スケールアップの準備はできていますか？ PCB設計の最適化の時です

LinkedInで最近受けた素晴らしい質問があり、これはデザイナーや調達責任者がスケーリングのための設計を準備するためにどのように協力しなければならないかに関連しています。プレプロダクションレビューと量産へのスケーリングは、設計のテスト、評価、および変更の多くの側面を含みます。設計のすべてがレビューに合格し、プロトタイプのスピンがこれ以上必要ないと仮定すると、次にコスト、性能、サイズ、EMI、熱など、おそらく多くの他の領域で最適化および設計を行うことができます。

ボリュームを上げる

量産に関して自分自身に最初に尋ねるべき質問は非常にシンプルです：あなたの予想される生産量は何ですか？

クライアントが予想される生産量を決定していないことがわかる契約設計に何度も遭遇するのに、私は驚かされます。それが時々販売数に依存することは理解していますが、合理的な見積もりは常に役立ちます。これは、特定のコンポーネントに関するコスト割引、性能と信頼性に基づく潜在的な部品の交換、または信頼性基準に準拠するために必要な設計変更を検討し始める場合に重要になります。

量を購入する際のコスト削減の最大の領域のいくつかは以下にあります。量産時の大きな課題は、これらの領域に対処しながら、生産の歩留まり、品質、および信頼性を犠牲にしないことです。

このリストは、予算に合わせるためや製品の価格をより競争力のあるものにするために、コスト削減を求められる可能性のある一般的な領域を示しています。しかし、上記のケースでは、品質問題を防ぎ、信頼性を確保することが課題です。大量生産時には、技術的に受け入れ可能な最低価格（LPTA）の解決策を探すことがよくあります。さあ、大量生産に備える方法をいくつかの簡単な例を通して掘り下げてみましょう。

部品番号の統合

これは、コストを削減しつつ、製品の信頼性や品質を向上させる可能性がある最も明白な出発点です。部品番号を統合するということは、可能な限り請求書全体で単一の部品番号を使用することを意味します。これを正しく行うには、目標設計値に達するために受動部品を直列または並列に配置したり、一種類のピンヘッダーを使用したりすることが関わってきます。これにより、部品の大量購入割引を利用でき、特にディスクリート半導体やコネクターのような一部の部品を見ると、その節約がすぐに積み上がることがわかります。

Octopartのデータベースは、サプライチェーン全体での大量購入による価格の割引を示しています。

部品パッケージの統合

基板を最終化する際、信頼性を損なうことなくさらなる数量割引を得るために、特に受動部品については単一のパッケージサイズに統合することができます。PCB上で異なるパッケージサイズが混在しているのは一般的なことであり、これは通常、電力定格の目的で行われます。しかし、特定の部品がそれほど高い電力定格を必要としないことがわかっている場合、共通の値を持つ受動部品をより小さなパッケージに変更することができます。これにより、次の段階の大量購入割引を超えることができ、PCBレイアウトに最小限の変更を要求します。

PCB材料

PCBの材料は常にある程度のコストを発生させますが、性能と信頼性の主要な決定要因となります。もし基板が高度なFR4ラミネート、高TG材料、高CTI材料、またはPTFEを必要としない場合は、ビルドでそれを指定しないでください。基板が存在する最終的な運用環境について考え、スタックアップのためにより高価な材料を選択する前に検討してください。

同じことが表面仕上げにも当てはまります。貴金属を表面仕上げに加えると、コストが増加します。性能や信頼性に必要でない場合は、ImSn、HASL、またはSn-Pb合金メッキを選択してください。

PCBの金ベースのメッキはコストを大幅に増加させますが、信頼性のためには非常に好ましいです。

表面コーティングや追加の材料、例えばコンフォーマルコーティングもコストを追加します。これらは信頼性や機能性の大きな決定要因となる可能性があるので、低コストの材料に変更するか、材料を省略する前に注意してください。製品のコストが主要な競争要因である場合は、LPTA（最低価格技術適格）の哲学内で材料選択を行ってください。

