DfM (Design for Manufacturing) 모범 사례

제조 문제는 전자 산업에서 보증 반품과 시장 점유율 손실을 유발하는 주요 원인 중 하나였다.

공급망 실패, 설계와 관련된 인쇄 회로 기판 조립체(PCBA) 생산 문제는 브랜드 평판에 회복하기 어려운 손상을 줄 수 있었다.
따라서 기업은 이러한 문제를 완화하기 위해 제조 용이성 설계(DfM, Design for Manufacturability) 프로토콜을 마련하는 것이 중요하였다.

DfM은 결함을 줄이고 공급망의 품질과 신뢰성을 검토하기 위한 일련의 모범 사례를 통해 제조 오류를 줄이는 방식이었다. 무엇보다 이 과정은 설계 초기 단계에서 적용되어야 했다.

제조 용이성 설계(DfM)란?

제조 용이성 설계(DfM)는 지정된 공급망에서 설계를 최소한의 결함으로 일관되게 제조할 수 있도록 보장하는 과정이었다.

설계 프로세스 후반까지 DfM을 고려하지 않으면 제조 가능성 문제가 너무 늦게 발견되는 경우가 많았다. 그 결과 여러 차례의 설계 반복과 비용 증가로 이어질 수 있었다.

일반적인 원칙은 DfM을 초기에, 그리고 사전에 적용하는 것이었다. 초기 단계에서 비용을 투자해 후반부 문제를 발견하면 장기적으로 상당한 비용 절감 효과를 얻을 수 있었다.

DfM은 일반적으로 다음과 같은 이유로 설계 프로세스에서 간과되었다.

• 공급망에 대한 인사이트가 부족하였다.
• OEM이 DfM에 대한 피드백을 요청하지 않거나, 지나치게 단순한 체크리스트만 사용하였다.
• OEM의 DfM 활동이 표준화되거나 조직 전체에 분산되어 있지 않았다.

제조 용이성 설계 검토 모범 사례

DfM 검토를 효과적으로 수행하기 위해서는 업계 표준 설계 규칙 활용, 공식 설계 검토, 시뮬레이션 및 설계 소프트웨어 사용, 재료 및 공정 감사가 필요하였다.

1. 업계 표준 설계 규칙 활용

가능한 경우 기존 업계 표준을 활용하는 것은 DfM 검토의 좋은 출발점이었다.

IPC, JEDEC, ASTM, ISO와 같은 표준은 많은 경우 검증된 기준이었다. 이러한 표준은 PCB와 PCBA의 표준 설계 관행 및 신뢰성 테스트에 대한 인사이트를 제공하였다.

활용할 수 있는 IPC 표준 및 테스트 방법의 예시는 다음과 같았다.

• IPC-2221: 인쇄 기판 설계에 대한 일반 표준
• IPC-A-600: 인쇄 기판 허용 기준
• IPC-A-610: 전자 조립품 허용 기준
• IPC J-STD-001D: 납땜 전기 및 전자 조립품 요구 사항
• IPC-7095: BGA 설계 및 조립 공정 구현
• J-STD-020D.01: 비기밀 고체 표면 실장 장치의 습기 및 리플로우 민감도 분류를 위한 IPC/JEDEC 공동 표준
• IPC-TM-650: 테스트 방법 매뉴얼
  • Section 1.0: 보고 및 측정 분석 방법
  • Section 2.1: 시각적 테스트 방법
  • Section 2.2: 치수 테스트 방법
  • Section 2.3: 화학적 테스트 방법
  • Section 2.4: 기계적 테스트 방법
  • Section 2.5: 전기적 테스트 방법
  • Section 2.6: 환경 테스트 방법

다만 표준은 과거 기준을 반영하는 경향이 있을 수 있었다. 따라서 특정 설계에 고유한 추가 문제도 함께 고려하는 것이 중요하였다.

이 과정에서는 공급업체와 지속적으로 소통해야 했다. 협업이 핵심이었으며, 설계, 제조, 품질, 신뢰성, 구매팀의 담당자가 DfM 프로세스에 참여해야 했다.

2. 공식 설계 검토 수행

DfM을 워크플로에 적용하는 다음 단계는 공식 설계 검토를 시작하는 것이었다.

이 검토는 내부 팀 또는 외부 팀이 수행할 수 있었다. 다만 검토를 수행하는 설계팀은 제조업체로부터 독립되어 있어야 했다.

