck etc. erzeugen > Fertigungsdaten für Leiterplatte erzeugen > Fertigungsdaten für Baugruppenfertigung erzeugen > Dokumentation, Unterlagentransver, Archivierung Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 12

13 12. Was wann wo in Definition? Lastenheft Definition Auswahl Produktklasse und 1. Festlegungen für Entwicklung und Fertigung. Damit wird die Klasse in den Abnahmekriterien festgelegt. Neue Bauteile können technologiebestimmend sein. Neuteile in die Bibliothek. Auswahlen nach Stückzahl und Technologie. Beachtung bei allen nachfolgenden Schritten auch die referenzierenden Richtlinien. Erfordert erste Absprachen, damit beginnt hier die Fertigungsüberleitung. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 13

14 13. Beispiel einer frühe Technologievorgabe Aus dem Lastenheft geht hervor, dass die Realisierung nur mit einem BGA möglich ist. Das hat zur Folge, dass neben den Bestückungs- und Lötvorgaben bereits jetzt auch über den möglichen Aufbau eines Multilayers befunden wird. Damit werden in diesen frühen Stadium auch Strategien und Regeln für Entwicklung, Design und Herstellung festgelegt. Dazu ist Teamarbeit notwendig. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 14

15 14. Beispiel 1 weil es nicht funktionierte Da es keine Absprachen über Test gab und auch beim Design nicht nachfragt wurde, wurde auch nichts vorgesehen. Erst danach kam die Frage nach der bis dahin gewohnten IC-Tester- Technologie auf. Die Adapterpunkte dazu aber einseitig zu schaffen ging nicht, da dazu der Platz nicht vorhanden war und die Schaltungsfunktion dadurch beeinträchtigt werden würde. Nachträglich musste ein Testkonzept erstellt werden was auch das Design erheblich beeinträchtigte. (nachgestellt) X 195 Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 15

16 15. Was wann wo in Konzeption? Pflichtenheft Konzeption Klärung Technologie, Fertigungsmöglichkeiten, Materialauswahl. Kapazitäts- und Zeitplanung. Qualitäts- und Produktplanung Mögliche Auswirkungen aus IPC-600 Anforderungen an Leiterplatten, IPC Serie Laminate, IPC 610 Anforderungen an die Baugruppe, J-STD-001- Serie und J-STD-020-Serie, Baugruppenfertigung, IPC Serie Reparatur und Nacharbeit auf die weitere Entwicklung. IPC-1066 Angaben zu Bauelemente und IPC-MI660 Testmethoden für Materialien, sowie IPC-PC-90 Statistische Prozesskontrolle. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 16

17 16. Beispiel eines frühzeitigen Bibliothekseintrages Neue Bauteile erfordern die frühzeitige Überlegung wie sie verbaut werden können. Bottom Termination Components haben anstelle von ausgeformten Anschlüssen, wie Z.B. SMD s mit J- förmige nur Anschlussflächen auf der Bauteilunterseite. Dieser Bauteiltyp hat in der Regel eine große Kühlfläche (Thermal Pad) um die sich die Bauteilanschlüsse gruppieren. Aus diesen Vorgaben des neuen Bibliothekseintrag, bei dem die Fertigungsmöglichkeiten berücksichtigt werden, erfolgt die Verwendung im Design. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 17

18 17. Beispiel 2 weil es nicht funktionierte Mechanische Gegebenheiten werden übersehen wie hier bei einer Befestigungsbohrung. Die NDK-Bohrung ist im Stack- Up mit einem zu kleinen Pad auf den Leiterbahnlayer versehen. Die Bohrung ist als nicht elektrisch definiert, sodass es zu einer Abstandsunterschreitung zur Leiterbahn kommt. Es wurde wohl bei der Planung die eigentliche Größe der Bohrung nicht berücksichtigt. Zudem fehlt für eine Befestigungsschraube der Freiraum für den Schraubenkopf etc. und der Abstand zum Leiterbild. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 18

19 18. Was wann wo in Entwicklung? Vorserienunterlagen Entwicklung Schaltungsentwurf, mechanische Konstruktion nach Planung. Grundentwicklung, 1. Muster werden erzeugt, Funktionsmuster, Produktentwicklung zur Vorserie. Leiterplatten-Kick-off vor dem Layout, die letzte kostengünstige Gelegenheit der Absprache aller Beteiligten. Ständige Überprüfung des bisherigen Konzeptes und der bisherigen Regeleinflüsse. Neben den schon genannten Richtlinien: Beachtung der FED-22-02A Designrichtlinie (= IPC-2220-Serie LP-und Baugruppendesign ) sowie IPC-7351 u. a. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 19