ベアボードの特徴

製造中に、各基板は正しく製造されたことを確認するために多くの検査とテストを受けます。しかし、基板を製造に出す前に、繰り返し発生する可能性のある基板の欠陥を特定するために、複数のプロトタイプをテストする責任があります。これらを事前生産計画の一環として徹底的に対処する必要があります。

契約メーカーの品質チームが繰り返し発生する欠陥に気づき始めた場合、それらの欠陥について報告し、設計を改善できるように戻ってきます。どのビルドにも最も一般的な欠陥を一般化するのは難しいですが、これらの一般的な欠陥には以下のようなものが含まれるかもしれません：

• はんだが不足しているか、はんだが多すぎる
• パッド間のブリッジング
• はんだマスクスリバーが割れる
• PCB内部のブリッジングまたはショート
• パッドへの接続が悪い（トゥームストーニング、ヘッドインピローなど）

私はこのリストの欠陥をすべていつか見たことがあります。これらを経験したのは、基板の特徴が能力に対してあまりにも攻撃的になった場合や、コンポーネントのピンピッチに対してランドパターンが正しく設計されていない場合（またはその両方）です。ここでの最もシンプルなアプローチは、メーカーの能力における基板の特徴の限界を見て、安全マージンを適用することです。これにより、組み立てで見つかるよりシンプルな品質問題の多くに対処できます。

低いパッド対プレーンクリアランスを持つ内部NFPはショートの可能性を生じさせるかもしれません。

部品の交換

プロトタイプのテストを進める中で、信頼性を確保するために必要な部品の交換を特定したことがあるかもしれません。私が経験した中で最も一般的なのは、特定の部品の温度限界を上げる必要があることです。

部品の交換の機会がある別の領域は、パッシブなどの特定のコンポーネントの精度レベルです。いくつかのパッシブは、それらが精密測定に使用され、その値が計算の一部となる場合など、非常に高い精度値を必要とします。おそらく最も一般的な例は、ADCでの精密測定です。

もし、必要ない場所に1%精度の部品番号がたくさんある場合は、それらを5%またはより緩い許容誤差のコンポーネントに交換してください。これによりコストも削減されます。適切な部品に行えば、信頼性に影響はありません。

生産計画

すべてはPCBとPCBAに焦点を当てていますが、電子デバイスの完全な生産にはそれだけではなく、もっと多くのことが関わっています。製品製造には、筐体、ワイヤーとケーブル、コネクタ、さらには製品パッケージの製造を行うメーカーとの契約がしばしば必要です。すべてを行う施設はありません。すべてのPCBメーカーがこれらのサポートを提供するわけではなく、代わりにこれらのタスクを完了するために協力しなければならない別のメーカーがあります。

また、物流の問題もあります。これらの異なる材料や部品の配送を調整する責任者が必要です。初めてスケールアップする企業は、完成品に対する自社内の品質管理措置を実施する必要があるかもしれませんし、それにもいくらかの物流努力が必要です。

製品を市場に出すことを決定した場合、PCB/PCBAを超えて多くの事前生産計画が必要になります。上記のすべての領域をチームと一緒に見て、物流の側面も含めて検討してください。社内で行うことと外部に委託することを決定します。これには、特注のトランスフォーマーやコネクタのようなカスタムコンポーネントの生産や組み立ても含まれる場合があります。早期の計画はこの全プロセスを合理化し、高品質な製品を迅速に市場に出すのに役立ちます。

チームが高度なプロトタイプを作成している場合でも、新製品を製造に移行している場合でも、Altium Designer®はPCBデザイナーにコストと品質の設計に必要なすべてを提供します。製造業者との出力を共有する準備ができたら、Altium 365™プラットフォームを使用して設計と生産を通じて協力できます。

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