製造性を考慮した設計
製造性を考慮した再設計

製造性を考慮した設計（DFM）は、製造性を考慮した設計とも呼ばれ、製造コストを削減し、製造を容易にするために製品を設計するエンジニアリング手法であり、多くの場合、この2つの側面は相互に関連しています。製造性に影響を与える一般的な要因には、原材料の種類、原材料の形状、寸法公差、仕上げなどの二次加工などがあります。

製造技術によって

DFM は広範囲に適用されますが、製造技術によって大きく異なります。

プリント基板

プリント基板（PCB）設計プロセスにおいて、DFMは製造可能性を確保するための一連の設計ガイドラインをもたらします。これにより、設計段階で製造上の潜在的な問題に対処することができます。

理想的には、DFMガイドラインは製造業のプロセスと能力を考慮に入れます。そのため、DFMは常に進化し続けています。

製造企業が進化し、プロセスの段階を自動化するにつれて、これらのプロセスはコスト削減される傾向があります。DFMは通常、これらのコストを削減するために使用されます。[ 1 ]例えば、機械によって自動的に実行できるプロセス（SMT部品の配置とはんだ付けなど）は、手作業で行うよりもコスト削減される可能性があります。

集積回路

半導体DFMは、集積回路（IC）設計において、最適な歩留まりと信頼性を保ちながら、設計をスムーズに量産に移行させるための一連の原則と手法です。DFMは、製造における潜在的な問題を予測し、その影響を軽減するためにチップのレイアウトと回路を積極的に修正することに重点を置いています。

背景

半導体技術が微細化・微細化していくにつれ、トランジスタと配線の高密度化が進み、製造プロセスにおける微細なばらつきに敏感になっています。こうしたばらつきは、チップの誤動作や性能低下につながる欠陥につながる可能性があります。DFMは、こうしたばらつきの影響を最小限に抑え、歩留まりを向上させ、チップ​​製造のコスト効率を高めることを目的としています。

重要な概念

設計ルール
ファウンドリは、製造を成功させるために遵守しなければならない最小寸法、間隔、その他の幾何学的制約を規定する詳細な設計ルールを提供します。DFM対応の設計ツールは、これらのルールに照らして設計を自動的にチェックし、潜在的な違反があれば修正のためにフラグを立てます。
プロセスの変動性
DFM技術は、リソグラフィ、エッチング、成膜といった製造プロセスに内在するばらつきを考慮します。ばらつきが特定の設計構造にどのような影響を与えるかをシミュレーションすることで、設計者はレイアウトを修正し、これらのばらつきの影響を最小限に抑えることができます。
収量最適化
DFMは、製造されたウェハから正常に機能するチップの割合、つまり歩留まりを最大化することを目的としています。これには、設計の重要な領域を特定し、冗長性を追加し、製造の成功確率を高めるレイアウト戦略を実装することが含まれます。
信頼性
DFMは、チップの期待寿命全体にわたる信頼性を確保するための技術を網羅しています。これには、設計上の選択がエレクトロマイグレーション、ホットキャリア注入、その他の潜在的な故障メカニズムにどのような影響を与えるかを分析し、それに応じて設計することが含まれます。

テクニック

半導体設計で使用される一般的な DFM 技術には次のようなものがあります。

冗長性
クリティカルパスにトランジスタまたは回路要素を追加することで、1 つの要素に障害が発生してもチップは引き続き機能します。
塗りつぶしパターン
レイアウトの空き領域に非機能的な幾何学的形状を追加して、パターン密度を向上させ、局所的な製造ばらつきを最小限に抑えます。
光近接効果補正（OPC）
リソグラフィプロセス中に発生する歪みを補正するためにマスクパターンを変更します。
制限付き設計ルール（RDR）
標準ルールよりも保守的な設計ルールのサブセットであり、より高い製造性を実現します。
収量シミュレーション
統計モデルを使用して、設計とプロセスの変動が歩留まりに及ぼす影響を予測し、情報に基づいた設計変更を可能にします。

設計フロー

DFM は半導体設計フロー全体に統合されています。

デザイン
設計者は、ルール違反や潜在的な製造可能性の問題を自動的にチェックする DFM 対応ツールを使用します。
検証
検証プロセスには、設計がすべての製造要件を満たしていることを確認するための広範な DFM チェックが含まれます。
物理的な実装
この段階では、充填挿入や OPC などの技術が製造の最適化のために設計に適用されます。
サインオフ
設計が製造の準備ができていることを確認するために、徹底的な設計ルール チェック (DRC) とレイアウトと回路図 (LVS) の検証が実行されます。

重要性

DFMは、先進的な半導体デバイスをコスト効率よく成功裏に生産するために不可欠です。[ 2 ]設計段階で製造可能性の問題に積極的に取り組むことで、DFMは次の成果をもたらします。

