Prêt à passer à l'échelle ? Il est temps d'optimiser votre conception de PCB

J'ai reçu une excellente question sur mon LinkedIn récemment, et cela concerne la manière dont les concepteurs et les responsables des achats doivent travailler ensemble pour préparer un design en vue de son passage à l'échelle. La revue de pré-production et le passage à la production en volume impliquent de nombreuses dimensions de test, d'évaluation et de modification du design. En supposant que tout dans le design ait été approuvé et qu'aucun nouveau prototype ne soit nécessaire, vous pouvez alors chercher à optimiser et concevoir en fonction du coût, de la performance, de la taille, des interférences électromagnétiques (EMI), thermiques, et probablement de nombreux autres domaines.

Augmenter le Volume

La première question que vous devriez probablement vous poser concernant la production en volume est très simple : quel est votre volume de production prévu ?

Je suis surpris du nombre de fois où je me lance dans un contrat de conception pour découvrir que le client n'a pas déterminé quel était son volume de production prévu. Je comprends que cela dépend parfois des chiffres de vente, mais une estimation raisonnable est toujours utile. Cela sera important si nous commençons à regarder les réductions de coûts sur certains composants, les échanges de pièces potentiels basés sur la performance et la fiabilité, ou les changements de conception nécessaires pour se conformer aux normes de fiabilité.

Certaines des plus grandes zones de réduction des coûts lors de l'achat en volume se trouvent ci-dessous. Le grand défi lors de la production en volume est d'aborder ces domaines sans sacrifier le rendement de production, la qualité et la fiabilité.

Cette liste montre les domaines communs où l'on pourrait vous demander de réduire les coûts afin de respecter un budget ou de rendre le prix d'un produit plus compétitif. Mais le défi dans les cas mentionnés ci-dessus est de prévenir les problèmes de qualité et d'assurer la fiabilité. Lors de la production en volume, il est souvent question de rechercher une solution techniquement acceptable au prix le plus bas (LPTA). Examinons maintenant quelques exemples simples qui illustrent comment nous pouvons nous préparer pour la production en volume.

Consolidation des numéros de pièce

Cela devrait être l'endroit le plus évident pour commencer à réduire les coûts tout en améliorant potentiellement la fiabilité et la qualité du produit final. Consolider les numéros de pièce signifie utiliser un seul numéro de pièce dans toute la nomenclature dans la mesure du possible. Faire cela correctement peut impliquer de mettre des composants passifs en série ou en parallèle pour atteindre les valeurs de conception cibles, utiliser un type de connecteur à broches, etc. Cela vous donne accès à des remises sur volume pour les composants, et ces économies peuvent s'accumuler rapidement lorsque vous regardez certains composants comme les semi-conducteurs discrets et les connecteurs.

La base de données d'Octopart montre les réductions de prix pour les achats en volume à travers toute la chaîne d'approvisionnement.

Consolidation des types de boîtiers de composants

Lors de la finalisation de la carte, vous pouvez obtenir d'autres remises sur quantité sans compromettre la fiabilité en consolidant vers une seule taille de boîtier, surtout pour les composants passifs. Il est courant de voir des tailles de boîtiers mixtes sur un PCB, et cela est généralement fait pour des raisons de puissance nominale. Mais si vous savez que certaines pièces n'exigent pas une telle puissance nominale, vous pourriez changer les composants passifs de valeurs communes pour des boîtiers plus petits. Cela pourrait vous permettre d'atteindre le palier suivant de remises sur volume, et cela nécessite des changements minimes à la disposition du PCB.

Matériaux PCB

Les matériaux dans votre PCB engendrent toujours un coût, mais ils seront le principal déterminant de la performance et de la fiabilité. Si votre carte n'exige pas un stratifié avancé FR4, un matériau à haute TG, matériau à haut CTI, ou PTFE alors ne le spécifiez pas dans votre fabrication. Pensez à l'environnement de fonctionnement final dans lequel la carte existera avant de sélectionner des matériaux plus coûteux pour l'empilement.

La même chose s'applique aux finitions de surface. Dès que vous ajoutez un métal précieux dans votre finition de surface, vous verrez une augmentation des coûts. Si cela n'est pas nécessaire pour la performance ou la fiabilité, alors restez avec ImSn, HASL, ou le placage en alliage Sn-Pb.

Les placages à base d'or dans un PCB augmentent considérablement les coûts mais sont très préférables pour la fiabilité.

Les revêtements de surface et les matériaux supplémentaires comme les revêtements conformes ajoutent également au coût. Ils pourraient être un grand déterminant de la fiabilité ou de la fonctionnalité, alors soyez prudent avant de passer à un matériau moins coûteux ou d'éliminer un matériau. Gardez votre sélection de matériaux dans la philosophie LPTA si le coût est un facteur compétitif majeur pour votre produit.

