Che cos'è la catena di fornitura PCB?

La catena di fornitura PCB include diversi componenti, le materie prime e il PCB stesso. I PCB e gli assemblaggi PCB (PCA) sono spesso i componenti tecnicamente più complessi acquistati per assemblaggi elettronici e prodotti, e costituiscono il nucleo di un prodotto elettronico. La complessità dei moderni PCB comporta diverse sfide per un team di gestione della catena di fornitura (SCM) che possono essere significativamente diverse rispetto ad altri prodotti gestiti dal team.

In questa breve guida, esamineremo in modo approfondito la catena di fornitura PCB e, in particolare, ciò che rientra nelle competenze di un team di approvvigionamento e gestione della catena di fornitura.

• Anatomia della catena di fornitura PCB
• Chi gestisce la catena di fornitura di un prodotto?
• Sfide della gestione della catena di fornitura PCB
• Catena di distribuzione del valore PCB
• Certificazione del prodotto
  • Progettazione e layout dei PCB
  • Fabbricazione e collaudo dei PCB
  • Certificazione e collaudo dei PCBA
• Riepilogo

Anatomia della catena di fornitura PCB

La catena di fornitura di PCB e PCBA include una serie di fornitori di materie prime, i produttori e, ovviamente, i componenti che appaiono su un PCB finito. Ogni processo lungo la supply chain PCB, dalla progettazione al prodotto finito, attinge alle risorse di diverse aree:

• Nucleo della scheda vuota e materiali laminati, alcuni dei quali possono presentare scambi compatibili come definito nei datasheet; questi traggono le risorse dalla propria catena di fornitura in termini di prodotti chimici e materie prime.
• Materie prime per schede vuote, in particolare lamine di rame e fibra di vetro intrecciata per la realizzazione di laminati.
• Ulteriori materie prime, come i prodotti per la pulizia e la saldatura per l'assemblaggio, nonché materiali e prodotti chimici utilizzati nel processo di produzione dei PCB.
• Strumenti e materiali utilizzati nella produzione di schede vuote e nell'assemblaggio di PCBA, tra cui i materiali per la saldatura, i rivestimenti, i materiali precursori per la placcatura, quelli per la pulizia e altri materiali di consumo.
• Semiconduttori e altri componenti che vengono montati sul PCB per garantire la funzionalità del dispositivo. I PCBA richiedono un'ampia gamma di componenti per supportare le funzioni e la capacità desiderate in un determinato prodotto. Ciò potrebbe comportare dei rischi se questi non vengono selezionati con un occhio di riguardo per la sostenibilità.
• Materiali per la realizzazione di imballaggi e involucri, o involucri preformati, che accoglieranno l'assemblaggio finito e consentiranno la connettività con altri sistemi.

Parte della sfida nella gestione della catena di fornitura dei circuiti stampati consiste nel garantire che i nuovi prodotti siano producibili nella scala desiderata e per la durata di vita desiderata. Ad esempio, garantire una catena di approvvigionamento sostenibile a lungo termine è meno importante quando si produce una quantità 1 di un sistema complesso, mentre lo è molto di più quando si prevede di produrre una quantità di milioni di pezzi per un periodo di oltre 10 anni. Si tratta di una considerazione importante anche nella gestione del ciclo di vita del prodotto, poiché la vita di un prodotto termina quando le materie prime e i componenti arrivano al termine della loro durata utile.

Chi gestisce la catena di fornitura di un prodotto?

Una volta definiti i requisiti di un prodotto e una volta che gli ingegneri iniziano a lavorare, è la progettazione del PCB e la selezione dei componenti a dare il via alla catena di valore degli eventi (vedi sotto). Il layout dello stampato è la prima rappresentazione fisica del prodotto. La progettazione per la produzione (DFM) è necessaria per ottimizzare prestazioni e costi, ma anche per garantire che un progetto possa essere prodotto nella scala desiderata, in base alle capacità di produzione e assemblaggio di un produttore. La sfida consiste nel gestire le informazioni, la documentazione PCB e il trasferimento al fine di specificare i requisiti di progettazione e altre aspettative per i fornitori.

• Approvvigionamento: a meno che un produttore di apparecchiature originali (OEM) non sia uno dei pochi ad avere una produzione verticale, le considerazioni generali sulle decisioni relative all'approvvigionamento per i PCB e PCA e i criteri da utilizzare per valutare e selezionare i fornitori sono affidati agli acquisti.

• Selezione e qualifica del fornitore: altre figure sono coinvolte nelle considerazioni commerciali e nei criteri di selezione utilizzati per valutare e qualificare i fornitori, inclusi i processi per eseguire valutazioni tecniche dei campioni forniti dal fornitore.