  • より高い利回り
  • 市場投入までの時間を短縮
  • 設計再設計のリスクの軽減
  • 製造コストの削減

コンピュータ数値制御加工

コンピュータ数値制御（CNC）加工においては、コスト削減を設計の目標としています。コストは時間によって左右されるため、設計においては、加工（材料の除去）だけでなく、CNC工作機械のセットアップ時間、NCプログラミング、治具の取り付けなど、部品の複雑さやサイズに依存する多くの作業時間も最小限に抑える必要があります。

操作のセットアップ時間（部品の反転）

4軸または5軸を使用しない限り、CNCは部品に一方向からしかアプローチできません。一度に片側のみ加工する必要があります（オペレーションまたはopと呼ばれます）。その後、すべてのフィーチャを加工するために、部品を左右に反転させる必要があります。フィーチャの形状によって、部品を反転させる必要があるかどうかが決まります。op（部品の反転）の数が増えるほど、セットアップとロード/アンロードに時間がかかるため、部品のコストが高くなります。

各工程（部品の反転）には、段取り時間、加工時間、工具のロード/アンロード時間、部品のロード/アンロード時間、そして各工程のNCプログラム作成時間が含まれます。部品に工程が1つしかない場合は、部品のロード/アンロードは1回だけで済みます。5つの工程がある場合は、ロード/アンロード時間は重要です。

最も簡単な解決策は、工程数（部品の反転）を最小限に抑えることで、大幅なコスト削減を実現することです。例えば、小型部品の面加工にはわずか2分しかかからないかもしれませんが、機械のセットアップには1時間かかります。あるいは、それぞれ1.5時間の工程が5つあるにもかかわらず、機械の稼働時間が合計30分しかない場合、わずか30分の加工に7.5時間もの費用がかかってしまうのです。[ 3 ]

最後に、加工する部品の数（数量）は、段取り時間、プログラミング時間、その他の作業を部品コストに償却する上で重要な役割を果たします。上記の例では、部品を10個単位で製造する場合、100個単位で製造する場合のコストの7～10倍になる可能性があります。

通常、100～300の音量では収穫逓減の法則が現れます。これは、セットアップ時間、カスタムツール、固定具の費用が騒音に償却されるためです。[ 4 ]

材質の種類

最も加工しやすい金属には、アルミニウム、真鍮、その他の軟質金属などがあります。鋼、ステンレス鋼、チタン、特殊合金など、材料が硬く、密度が高く、強度が高くなるにつれて、加工が困難になり、加工時間も長くなるため、製造性が低下します。ほとんどの種類のプラスチックは加工しやすいですが、ガラス繊維や炭素繊維を添加すると加工性が低下することがあります。特に柔らかく粘着性のあるプラスチックは、それ自体が加工性の問題がある場合があります。

物質的形態

金属には様々な形状があります。例えばアルミニウムの場合、棒材と板材は機械加工部品の最も一般的な2つの形状です。部品のサイズと形状によって、使用する材料の形状が決まります。設計図面では、どちらかの形状を指定するのが一般的です。棒材は、1ポンドあたりのコストで板材の約半分になります。したがって、材料の形状は部品の形状に直接関係しているわけではありませんが、設計段階で最も安価な材料の形状を指定することで、コストを削減できます。

許容範囲

機械加工部品のコストに大きく影響する要因の一つは、形状を製作する際に許容される公差です。要求される公差が厳しいほど、部品の機械加工コストは高くなります。設計時には、部品の機能を果たす上で最も緩い公差を指定してください。公差は、形状ごとに指定する必要があります。公差を小さくしても、公差を大きくした部品と同等の性能を発揮する独創的な設計方法があります。

デザインと形状

機械加工は減算的なプロセスであるため、材料を除去する時間は機械加工コストを決定する主な要因です。除去される材料の体積と形状、および工具の送り速度が加工時間を決定します。フライスカッターを使用する場合、工具の強度と剛性は、部分的に工具の長さと直径の比率によって決まり、速度を決定する上で最も重要な役割を果たします。工具がその直径に対して短いほど、材料を速く送ることができます。比率は 3:1 (L:D) 以下が最適です。[ 5 ]この比率が達成できない場合は、ここに示すようなソリューションを使用できます。[ 6 ]穴の場合、工具の長さと直径の比率はそれほど重要ではありませんが、それでも 10:1 未満に保つ必要があります。

他にも、加工コストが多少異なる様々な形状があります。一般的に、面取りは外側の水平エッジのR加工よりも加工コストが低くなります。同一平面上にないエッジのR加工には3D補間が使用されますが、その場合のコストは10倍になります。[ 7 ]アンダーカットは加工コストが高くなります。L:D比に関わらず、より小さな工具を必要とする形状は、より高価になります。