20 19. Beispiel 3 weil es nicht funktionierte Ohne lange darüber zu befinden wurde zunächst an Fräskontur gedacht und so designt. Später wurde ohne weitere Information Ritzen vorgegeben. Die Ritztoleranz (ca. +/- 0,4mm wegen Keilform des Messers) war vom Design aber nicht bedacht. Erst im CAM-Bereich fiel dies auf und Kupfer wurde zurückgezogen und wegen EMV knapp an der Kontur platzierte Durchsteiger (grüner Pfeil) entfernt. Danach musste das Design überarbeitet werden und neue Muster für EMV-Messung erstellt werden. Original: CAM-optimiert: Ritzkante Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 20

21 20. Beispiel 4 weil es nicht funktionierte Bei der Generierung von Kupferflächen scheinen die Fehlermöglichkeiten unendlich und werden oft von Beginn an weil nicht besprochen auch nicht beachtet. Hier waren die Vorgabe am CAD- System für den Parameter Viadistance ungenügend. Der Abstand zwischen den Vias ist deutlich zu gering und führt bei zu Fehlern. So fließen die Freistellungen der zu isolierenden Vias zusammen.> Es entstehen Schlitze die unter HF/High-Speed-Bedingungen einen Antennencharakter bekommen. Die Stromversorgung für diesen Pin ist nicht gewährleistet. Die verbleibenden Reststege werden beim Ätzen des Leiterbildes nicht garantiert. Sie erscheinen aber u. U. nicht als Fehlermeldung im System! Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 21

22 21. Was wann wo in Verifikation? Serienunterlagen Verifikation Was ist eingeplant, was nicht (Musterdurchläufe, Verbesserrungen)? Bei Redesign u. Änderungen auch Richtlinien überprüfen, neues LP-Kickoff. Bei Änderung von Fertigungsdurchläufen u. ä. Auswirkungen auf ev. veränderte Vorgaben achten. Kompatibilität beachten, z.b. Funktion, Fertigungstechnologien. Fertigungsunterlagen mit Bezug zu Richtlinien. Ev. Hinweise auf Unterlagen einbringen. Entwicklungsabschlussbericht. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 22

23 22. Beispiel 5 weil es nicht funktionierte Hier wurde ein Nutzenkonzept zunächst mit 6 Leiterplatten erstellt, die auch im Nutzen bestückt werden sollten mit SMT-SO-Gehäuse mit Wellenlöten. Wegen einer erhofften günstigeren Ausbeute wurden im Nachhinein ohne Rücksprache 2 weitere Leiterplatten um 90 versetzt dazu gefügt. Durchlaufrichtung Lotfänger Beim Nutzenkonzept vor dem Design wurden die SO-Bauteile so gelegt, dass sie der Durchlaufrichtung entsprechend mit Lotfängern abschließen, damit Schlussbildungen ausgeschlossen werden. Auswirkung: Nach ersten Versuchen mit viel Schlüssen, wurden die beiden gedrehten Platten vor dem Bestücken abgeschnitten und verschrottet. Nutzengestaltung hat starken Einfluss auf das Design! Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 23

24 23. Beispiel des Zusammenwirkens (1) Ein Beispiel, an dem deutlich wird wie Konstruktion, Elektronik, Machbarkeit, Funktion etc. schon frühzeitig zusammen gesehen werden müssen. Konzept einer Starr-Flex-Schaltung: - Welche Lagen starr, welche flex? - Was für Leitungen auf starr welche auf flex? - Welche Bauteile auf welche Seite, dazu Abstandsvorgaben und Löttechnologie? - Mechanische Komponenten werden wann wie aufgebracht? - Nutzenkonzept, wie die Konturvorbereitung, wie und wann die Fotos: Fa. Atlas letztendliche Konturendbearbeitung? - Servicemöglichkeiten? Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 24

25 24. Beispiel des Zusammenwirkens (2) Neben Funktion und den Aufteilungs- und Bestückungsmöglichkeiten zu beachten: - Verschiedene Materialien; - Gehäuseformen und Abstände - Anschlussgegebenheiten - Entwärmungskonzept; - EMV-Problematik; - etc. - Die physikalischen Parameter der Leiterplatte sollten mit den mechanischen Anforderungen an die Elektronik übereinstimmen. - Definierte Toleranzen sind zu optimieren, um die beste Anpassung zwischen Größe, Form und Stärke der Leiterplatte und den für die Montage des Produkts benötigten mechanischen Komponenten zu erreichen. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 25

26 25. Folgen von fehlenden Absprachen Fehlende Absprachen und mangelnde Informationen führen zu Änderungen und Redesigns. Nach einer Untersuchung an der TU München ergeben sich daraus folgende Abhängigkeiten der Kosten vom Zeitpunkt: Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 26

