Gotowy do skalowania? Czas zoptymalizować projekt PCB

Otrzymałem ostatnio doskonałe pytanie na moim LinkedIn, które dotyczy tego, jak projektanci i szefowie działów zaopatrzenia muszą współpracować, aby przygotować projekt do skalowania. Przegląd przedprodukcji i skalowanie do produkcji masowej wiąże się z wieloma aspektami testowania projektu, oceny i modyfikacji. Zakładając, że wszystko w projekcie przeszło przegląd i nie są potrzebne więcej prototypów, można następnie dążyć do optymalizacji i projektowania pod kątem kosztów, wydajności, rozmiaru, EMI, termiki i prawdopodobnie wielu innych obszarów.

Zwiększ Głośność

Pierwsze pytanie, które prawdopodobnie powinieneś sobie zadać w kontekście produkcji masowej, jest bardzo proste: jaki jest twój oczekiwany wolumen produkcji?

Jestem zaskoczony, jak wiele razy zaczynam projektować na zlecenie, tylko po to, by dowiedzieć się, że klient nie określił, jaki jest jego oczekiwany wolumen produkcji. Rozumiem, że czasami zależy to od liczby sprzedaży, ale rozsądna szacunkowa liczba jest zawsze pomocna. Będzie to ważne, jeśli zaczniemy rozważać zniżki cenowe na niektóre komponenty, potencjalne zamiany części w oparciu o wydajność i niezawodność, lub zmiany projektowe wymagane do spełnienia norm niezawodności.

Niektóre z największych obszarów redukcji kosztów przy zakupie w dużych ilościach znajdują się poniżej. Wielkim wyzwaniem przy produkcji masowej jest adresowanie tych obszarów bez poświęcania wydajności produkcji, jakości i niezawodności.

Ta lista pokazuje wspólne obszary, w których możesz zostać poproszony o obniżenie kosztów, aby zmieścić się w budżecie lub uczynić cenę produktu bardziej konkurencyjną. Ale wyzwaniem w powyższych przypadkach jest zapobieganie problemom z jakością i zapewnienie niezawodności. Podczas produkcji na dużą skalę często szukamy rozwiązania technicznie akceptowalnego o najniższej cenie (LPTA). Teraz przyjrzyjmy się kilku prostym przykładom, które ilustrują, jak możemy przygotować się do produkcji na dużą skalę.

Konsolidacja numerów części

To powinno być najbardziej oczywistym miejscem do rozpoczęcia redukcji kosztów, przy jednoczesnej możliwości poprawy niezawodności i jakości końcowego produktu. Konsolidacja numerów części oznacza używanie jednego numeru części w całym zestawieniu w największym możliwym stopniu. Prawidłowe wykonanie tego może wiązać się z łączeniem elementów pasywnych szeregowo lub równolegle, aby osiągnąć docelowe wartości projektowe, używaniem jednego typu złącza pin, itp. Dzięki temu uzyskujesz dostęp do rabatów ilościowych na komponenty, a te oszczędności mogą szybko się sumować, gdy spojrzysz na niektóre komponenty, takie jak dyskretne półprzewodniki i złącza.

Baza danych Octopart pokazuje rabaty ilościowe przy zakupach hurtowych na całym łańcuchu dostaw.

Konsolidacja opakowań części

Finalizując płytkę, możesz uzyskać dalsze rabaty ilościowe bez kompromisu w zakresie niezawodności, konsolidując do jednego rozmiaru opakowania, szczególnie dla elementów pasywnych. Często można zobaczyć mieszane rozmiary opakowań na pcb, co zazwyczaj jest robione ze względu na wymagania dotyczące mocy. Ale jeśli wiesz, że pewne części nie wymagają tak wysokiej mocy, możesz zmienić elementy pasywne o wspólnych wartościach na mniejsze opakowania. Może to pozwolić Ci przekroczyć kolejny próg rabatów ilościowych i wymaga minimalnych zmian w układzie PCB.

Materiały PCB

Materiały w twoim PCB zawsze generują pewne koszty, ale będą głównym determinantem wydajności i niezawodności. Jeśli twoja płyta nie wymaga zaawansowanego laminatu FR4, materiału o wysokiej TG, materiału o wysokim CTI lub PTFE, to nie określaj tego w swojej specyfikacji. Pomyśl o końcowym środowisku pracy, w którym będzie istniała płyta, zanim wybierzesz droższe materiały do zestawu.

To samo dotyczy wykończeń powierzchni. W momencie, gdy dodasz do swojego wykończenia powierzchni cenny metal, zobaczysz wzrost kosztów. Jeśli nie jest to potrzebne dla wydajności lub niezawodności, to trzymaj się powłok ImSn, HASL lub platerowania stopem Sn-Pb.

Powłoki na bazie złota w PCB znacznie zwiększają koszty, ale są wysoce preferowane ze względu na niezawodność.

Powłoki ochronne i dodatkowe materiały, takie jak powłoki konformalne, również dodają kosztów. Mogą być dużym determinantem niezawodności lub funkcjonalności, więc bądź ostrożny przed zmianą na tańszy materiał lub eliminacją materiału. Zachowaj wybór materiałów w filozofii LPTA, jeśli koszt jest głównym czynnikiem konkurencyjnym dla twojego produktu.

