Pronto para Escalar? Hora de Otimizar o Seu Design de PCB

Recebi uma excelente pergunta no meu LinkedIn recentemente, e isso se relaciona a como os designers e chefes de compras têm que trabalhar juntos para preparar um design para escalação. A revisão pré-produção e a escalação para produção em volume envolvem muitas dimensões de teste de design, avaliação e modificação. Assumindo que tudo no design passou pela revisão e não são necessárias mais prototipagens, você pode então procurar otimizar e projetar para custo, desempenho, tamanho, EMI, térmico e provavelmente muitas outras áreas.

Aumente o Volume

A primeira pergunta que você provavelmente deve se fazer em relação à produção em volume é muito simples: qual é o seu volume de produção esperado?

Estou surpreso com quantas vezes entro em um contrato de design apenas para descobrir que o cliente não determinou qual é o seu volume de produção esperado. Entendo que isso às vezes depende dos números de vendas, mas uma estimativa razoável é sempre útil. Isso será importante se começarmos a olhar para descontos de custo em certos componentes, possíveis trocas de peças baseadas em desempenho e confiabilidade, ou mudanças de design necessárias para cumprir com os padrões de confiabilidade.

Algumas das maiores áreas para redução de custos ao comprar em volume estão listadas abaixo. O grande desafio ao produzir em volume é abordar essas áreas sem sacrificar o rendimento da produção, qualidade e confiabilidade.

Esta lista mostra áreas comuns onde você pode ser solicitado a reduzir custos para atender a um orçamento ou tornar o preço de um produto mais competitivo. Mas o desafio nos casos acima é prevenir problemas de qualidade e garantir a confiabilidade. Ao produzir em volume, muitas vezes buscamos uma solução tecnicamente aceitável de menor preço (LPTA). Agora, vamos explorar alguns exemplos simples que ilustram como podemos nos preparar para a produção em volume.

Consolidação de Números de Peça

Este deve ser o lugar mais óbvio para começar a reduzir custos enquanto possivelmente melhora a confiabilidade e qualidade do produto final. Consolidar números de peças significa usar um único número de peça em toda a lista de materiais na maior extensão possível. Fazer isso corretamente pode envolver colocar passivos em série ou paralelo para alcançar valores de design alvo, usar um tipo de cabeçalho de pinos, etc. Fazer isso dá acesso a descontos por volume em componentes, e essas economias podem somar rapidamente quando você olha para alguns componentes como semicondutores discretos e conectores.

O banco de dados da Octopart mostra descontos por volume para compras em toda a cadeia de suprimentos.

Consolidação de Pacotes de Peças

Ao finalizar a placa, você pode obter mais descontos por quantidade sem comprometer a confiabilidade consolidando para um único tamanho de pacote, especialmente para passivos. É comum ver tamanhos de pacotes mistos em uma pcb, e isso geralmente é feito por motivos de classificação de potência. Mas se você sabe que certas partes não requerem uma classificação de potência tão alta, você poderia mudar passivos com valores comuns para pacotes menores. Isso poderia te levar ao próximo nível de descontos por volume, e requer mudanças mínimas no layout da PCB.

Materiais da PCB

Os materiais em sua PCB sempre incorrem em algum custo, mas eles serão o principal determinante de desempenho e confiabilidade. Se sua placa não requer um laminado FR4 avançado, material de TG alto, material de CTI alto, ou PTFE, então não especifique isso em sua construção. Pense sobre o ambiente operacional final no qual a placa existirá antes de selecionar materiais mais caros para o empilhamento.

O mesmo se aplica a acabamentos superficiais. No momento em que você adiciona um metal precioso ao seu acabamento superficial, você verá um aumento de custo. Se isso não for necessário para desempenho ou confiabilidade, então fique com ImSn, HASL, ou plating de liga Sn-Pb.

Revestimentos à base de ouro em uma PCB aumentam significativamente os custos, mas são altamente preferíveis para confiabilidade.

Revestimentos superficiais e materiais adicionais como revestimentos conformais também adicionam custo. Eles podem ser um grande determinante de confiabilidade ou funcionalidade, então tenha cuidado antes de trocar para um material de menor custo ou eliminar um material. Mantenha sua seleção de material dentro da filosofia LPTA se o custo for um fator competitivo importante para seu produto.

