Дизайн ради технологичности

Проектирование для технологичности (также иногда известное как проектирование для производства или DFM ) — это общая инженерная практика проектирования продуктов таким образом, чтобы их было легко производить. Эта концепция существует практически во всех инженерных дисциплинах, но ее реализация сильно различается в зависимости от технологии производства. DFM описывает процесс проектирования или разработки продукта с целью облегчить производственный процесс и снизить производственные затраты. DFM позволит устранить потенциальные проблемы на этапе проектирования, что является наименее затратным способом их решения. На технологичность могут влиять и другие факторы, такие как тип сырья, форма сырья, допуски на размеры и вторичная обработка, такая как отделка.

В зависимости от различных типов производственных процессов существуют определенные рекомендации по практике DFM. Эти рекомендации DFM помогают точно определить различные допуски, правила и общие производственные проверки, связанные с DFM.

Хотя DFM применим к процессу проектирования, аналогичная концепция под названием DFSS во многих организациях также практикуется (проектирование для шести сигм).

Для печатных плат (PCB)

В процессе проектирования печатных плат DFM приводит к набору рекомендаций по проектированию, которые призваны обеспечить технологичность. Таким образом, возможные производственные проблемы могут быть решены на этапе проектирования.

В идеале рекомендации DFM учитывают процессы и возможности обрабатывающей промышленности. Поэтому DFM постоянно развивается.

Поскольку производственные компании развиваются и автоматизируют все больше и больше этапов процессов, эти процессы имеют тенденцию становиться дешевле. DFM обычно используется для снижения этих затрат. ^[1] Например, если процесс может выполняться автоматически с помощью машин (т. е. размещение и пайка SMT- компонентов), такой процесс, вероятно, будет дешевле, чем выполнение его вручную.

Для интегральных схем (ИС)

Проектирование полупроводников для производства (DFM)

Проектирование полупроводников для производства (DFM) — это комплексный набор принципов и методов, используемых при проектировании интегральных схем (ИС), обеспечивающий плавный переход этих разработок в крупносерийное производство с оптимальной производительностью и надежностью. DFM фокусируется на прогнозировании потенциальных проблем при производстве и активном изменении компоновки микросхем и схем для смягчения их воздействия.

Фон

По мере того как полупроводниковая технология масштабируется до меньших узлов, транзисторы и межсоединения становятся невероятно плотными и чувствительными к небольшим изменениям в производственном процессе. Эти изменения могут привести к дефектам, которые приводят к сбоям в работе микросхем или снижению их производительности. Целью DFM является минимизация влияния этих изменений, повышение производительности и повышение рентабельности производства микросхем.

Ключевые понятия DFM

Правила проектирования . Литейные предприятия предоставляют подробные правила проектирования, определяющие минимальные размеры, расстояние и другие геометрические ограничения, которые необходимо соблюдать для успешного изготовления. с поддержкой DFM Инструменты проектирования автоматически проверяют проекты на соответствие этим правилам, отмечая потенциальные нарушения для исправления.
Вариативность процесса: методы DFM учитывают внутреннюю изменчивость производственных процессов, таких как литография , травление и осаждение. Моделируя, как вариации могут повлиять на конкретные структуры дизайна, дизайнеры могут модифицировать макеты, чтобы минимизировать чувствительность к этим вариациям.
Оптимизация выхода: DFM стремится максимизировать выход, то есть процент правильно функционирующих чипов из изготовленной пластины. Это включает в себя определение критических областей конструкции, добавление избыточности и реализацию стратегий компоновки, которые повышают вероятность успешного изготовления.
Надежность: DFM включает в себя методы, обеспечивающие надежность чипов на протяжении всего ожидаемого срока службы. Это включает в себя анализ того, как выбор конструкции влияет на электромиграцию, впрыск горячего носителя и другие потенциальные механизмы отказа, и соответствующее проектирование.