Cechy gołej płyty

Podczas produkcji każda płyta przechodzi przez wiele inspekcji i testów, aby upewnić się, że została wykonana poprawnie. Jednak zanim zabierzesz płytę do produkcji, twoim obowiązkiem jest przetestowanie wielu prototypów, aby zidentyfikować wszelkie wady w płycie, które mają tendencję do powtarzania się. Twój zespół będzie musiał dokładnie zająć się tymi problemami jako część planowania przedprodukcji.

Jeśli zespół ds. jakości twojego producenta kontraktowego zacznie zauważać powtarzające się wady, wrócą do ciebie z informacją o tych defektach, aby można było poprawić projekt. Trudno uogólnić, jakie są najczęstsze wady dla dowolnej konstrukcji, ale niektóre z tych typowych defektów mogą obejmować:

• Niewystarczająca ilość lutu lub zbyt duża ilość lutu
• Mostkowanie między padami
• Oderwanie się cienkiego elementu maski lutowniczej
• Mostkowanie lub zwarcia wewnętrzne w PCB
• Słabe połączenia z padami (tombstoning, head-in-pillow itp.)

Każdą z wymienionych wad widziałem kiedyś na własne oczy. Sytuacje, w których doświadczyłem tych problemów, miały miejsce, gdy cechy płyty stały się zbyt ambitne dla możliwości wykonania lub gdy wzór lądowania nie był prawidłowo zaprojektowany dla rozstawu pinów komponentu (lub obie te sytuacje). Najprostszym podejściem tutaj jest spojrzenie na ograniczenia cech płyty w możliwościach twojego producenta i zastosowanie marginesu bezpieczeństwa; może to rozwiązać wiele prostszych problemów z jakością znalezionych w montażu.

Wewnętrzne NFP z niskim odstępem pad-do-plane mogą stworzyć ryzyko zwarcia.

Zamiana części

W pewnym momencie testowania prototypów możesz zidentyfikować potrzebę zamiany niektórych części, aby zapewnić niezawodność. Myślę, że najczęstszą z nich jest potrzeba zwiększenia limitu temperatury dla niektórych części, co zdecydowanie doświadczyłem.

Innym obszarem, gdzie istnieją możliwości zamiany części, jest poziom precyzji dla niektórych komponentów, takich jak elementy pasywne. Niektóre elementy pasywne muszą mieć bardzo wysokie wartości precyzji, na przykład gdy są używane do precyzyjnych pomiarów i ich wartości są częścią obliczeń. Prawdopodobnie najczęstszym przykładem jest zastosowanie w precyzyjnych pomiarach w przetworniku ADC.

Jeśli masz na płycie wiele elementów o precyzji 1%, których nie potrzebujesz, zamień je na komponenty o tolerancji 5% lub luźniejszej. To również obniży koszty. Dopóki jest to zrobione na właściwych częściach, nie zauważysz żadnego wpływu na niezawodność.

Planowanie produkcji

Wszystko powyżej skupia się na PCB i PCBA, ale produkcja pełnego urządzenia elektronicznego to nie tylko płytki drukowane. Produkcja produktu często wymaga współpracy z producentem obudowy, przewodów i kabli, złączy, a nawet opakowania produktu; nie ma jednej placówki, która zajmuje się wszystkim. Nie wszyscy producenci PCB pomogą w tych zadaniach, zamiast tego będziesz musiał współpracować z innym producentem, aby je zrealizować.

Poza tym jest jeszcze kwestia logistyki. Ktoś musi zająć się koordynacją dostawy wszystkich tych różnych materiałów i części. Firmy, które skalują się po raz pierwszy, mogą nawet potrzebować wdrożyć własne wewnętrzne środki kontroli jakości gotowego produktu, i tutaj również pojawia się pewien wysiłek logistyczny.

Kiedy firma decyduje się wprowadzić produkt na rynek, planowanie przedprodukcji obejmuje znacznie więcej niż tylko PCB/PCBA. Rozważcie wszystkie wymienione powyżej obszary wraz z zespołem, w tym aspekty logistyczne. Zdecydujcie, co pozostanie w firmie, a co zostanie zlecone na zewnątrz. Może to nawet obejmować produkcję lub montaż niestandardowych komponentów, takich jak specjalnie zaprojektowane transformatory i złącza. Trochę planowania na wczesnym etapie usprawnia cały proces i pomaga szybko wprowadzić na rynek produkty wysokiej jakości.

Niezależnie od tego, czy zespół tworzy zaawansowane prototypy, czy wprowadza nowy produkt do produkcji, Altium Designer® zapewnia projektantom PCB wszystko, czego potrzebują do projektowania z uwzględnieniem kosztów i jakości. Kiedy będziesz gotowy, aby podzielić się swoimi wynikami z zakładem produkcyjnym, możesz użyć platformy Altium 365™ do współpracy między projektowaniem a produkcją.

Przedstawiliśmy tylko niewielką część możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.