Caractéristiques de la carte nue

Lors de la production, chaque carte passera par de nombreuses inspections et tests pour s'assurer qu'elle a été fabriquée correctement. Mais avant de lancer une carte en production, il est de votre responsabilité de tester plusieurs prototypes afin d'identifier les défauts récurrents sur la carte. Votre équipe devra aborder ces problèmes de manière approfondie dans le cadre de la planification pré-production.

Si l'équipe de qualité de votre fabricant sous contrat commence à remarquer des défauts répétés, elle reviendra vers vous pour vous informer de ces défauts afin que la conception puisse être améliorée. Il est difficile de généraliser quels sont les défauts les plus courants pour toute fabrication, mais certains de ces défauts courants pourraient inclure :

• Soudure insuffisante ou trop de soudure
• Pontage entre les pads
• Éclat de masque de soudure se détachant
• Pontage ou courts-circuits internes dans le PCB
• Mauvaises connexions aux pads (tombstoning, tête-en-oreiller, etc.)

J'ai vu à un moment ou un autre chaque défaut de cette liste. Les cas où j'ai rencontré ces problèmes sont lorsque les caractéristiques de la carte deviennent trop agressives pour les capacités ou lorsque un motif de pad n'est pas correctement conçu pour le pas des broches du composant (ou les deux). L'approche la plus simple ici est de regarder les limites des caractéristiques de la carte dans les capacités de votre fabricant, et d'appliquer une marge de sécurité ; cela peut résoudre de nombreux problèmes de qualité simples trouvés dans l'assemblage.

Les NFP internes avec un faible dégagement pad-plan peuvent créer un risque de court-circuit.

Échanges de pièces

À un certain moment de vos tests de prototypes, vous avez peut-être identifié des échanges de pièces nécessaires pour garantir la fiabilité. Je pense que le plus courant de ces cas est la nécessité d'augmenter la limite de température pour certaines pièces, ce que j'ai définitivement expérimenté.

Un autre domaine où il y a des opportunités d'échange de pièces est dans le niveau de précision pour certains composants comme les passifs. Certains passifs doivent avoir des valeurs de précision très élevées, comme lorsqu'ils sont utilisés pour des mesures de précision et que leurs valeurs font partie d'un calcul. L'exemple le plus courant est probablement avec les mesures de précision dans un ADC.

Si vous avez un tas de numéros de pièces à 1% de précision sur la carte où vous n'en avez pas besoin, remplacez-les par des composants à tolérance de 5% ou plus lâche. Cela réduira également les coûts. Tant que c'est sur les bonnes pièces, vous ne verrez aucun effet sur la fiabilité.

Planification de la production

Tout ce qui précède se concentre sur le PCB et le PCBA, mais il y a encore beaucoup plus qui entre dans la production complète d'un dispositif électronique et pas seulement les PCBs. La fabrication d'un produit nécessite souvent de contracter avec un fabricant pour le boîtier, les fils et câbles, les connecteurs, et même l'emballage du produit ; il n'existe pas d'installation qui fait tout. Tous les fabricants de PCB n'assisteront pas avec cela, à la place, vous aurez un autre fabricant avec lequel vous devrez travailler afin de compléter ces tâches.

Il y a aussi la question de la logistique. Quelqu'un doit prendre en charge la coordination de la livraison de tous ces différents matériaux et pièces. Les entreprises qui se développent pour la première fois peuvent même avoir besoin de mettre en place leurs propres mesures de contrôle de qualité internes sur le produit fini, et il y a aussi un effort logistique pour cela.

Lorsqu'une entreprise décide de mettre un produit sur le marché, il y aura beaucoup de planification en pré-production qui dépasse les PCBs/PCBAs. Examinez tous les domaines mentionnés ci-dessus avec votre équipe, y compris les aspects logistiques. Décidez ce qui restera en interne et ce qui sera sous-traité. Cela peut même inclure la production ou l'assemblage de composants personnalisés comme des transformateurs et connecteurs sur mesure. Un peu de planification en amont simplifie tout ce processus et vous aide à accéder rapidement au marché avec des produits de haute qualité.

Que votre équipe crée des prototypes avancés ou qu'elle fasse la transition d'un nouveau produit vers la fabrication, Altium Designer® offre aux concepteurs de PCB tout ce dont ils ont besoin pour concevoir en tenant compte des coûts et de la qualité. Lorsque vous êtes prêt à partager vos résultats avec votre maison de fabrication, vous pouvez utiliser la plateforme Altium 365™ pour collaborer entre la conception et la production.

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