検査のための設計

検査容易化設計（DFI）の概念は、製造性設計（DFM）および組立性設計（DFA）を補完し、連携して機能することで、製品の製造コストを削減し、製造の実用性を高める必要があります。この方法は、設計レビューのプレゼンテーションや文書の準備が必要な場合など、多くの追加作業を消費するため、カレンダーの遅延を引き起こす可能性があります。これに対処するために、定期的な検査の代わりに、組織は、特に製品開発段階で、上級管理職がプロジェクトリーダーに権限を与え、製品の性能、コスト、品質、開発期間に関する期待値に対して製造プロセスと結果を評価する権限を与えるという、エンパワーメントのフレームワークを採用することが提案されています。[ 8 ]しかし、専門家は、製品の信頼性、安全性、ライフサイクルなどの重要な要素を決定する、性能と品質の管理においてDFIが不可欠であるため、その必要性を指摘しています。 [ 9 ]検査が義務付けられている航空宇宙部品会社の場合、製造プロセスが検査に適していることが求められます。ここでは、設計提案を評価する検査容易性指数などのメカニズムが採用されています。[ 10 ] DFIのもう一つの例は、適合累積数チャート（CCCチャート）の概念であり、これは、さまざまな種類の検査と保守が可能なシステムの検査と保守計画に適用されます。[ 11 ]

積層造形のための設計

積層造形は、設計者が製品や部品の設計を最適化する能力（例えば、材料の節約）を高めます。積層造形向けにカスタマイズされた設計は、機械加工や成形製造工程向けにカスタマイズされた設計とは大きく異なることがあります。

さらに、積層造形機のサイズ制約により、関連する大きな設計が、自己組み立て機能やファスナーロケーターを使用して小さなセクションに分割されることがあります。

熱溶解積層法（Fused Deposition Modeling ）などの積層造形法に共通する特徴として、突出した部品形状に一時的な支持構造が必要となることが挙げられます。これらの一時的な支持構造を後工程で除去することで、製造コスト全体が上昇します。一時的な支持構造の必要性を排除、あるいは軽減することで、積層造形に適した部品を設計することが可能です。これは、突出した構造の角度を、積層造形装置、材料、およびプロセスの限界値未満（例えば、垂直から70度未満）に制限することで実現できます。

参照

参考文献

  1. ^ Dolcemascolo, Darren. 「DFMはメーカーが価値を維持しながらコストを削減するのに役立ちます」 Reliable Plant .
  2. ^ Owusu-Boahen, Kwame; Han, Carl; Hsueh, Ching; Kim, Chulwoo; Vijayakumar, Arun; Devender, Fnu; Moreau, David (2021). 「半導体プロセスにおけるオーバーエッチングの電子ビーム検出と、オーバーエッチングレベルと欠陥検出パラメータの関係」 Adan, Ofer; Robinson, John C. (編).半導体製造のための計測、検査、およびプロセス制御 XXXV . p. 18. doi : 10.1117/12.2584652 . ISBN 978-1-5106-4055-9。
  3. ^ 「安価な機械加工部品の設計方法とその理由 - パラメトリック製造」 2016年9月3日。
  4. ^ 「CNC加工プロトタイプ＆製造ガイド - パラメトリック製造」 2016年8月。
  5. ^ 「フライス加工：設計ルール」。
  6. ^ 「設計ガイド」（PDF） . Pro CNC . 2017年1月30日閲覧。
  7. ^ 「低価格CNC加工部品の最大のキラー - パラメトリック製造 - CNCマシンショップ + ワイヤーEDM」。2016年7月17日。
  8. ^アンダーソン、デイビッド (2004). 『製造性を考慮した設計とコンカレントエンジニアリング：低コスト設計、高品質設計、リーン製造設計、そして迅速な生産のための迅速な設計』 カンブリア、カリフォルニア州: CIM Press. p. 28. ISBN 978-1878072238。
  9. ^ Gupta, Praveen (2006). Six Sigma Business Scorecard, Chapter 3 - Need for the Six Sigma Business Scorecard . New York: McGraw Hill Professional. p. 4. ISBN 9780071735117。
  10. ^ Stolt, Roland; Elgh, Fredrik; Andersson, Petter (2017). 「検査のための設計 - 設計初期段階における航空宇宙部品の検査可能性の評価」 . Procedia Manufacturing . 11 : 1193–1199 . doi : 10.1016/j.promfg.2017.07.244 .
  11. ^ Chan, Ling-Yau; Wu, Shaomin (2009年10月). 「CCCチャートに基づく検査・保守ポリシーの最適設計」. Computers & Industrial Engineering . 57 (3): 667– 676. doi : 10.1016/j.cie.2008.12.009 . hdl : 1826/4041 .

出典

Wikibooksには「実用電子工学/PCBレイアウト」に関する書籍があります。
「 https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Design_for_manufacturability&oldid=1329059836」より取得