설계 검토는 제품, 시스템 또는 애플리케이션을 평가하고 각 구성 요소가 업계 표준에 맞게 작동하는지 확인하는 과정이었다.

이 단계는 프로토타입 제작 전에 효과적인 제품을 만들고 성공적인 설계를 개발하는 데 중요하였다. 또한 기업의 리소스를 보존하고 비용을 줄이며, 무엇보다 출시 기간을 단축하는 데 도움이 되었다.

3. 시뮬레이션 및 설계 소프트웨어 사용

시뮬레이션은 특정 경우에 리플로우 이후 제조 가능성과 관련된 고장 원인을 더 잘 이해하는 데 활용될 수 있었다.

시뮬레이션으로 평가할 수 있는 공정 중 하나는 인서킷 테스트(ICT, In-Circuit Test)였다. ICT는 PCBA 제조 중 결함을 검사하는 데 사용되었다. 경우에 따라 ICT는 과도한 보드 굽힘을 유발하고 부품 고장으로 이어질 수 있었다.

Ansys Sherlock과 같은 도구는 인서킷 테스트 분석을 수행하여 과응력 위험이 있는 부품을 평가할 수 있었다. 또한 테스트 포인트 위치 조정, 테스트 포인트 하중 및 변위 감소, 보드 지지대 추가 또는 이동 같은 PCB 설계 또는 ICT 테스트 변경 사항을 빠르게 비교할 수 있었다. 이를 통해 ICT 중 보드에서 어떤 부품이 가장 위험한지 확인할 수 있었다.

DfM 프로세스에서 시뮬레이션이 도움이 될 수 있는 또 다른 영역은 리지드 플렉스 기술(rigid flex technology)이었다.

이 기술은 스마트폰과 노트북처럼 곡면 또는 소형 폼팩터를 가진 소비자 전자제품을 설계하는 데 사용되었다. 그러나 이 기술은 제조 단계가 더 많을 수 있었고, 설계 변경을 적용하기 어려울 수 있었다.

이 경우 시뮬레이션은 잠재적 고장 위험을 판단하고 원하는 제품에 맞게 설계를 최적화하는 데 사용될 수 있었다.

Sherlock에는 트레이스 모델링이 새로운 기능으로 도입되었으며, 리지드 플렉스 기술 시뮬레이션에 특히 유용할 수 있었다. 이 기술을 사용하면 회로 기판의 여러 층에서 볼 수 있는 개별 구리 트레이스를 모델링할 수 있었다.

트레이스 모델링에서는 먼저 형상을 만들고, 이후 재료와 메시를 할당하였다. 이는 Ansys Mechanical에서 사용할 수 있는 트레이스 매핑과 유사하였다. 두 기능 모두 시뮬레이션을 위해 PCB의 작은 세부 요소를 포착하는 데 적합한 후보였다.

4. 재료 및 공정 감사 수행

DfM 프로세스의 마지막 단계로, PCB 제조업체, 계약 제조업체(CM), 그리고 이들의 공급업체를 대상으로 감사를 수행하는 것이 중요하였다.

특히 대량 생산에 들어가기 전에는 현장 감사를 통해 재료와 공정을 검토해야 했다.

공급업체 평가와 같은 서비스는 공급업체의 부품과 기술을 평가하여 업계 표준을 충족하는지 확인할 수 있었다. 또한 제품이 제조 오류로 인해 신뢰성 문제를 겪지 않을 것인지 확인하는 데 도움이 될 수 있었다.

결론

DfM은 제조 오류를 줄이고 공급망 품질과 신뢰성을 검토하기 위한 중요한 설계 프로세스였다.

제조 가능성 문제를 설계 후반부에 발견하면 반복 설계와 비용 증가로 이어질 수 있었다. 따라서 DfM은 설계 초기 단계에서 사전에 적용되어야 했다.

원문에서 제시한 DfM 모범 사례는 네 가지였다. 첫째, 업계 표준 설계 규칙을 활용하는 것이었다. 둘째, 공식 설계 검토를 수행하는 것이었다. 셋째, 시뮬레이션 및 설계 소프트웨어를 사용하는 것이었다. 넷째, 재료 및 공정 감사를 수행하는 것이었다.

출처 : Ansys Design for Manufacturing(DfM) Best Practices

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