27 26. Die Kommunikationsschiene Zusammenwirken setzt eine funktionierende bilaterale Kommunikation voraus. Kommunikationsschiene Lastenheft Pflichtenhef Vorserienunterlagen Serienunterlagen t Definition Konzeption Entwicklung Verifikation Produktion Auswahl Produktklasse, damit 1. Festlegungen für Entwicklung und Fertigung Vorklärung Technologie, Fertigungsmöglichkeiten, Materialauswahl LP-Kick-off vor Design, letzte kostengünstige Gelegenheit der Absprache aller Beteiligten 1. Fertigungsunterlagen verständlich und abgestimmt Bearbeitung nach Unterlagen, Rückkoppelung, Abnahme nach Richtlinien Bei Redesign u. Änderungen auch Absprachen prüfen, weiteres LP-Kick-off. Geänderte Fertigungsunterlagen dementsprechend Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 27

28 28. Voraussetzungen Grundvoraussetzung für einen möglichst reibungslosen Ablauf ist eine genaue Kenntnis aller Prozessschritte, ihre Schnittstellen und Prüfmöglichkeiten und eine störungsfreie Kommunikationsschiene. Im Interesse optimaler Durchlaufzeiten darf die Bearbeitung durch fehlende Informationen nicht belastet werden. Den in den gesamten Produktkreationsprozess eingebunden Leiterplatten- und Baugruppendesigner kommt dabei die Brückenfunktion zwischen Entwicklung und Fertigung zu. Die Intelligenz sitzt vor dem Rechner! Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 28 9

29 28. Für Qualität Qualität ist ein gesamtheimliches Problem aller Beteiligten. Eine garantierte kontinuierliche Qualität setzt eine zweckmäßige Anwendung von Richtlinien voraus. Ein sinnvolles Einsetzen dieser bedarf die frühzeitige Zusammenarbeit. Qualität ist dabei nur soweit zu realisieren, wie es dem geplanten Einsatzzweck des Produktes entspricht. Die Nutzung von Richtlinien führt zu stabilen Fertigungsprozessen und damit zu den Vorgaben entsprechenden Produkten. Dabei darf durch fehlende Information und schlechter Kommunikation der Qualitäts-, Zeit- und Kostenverlauf nicht gestört und unterbrochen werden! Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 29

30 29. Lernen und Handeln Alle Disziplinen der Baugruppenproduktion beeinflussen einander. Deshalb müssen Alle von Allem ausreichende Kenntnis haben. Mechanik Arbeitsablauf Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 30

31 30. Die Brücke Schaltungsentwicklung Leiterplatten- und Baugruppenentwicklung Leiterplattenherstellung Konstruktion Baugruppenfertigung Designer sind die Brücke zwischen Entwicklung und Fertigung. Mit ihrer Arbeit entscheiden sie über Kosten und Zeit in der Fertigung sowie die Qualität und Zuverlässigkeit der Produkte. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 31

32 31. Interdisziplinäre Kooperation Aus einer Umfrage ging hervor, dass die Kontakte der Designer zu LP- Herstellern und Baugruppenfertigung verbesserungswürdig sind ) = direkt im Sinne der Qualitätspartnerschaft LP- Herstellern Baugruppenfertigung 1) = keine! 2) = über andere Stellen 4) = andere 0 1) 2) 3) 4) Wünschenswert und erforderlich: 3) sollte bei 100% sein und 1) sollte nicht mehr vorkommen. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 32

33 32. Analysen Analysen industrieller Produktphasen zeigen auf, dass wie in den gezeigten Beispiel anfallenden Informationen einen immer stärker werdenden Einfluss auf die zu treffenden Entscheidungen in den frühen Entwurfsphasen haben. Es muss daher mehr Zeit in den Beginn der Produktentstehung. investiert werden. Die Leiterplatten- und Baugruppendesigner gehören rechtzeitig in ein funktionierendes Team mit eingebunden. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 33

34 33. Schlussbemerkungen Thermal- Haushalt Zum Systemdesign Mechanik- Entwicklung System- Designer LP-Layouter Logik- Entwicklung Signal- Integrität/ Impedanz Ein optimales Produkt kann nur durch gegenseitige Abstimmung aller Randbedingungen unter Abwägung der Prioritäten und Systemdenken entstehen. Im Vordergrund steht dabei nicht die Optimierung jeder Funktion, sondern die des Systems bzw. Produktes insgesamt, unter Beachtung von Kosten und Leistungsfähigkeit. Produktion & Testen Kosten (Einkauf) EMV/CE > Integration der Informationen und des Fachwissens und Priorisierung. Dabei müssen ggf. Kompromisse zugunsten des Gesamtsystems hingenommen werden. Dazu muss allen Beteiligten des Elektronik-Design-Prozesses Zugang zu übergreifenden Information und Fachwissen und damit das Systemdenken ermöglichen werden. Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 34

35 noch Fragen? Hinweis: Das Thema findet sich auch in den Kursen des FED: Danke für die Aufmerksamkeit! Gerhard Gröner, Beratung für Elektronik-Design 35