• Controllo, monitoraggio e ispezione dei processi: un'attività costante nella gestione della catena di fornitura dei componenti elettronici è il monitoraggio della metodologia di garanzia della qualità, spesso basata sulle migliori pratiche di qualità come i principi Six Sigma, con raccomandazioni specifiche per il controllo dei processi, il collaudo e l'ispezione di PCB e PCA presso il fornitore.

• Accettazione e feedback dei prodotti: infine, è necessario disporre di processi per la qualificazione della progettazione, per l'accettazione dei lotti e per l'ispezione continua dei PCB e dei PCBA ricevuti. Include inoltre raccomandazioni per la gestione a lungo termine dei fornitori che riducano al minimo i costi di gestione interna mantenendo al contempo un elevato livello di prestazioni.​

Sfide della gestione della catena di approvigionamento PCB

La gestione della catena di fornitura dei componenti elettronici comporta diverse problematiche non presenti in altri settori. Ciò è dovuto in parte alla complessità dei prodotti e dei sistemi elettronici, a livello sia di scheda vuota che di singolo componente. Di seguito riportiamo alcuni esempi di problematiche della catena di fornitura dei componenti elettronici:

• PCB e PCA sono progettati su misura e quindi non possono essere semplicemente acquistati da un catalogo. In effetti, non esistono sostituti perfetti per le schede contenute in un assemblaggio o in un sistema più grande. Inoltre, se la scheda si guasta, potrebbe provocare il guasto di un intero sottosistema, implicando la sostituzione di un intero PCBA. I fornitori sono molti, ma le relative capacità e prestazioni variano considerevolmente, e la loro selezione e qualifica richiede una maggiore attenzione.

• Proprio come i PCB vuoti, non tutti i semiconduttori hanno sostituti perfetti o equiparabili. A volte è necessario modificare intenzionalmente la progettazione di una scheda in modo che sia possibile utilizzare più PN di una famiglia di prodotti nel PCBA per ovviare alla carenza di semiconduttori. Un'altra pratica sul fronte della progettazione è quella di implementare più varianti e gestire i loro cicli di vita singolarmente.

• Per creare PCB e PCA viene impiegata un'ampia gamma di processi produttivi, tra cui: il photoimaging, il posizionamento dei componenti, le presse meccaniche per la laminazione, i forni per la saldatura per rifusione, la placcatura e l'incisione a umido e la perforazione e il routing ad alta velocità. Ognuno di questi processi richiede una propria strumentazione e proprie materie prime che non possono essere sostituite perfettamente.

• PCB e PCA devono funzionare nell'ambito di un sistema elettrico e le prestazioni sono fondamentali per il successo del prodotto finale. Ovviamente, il PCB fornisce interconnessioni tra i componenti collegati alla scheda, ma in alcuni casi funziona come un componente a sé stante. Potrebbe non essere possibile stabilire se il PCBA funziona correttamente finché il team di progettazione non lo avrà valutato come parte integrante del prodotto finale.

• Sebbene i componenti di un prototipo PCBA possano essere sostituiti, le tracce realizzate e i jumper aggiunti, i PCB e i PCA non possono essere facilmente rilavorati, restituiti o riciclati se i requisiti del prodotto cambiano, il che può comportare costi aggiuntivi e giacenze indesiderate.

Questo è solo un esempio di alcune delle sfide che emergono nella catena di fornitura dei componenti elettronici in rapida evoluzione, in particolare per quanto riguarda l'approvvigionamento e la produzione dei semiconduttori. Lavorare con diversi fornitori, logistica e assemblaggio aumenta la complessità dell'approvvigionamento e della reperibilità dei PCBA.

Catena di distribuzione del valore PCB

Il VALORE è definito come "Benefici meno costi". Per avere un prodotto che sia di successo per un mercato in ogni fase della catena di fornitura, ogni segmento deve percepire un valore!  Come mostrato di seguito, ogni segmento ha come cliente il segmento successivo. Pertanto, ogni segmento contribuisce alla catena del valore.

La scelta di uno specifico fornitore dipende dall'importanza relativa di diverse dimensioni della performance dei fornitori (vedi tabella seguente). I fornitori presentano capacità e punti di forza intrinseci basati sulle relative decisioni strategiche legate ai modi in cui scelgono di competere. Tali capacità determineranno l'adeguatezza della strategia di approvvigionamento e la probabilità che l'azienda si dimostri un partner commerciale stabile. Comprendere cosa è più importante per l'azienda guiderà la selezione iniziale dei fornitori e consentirà di determinare se le loro prestazioni continueranno a soddisfare le esigenze dell'azienda.