Методы ДФМ

Некоторые распространенные методы DFM, используемые при проектировании полупроводников, включают:

Резервирование: добавление дополнительных транзисторов или элементов схемы к критическим путям, поэтому в случае выхода из строя одного элемента чип все равно сможет функционировать.
Узоры заливки: добавление нефункциональных геометрических фигур в пустые области макета для повышения плотности узоров и минимизации локальных производственных отклонений.
Оптическая коррекция близости (OPC): изменение шаблонов маски для компенсации искажений, возникающих в процессе литографии.
Ограниченные правила проектирования (RDR): подмножество правил проектирования, которые более консервативны, чем стандартные правила, и предлагают более высокую технологичность.
Моделирование доходности: использование статистических моделей для прогнозирования того, как изменения в конструкции и процессах влияют на производительность, что позволяет вносить обоснованные изменения в конструкцию.

DFM и процесс проектирования

DFM интегрирован во весь процесс проектирования полупроводников:

Проектирование. Проектировщики используют инструменты, поддерживающие DFM, которые автоматически проверяют нарушения правил и потенциальные проблемы с технологичностью.
Проверка: процессы проверки включают обширные проверки DFM, чтобы убедиться, что конструкция соответствует всем производственным требованиям.
Физическая реализация: на этом этапе для оптимизации производства применяются такие методы, как вставка заполнения и OPC.
Подписание: выполняется тщательная проверка правил проектирования (DRC) и проверка компоновки по сравнению со схемой (LVS), чтобы убедиться, что конструкция готова к изготовлению.

Важность DFM

DFM необходим для успешного и экономически эффективного производства современных полупроводниковых приборов. ^[2] Заблаговременно решая проблемы технологичности на этапе проектирования, DFM приводит к:

Более высокая доходность
Ускоренный выход на рынок
Снижен риск повторных вращений дизайна.
Более низкие производственные затраты

Для обработки на станках с ЧПУ

Цель

Цель состоит в том, чтобы проектировать с меньшими затратами. Стоимость зависит от времени, поэтому при проектировании необходимо минимизировать время, необходимое не только для обработки (удаления материала), но и для настройки станка с ЧПУ , программирования ЧПУ, крепления и многих других действий, которые зависят от сложность и размер детали.

Время наладки операций (переворот детали)

Если не используются 4-я и/или 5-я ось, ЧПУ может приближаться к детали только с одного направления. Одна сторона должна обрабатываться одновременно (это называется операцией или op ). Затем деталь необходимо перевернуть из стороны в сторону, чтобы обработать все детали. Геометрия элементов определяет, нужно ли переворачивать деталь или нет. Чем больше операций (переворот детали), тем она дороже, поскольку требует значительного времени на настройку и загрузку/выгрузку.

Каждая операция (переворот детали) имеет время наладки, машинное время, время загрузки/выгрузки инструментов, время загрузки/выгрузки деталей и время создания программы ЧПУ для каждой операции. Если деталь имеет только 1 операцию, то загружать/выгружать детали нужно только один раз. Если у него 5 операций, то время загрузки/выгрузки будет значительным.

Низко висящий плод – минимизация количества операций (переворот детали) для достижения значительной экономии. Например, обработка торца небольшой детали может занять всего 2 минуты, но на настройку станка уйдет час. Или, если имеется 5 операций по 1,5 часа каждая, но общее машинное время всего 30 минут, то 7,5 часов начисляется всего за 30 минут обработки. ^[3]

Наконец, объем (количество деталей, подлежащих обработке) играет решающую роль в учете времени наладки, времени программирования и других действий в стоимости детали. В приведенном выше примере деталь в количестве 10 штук может стоить в 7–10 раз дороже, чем партия в количестве 100 штук.

Обычно закон убывающей отдачи проявляется при объемах 100–300, поскольку время наладки, нестандартные инструменты и приспособления могут быть амортизированы шумом. ^[4]

Тип материала

К наиболее легко обрабатываемым металлам относятся алюминий , латунь и более мягкие металлы. По мере того, как материалы становятся тверже, плотнее и прочнее, такие как сталь , нержавеющая сталь , титан и экзотические сплавы, их становится намного труднее обрабатывать и на это уходит гораздо больше времени, что делает их менее технологичными. Большинство типов пластика легко поддаются механической обработке, хотя добавление стекловолокна или углеродного волокна может ухудшить обрабатываемость. Особенно мягкие и липкие пластмассы могут иметь собственные проблемы с обрабатываемостью.

Форма материала

Металлы бывают во всех формах. В случае алюминия, например, пруток и пластина являются двумя наиболее распространенными формами, из которых изготавливаются обрабатываемые детали. Размер и форма компонента могут определять, какую форму материала следует использовать. В инженерных чертежах одна форма обычно указывается поверх другой. Слиток обычно составляет около 1/2 стоимости листа за фунт. Таким образом, хотя форма материала не связана напрямую с геометрией компонента, затраты можно устранить на этапе проектирования, указав наименее дорогую форму материала.

Допуски

Значительным фактором, влияющим на стоимость обрабатываемого компонента, является геометрический допуск, с которым должны быть выполнены элементы. Чем жестче требуемый допуск, тем дороже будет обрабатывать деталь. При проектировании укажите минимальный допуск, который будет выполнять функцию компонента. Допуски должны быть указаны для каждого элемента отдельно. Существуют творческие способы разработки компонентов с более низкими допусками, которые при этом работают так же хорошо, как и компоненты с более высокими допусками.

Дизайн и форма

Поскольку механическая обработка представляет собой субтрактивный процесс, время удаления материала является основным фактором, определяющим стоимость обработки. Время обработки определяется объемом и формой удаляемого материала, а также скоростью подачи инструментов. При использовании фрез наибольшую роль в определении этой скорости будут играть прочность и жесткость инструмента, которые частично определяются соотношением длины и диаметра инструмента. Чем короче инструмент по отношению к его диаметру, тем быстрее он может проходить сквозь материал. Оптимальным является соотношение 3:1 (L:D) или меньше. ^[5] Если такое соотношение не может быть достигнуто, можно использовать решение, подобное изображенному здесь. ^[6] Для отверстий соотношение длины и диаметра инструментов менее критично, но все равно должно оставаться на уровне менее 10:1.

Есть много других типов функций, обработка которых более или менее дорога. Обычно обработка фасок обходится дешевле, чем обработка радиусов на внешних горизонтальных кромках. 3D-интерполяция используется для создания радиусов на краях, которые не находятся в одной плоскости, что приводит к десятикратным затратам. ^[7] Обработка подрезов обходится дороже. Функции, для которых требуются инструменты меньшего размера, независимо от соотношения L:D, стоят дороже.

Проектирование для проверки

Концепция проектирования для проверки (DFI) должна дополнять и работать в сотрудничестве с проектированием для технологичности (DFM) и проектированием для сборки (DFA), чтобы снизить стоимость производства продукта и повысить практичность производства. Бывают случаи, когда этот метод может вызвать календарные задержки, поскольку он требует много часов дополнительной работы, например, в случае необходимости подготовки презентаций и документов для рассмотрения проекта. Чтобы решить эту проблему, предлагается, чтобы вместо периодических проверок организации могли принять структуру расширения полномочий, особенно на этапе разработки продукта, при которой высшее руководство уполномочивает руководителя проекта оценивать производственные процессы и результаты в сравнении с ожиданиями в отношении производительности продукта, затрат и затрат. , качество и время разработки. ^[8] Эксперты, однако, отмечают необходимость DFI, поскольку он имеет решающее значение для контроля производительности и качества , определяя такие ключевые факторы, как надежность, безопасность и жизненный цикл продукции. ^[9] Для компании по производству аэрокосмических компонентов, где проверка является обязательной, существует требование о пригодности производственного процесса для проверки. Здесь принят такой механизм, как индекс инспектируемости, который оценивает проектные предложения. ^[10] Другим примером DFI является концепция совокупного количества соответствующих диаграмм (диаграмма CCC), которая применяется при планировании проверок и технического обслуживания для систем, где доступны различные типы проверок и технического обслуживания. ^[11]

Проектирование для аддитивного производства

Аддитивное производство расширяет возможности дизайнера по оптимизации конструкции продукта или детали (например, для экономии материалов). Конструкции, предназначенные для аддитивного производства, иногда сильно отличаются от конструкций, предназначенных для операций механической обработки или формования.