Certificazione del prodotto

Quando viene concepito un nuovo prodotto, una delle prime attività è quella di scomporre il prodotto in componenti o partizioni che ne consentano la progettazione, la produzione, la vendita e l'assistenza. Tuttavia, a seconda del mercato e del settore di riferimento, potrebbero essere necessari degli standard di certificazione. Si tratta di un aspetto estremamente importante, perché compiere un errore in questo caso può portare a un prodotto privo delle giuste caratteristiche, troppo costoso o che non soddisfa gli standard di prestazione richiesti.

Progettazione e layout dei PCB

Quando si progetta una nuova scheda bisogna affrontare molte sfide. È importante conoscere i modelli di cablaggio per individuare delle regole di progettazione e realizzazione adeguate. Con i fori di via ciechi e interrati, le nuove strutture sono più varie e complicate rispetto alle schede tradizionali. È essenziale sapere cosa è conveniente dal punto di vista della progettazione per la produzione.

In presenza di strutture complesse bisogna considerare regole di progettazione specifiche. Ogni processo di produzione può presentare considerazioni e limiti specifici. Strumenti di progettazione, pad stack e strumenti di routing automatico vengono utilizzati in modo diverso nei progetti complessi. La personalizzazione del processo di progettazione non è ancora un'attività comune. I sistemi CAD più recenti dispongono anche di sistemi esperti che forniscono consigli essenziali. Il software Manufacturability Audit conclude il processo di layout con un controllo approfondito alla ricerca di eventuali incongruenze o errori.

Fabbricazione e collaudo dei PCB

Nell'insieme di tutta la catena di distribuzione del valore, il processo di produzione è ormai il più consolidato. Attualmente, oltre duecento aziende in tutto il mondo utilizzano almeno venti processi diversi per realizzare essenzialmente le stesse strutture HDI/SLP. Ad esempio, la creazione di microvia è la parte meno complessa, dato che la qualità dei laser, degli incisori e dei foto-dielettrici è migliorata rapidamente nel corso degli anni. Le sfide sono quelle alla base del processo: registrazione, litografia a linee sottili, metallizzazione e placcatura. Sui circuiti stampati HDI/SLP complessi, questi processi devono essere estremamente accurati. Sebbene questo sia molto impegnativo, consente di migliorare tutti i processi di produzione delle schede di cablaggio stampate.

Certificazione e collaudo dei PCBA

L'assemblaggio ha un nuovo valore da offrire con i componenti complessi ad alta densità. I componenti possono essere più vicini tra loro, il che può modificare la ridefinizione dei profili e la riparazione. Man mano che il lato superiore si riempie, anche il lato opposto deve accogliere più componenti. Ciò comporta anche la modifica del processo di assemblaggio e la ridefinizione dei profili. Con i nuovi componenti dell'array più piccoli e più densi come i chip scale package o i flip chip, il numero totale di connessioni per centimetro quadrato aumenta notevolmente. Questi nuovi componenti più piccoli, con riempimento inferiore o densità di connessioni superficiali molto elevata, possono avere un'interazione di affidabilità con le strutture complesse. Le strutture sottili hanno maggiori probabilità di flettersi durante i cicli termici e questo introduce nuovi meccanismi e la possibilità che si generino dei guasti, rendendo necessaria un'accurata valutazione e successivi collaudi.

La fase finale della catena del valore PCB è il collaudo a livello di assemblaggio. Con i nuovi componenti dell'array con un'area ridotta sorgono nuove problematiche. Se si utilizzano i via-in-pad con i componenti dell'area array, dopo l'assemblaggio non ci sono via di breakout da utilizzare per il collaudo. La progettazione per il collaudo diventa un ingrediente fondamentale per la suddivisione del sistema. I test del perimetro, il boundary scan o l'autotest integrato diventano un fattore importante nella progettazione. I componenti potrebbero essere così vicini che i pad di prova risulterebbero troppo grandi oppure potrebbe non esserci spazio sufficiente per inserire un pin di prova nell'area. L'aggiunta di pad per il collaudo alla superficie una volta progettata la scheda può aumentare notevolmente la complessità e i costi, oltre ad aggiungere elementi indesiderati. Probabilmente verranno sviluppati nuovi schemi di verifica a livello di assemblaggio che non richiederanno il classico sistema a letto d'aghi, che sarà sostituito con tecniche di collaudo senza contatto.

Riepilogo

Nel complesso, nella catena di fornitura PCB si verificano rapidamente nuovi sviluppi, e questo porterà alla nascita di nuove e numerose sfide per i team di progettazione e produzione. Non è accettabile che un prodotto non possa essere prodotto su larga scala per la mancanza di un singolo resistore. Lavorando insieme e comprendendo che ogni parte della fornitura dipende dagli altri anelli della catena, potremo offrire soluzioni agli OEM fornendo loro prodotti di qualità superiore.

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