Кроме того, из-за некоторых ограничений по размеру машин для аддитивного производства иногда соответствующие более крупные конструкции разбиваются на более мелкие секции с элементами самостоятельной сборки или указателями креплений.

Общей характеристикой методов аддитивного производства, таких как моделирование наплавлением , является необходимость во временных опорных конструкциях для нависающих элементов детали. Удаление этих временных опорных конструкций после обработки увеличивает общую стоимость изготовления. Детали можно проектировать для аддитивного производства, устраняя или уменьшая необходимость во временных опорных конструкциях. Этого можно добиться, ограничив угол нависающих конструкций меньшим, чем предел данной машины, материала и процесса аддитивного производства (например, менее 70 градусов от вертикали).

См. также

Ссылки

^ Дольчемаколо, Даррен. «DFM помогает производителям снижать затраты, сохраняя при этом ценность» . Надежный завод .
^ Овусу-Боахен, Кваме; Хан, Чанг (Карл); Сюэ, Чинг; Ким, Чулву (Джейк); Виджаякумар, Арун; Девендер, Фну; Моро, Дэвид Дж. (22 февраля 2021 г.). «Обнаружение чрезмерного травления электронным лучом при обработке полупроводников и то, как уровень чрезмерного травления связан с параметрами обнаружения дефектов» . В Адане Офер; Робинсон, Джон К. (ред.). Метрология, контроль и контроль технологических процессов в производстве полупроводников XXXV . Том. 11611. ШПИОН. стр. 99–104. Бибкод : 2021SPIE11611E..0NO . дои : 10.1117/12.2584652 . ISBN 978-1-5106-4055-9 .
^ «Как проектировать дешевые механически обработанные детали и почему? — Параметрическое производство» . 3 сентября 2016 г.
^ «Руководство по прототипу и производству станков с ЧПУ — параметрическое производство» . Август 2016.
^ Inc., eFunda. «Фрезерование: правила проектирования» . {{cite web}}: |last= имеет общее имя ( справка )
^ «Руководство по проектированию» (PDF) . Про ЧПУ . Проверено 30 января 2017 г.
^ «Убийца №1 среди дешевых деталей, обработанных на станке с ЧПУ — параметрическое производство — механический цех с ЧПУ + электроэрозионная обработка» . 17 июля 2016 г.
^ Андерсон, Дэвид (2004). Проектирование с учетом технологичности и параллельного проектирования: как проектировать с низкими затратами, проектировать с высоким качеством, проектировать для экономичного производства и быстро проектировать для быстрого производства . Камбрия, Калифорния: CIM Press. п. 28. ISBN 978-1878072238 .
^ Гупта, Правин (2006). Система показателей бизнеса «Шесть сигм», Глава 3. Необходимость в системе показателей бизнеса «Шесть сигм» . Нью-Йорк: McGraw Hill Professional. п. 4. ISBN 9780071735117 .
^ Столт, Роланд; Элг, Фредерик; Андерссон, Петтер (2017). «Проектирование для проверки — оценка возможности проверки аэрокосмических компонентов на ранних стадиях проектирования» . Производство Процедиа . 11 : 1193–1199. doi : 10.1016/j.promfg.2017.07.244 – через Elsevier Science Direct.
^ Чан, Лин-Яу; У, Шаоминь (1 октября 2009 г.). «Оптимальный дизайн политики проверки и технического обслуживания на основе диаграммы CCC» . Компьютеры и промышленная инженерия . 57 (3): 667–676. дои : 10.1016/j.cie.2008.12.009 . hdl : 1826/4041 . ISSN 0360-8352 . S2CID 206721473 .

Источники

Mentor Graphics — DFM: что это такое и что оно будет делать? (необходимо заполнить форму запроса).
Mentor Graphics — DFM: Magic Bullet или Marketing Hype (необходимо заполнить форму запроса).
Справочник по автоматизации проектирования электронных систем для интегральных схем , автор: Лаваньо, Мартин и Шеффер, ISBN 0-8493-3096-3 Обзор области EDA. Приведенное выше резюме было взято с разрешения из тома II, главы 19 «Проектирование технологичности в эпоху нанометров» . Николы Драгоне, Карло Гардиани и Анджея Стройваса
Проектирование для технологичности и статистическое проектирование: конструктивный подход , Майкл Оршанский, Сани Нассиф, Дуэйн Бонинг ISBN 0-387-30928-4
Оценка космических ASIC с использованием SEER-IC/H , Роберт Сиснерос, Tecolote Research, Inc. (2008). Полная презентация. Архивировано 20 февраля 2012 г. на Wayback Machine.

Внешние ссылки

Почему DFM/DFMA критически важен для бизнеса
Контрольный список проектирования для производства – DFM, DFA (Контрольный список для сборки от производителя печатных плат Quick-teck).
Советы по проектированию дуги для обеспечения технологичности
Проектирование для производства и сборки
Превращая проекты в реальность: парадигма технологичности

[1] Дольчемаколо, Даррен. «DFM помогает производителям снижать затраты, сохраняя при этом ценность» . Надежный завод .

[2] Овусу-Боахен, Кваме; Хан, Чанг (Карл); Сюэ, Чинг; Ким, Чулву (Джейк); Виджаякумар, Арун; Девендер, Фну; Моро, Дэвид Дж. (22 февраля 2021 г.). «Обнаружение чрезмерного травления электронным лучом при обработке полупроводников и то, как уровень чрезмерного травления связан с параметрами обнаружения дефектов» . В Адане Офер; Робинсон, Джон К. (ред.). Метрология, контроль и контроль технологических процессов в производстве полупроводников XXXV . Том. 11611. ШПИОН. стр. 99–104. Бибкод : 2021SPIE11611E..0NO . дои : 10.1117/12.2584652 . ISBN 978-1-5106-4055-9 .

[3] «Как проектировать дешевые механически обработанные детали и почему? — Параметрическое производство» . 3 сентября 2016 г.

[4] «Руководство по прототипу и производству станков с ЧПУ — параметрическое производство» . Август 2016.

[5] Inc., eFunda. «Фрезерование: правила проектирования» . {{cite web}}: |last= имеет общее имя ( справка )

[6] «Руководство по проектированию» (PDF) . Про ЧПУ . Проверено 30 января 2017 г.

[7] «Убийца №1 среди дешевых деталей, обработанных на станке с ЧПУ — параметрическое производство — механический цех с ЧПУ + электроэрозионная обработка» . 17 июля 2016 г.

[8] Андерсон, Дэвид (2004). Проектирование с учетом технологичности и параллельного проектирования: как проектировать с низкими затратами, проектировать с высоким качеством, проектировать для экономичного производства и быстро проектировать для быстрого производства . Камбрия, Калифорния: CIM Press. п. 28. ISBN 978-1878072238 .

[9] Гупта, Правин (2006). Система показателей бизнеса «Шесть сигм», Глава 3. Необходимость в системе показателей бизнеса «Шесть сигм» . Нью-Йорк: McGraw Hill Professional. п. 4. ISBN 9780071735117 .

[10] Столт, Роланд; Элг, Фредерик; Андерссон, Петтер (2017). «Проектирование для проверки — оценка возможности проверки аэрокосмических компонентов на ранних стадиях проектирования» . Производство Процедиа . 11 : 1193–1199. doi : 10.1016/j.promfg.2017.07.244 – через Elsevier Science Direct.

[11] Чан, Лин-Яу; У, Шаоминь (1 октября 2009 г.). «Оптимальный дизайн политики проверки и технического обслуживания на основе диаграммы CCC» . Компьютеры и промышленная инженерия . 57 (3): 667–676. дои : 10.1016/j.cie.2008.12.009 . hdl : 1826/4041 . ISSN 0360-8352 . S2CID 206721473 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]