Características da Placa Nua

Durante a produção, cada placa passará por muitas inspeções e testes para garantir que foi fabricada corretamente. Mas antes de levar uma placa para produção, é sua responsabilidade testar múltiplos protótipos a fim de identificar quaisquer defeitos na placa que tendem a surgir repetidamente. Sua equipe precisará abordar esses defeitos minuciosamente como parte do planejamento pré-produção. Se a equipe de qualidade do seu fabricante contratado começar a notar defeitos repetidos, eles voltarão e lhe informarão sobre esses defeitos para que o design possa ser melhorado. É difícil generalizar quais são os defeitos mais comuns para qualquer construção, mas alguns desses defeitos comuns podem incluir:

• Solda insuficiente ou solda em excesso
• Ponteamento entre pads
• Fragmento de máscara de solda se soltando
• Ponteamento ou curtos internos na PCB
• Conexões ruins com os pads (tombstoning, head-in-pillow, etc.)

Em algum momento, eu vi cada um dos defeitos nesta lista. As instâncias onde eu experimentei estes são quando as características da placa se tornam muito agressivas para as capacidades ou quando um padrão de terra não é projetado corretamente para o espaçamento dos pinos do componente (ou ambos). A abordagem mais simples aqui é olhar para os limites das características da placa nas capacidades do seu fabricante e aplicar uma margem de segurança; isso pode abordar muitos dos problemas de qualidade mais simples encontrados na montagem.

NFPs internos com baixa distância pad-plano podem criar uma chance de curto.

Troca de Peças

Em algum momento durante os testes do seu protótipo, você pode ter identificado algumas trocas de peças que são necessárias para garantir a confiabilidade. Eu acho que a mais comum dessas é a necessidade de aumentar o limite de temperatura para certas peças, o que definitivamente é algo que eu já experimentei. Outra área onde há oportunidades de troca de peças é no nível de precisão para certos componentes como passivos. Alguns passivos precisam ter valores de precisão muito altos, como quando estão sendo usados para medições de precisão e seus valores fazem parte de um cálculo. Provavelmente o exemplo mais comum é com medições de precisão em um ADC. Se você tem um monte de números de peças de 1% de precisão na placa onde você não precisa deles, troque-os por componentes de tolerância de 5% ou mais folgada. Isso também reduzirá custos. Contanto que esteja nas peças certas, você não verá nenhum efeito na confiabilidade.

Planejamento de Produção

Tudo acima foca na PCB e PCBA, mas ainda há muito mais que entra na produção completa de um dispositivo eletrônico e não apenas nas PCBs. A fabricação do produto muitas vezes requer a contratação de um fabricante para o invólucro, fios e cabos, conectores e até a embalagem do produto; não existe uma instalação que faça tudo. Nem todos os fabricantes de PCBs vão ajudar com isso, em vez disso, você terá que trabalhar com outro fabricante para completar essas tarefas.

Também há a questão da logística. Alguém tem que assumir a coordenação da entrega de todos esses diferentes materiais e peças. Empresas que estão escalando pela primeira vez podem até precisar implementar suas próprias medidas de controle de qualidade internas no produto acabado, e há algum esforço logístico para isso também.

Quando uma empresa decide levar um produto ao mercado, haverá muito planejamento pré-produção que vai além das PCBs/PCBAs. Olhe para todas as áreas mencionadas acima com sua equipe, incluindo os aspectos logísticos. Decida o que permanecerá internamente e o que será terceirizado. Isso pode até incluir a produção ou montagem de componentes personalizados como transformadores e conectores sob medida. Um pouco de planejamento no início simplifica todo esse processo e ajuda você a chegar ao mercado rapidamente com produtos de alta qualidade.

Seja sua equipe criando protótipos avançados ou fazendo a transição de um novo produto para a fabricação, Altium Designer® oferece aos designers de PCB tudo o que precisam para projetar visando custo e qualidade. Quando você estiver pronto para compartilhar seus resultados com sua casa de fabricação, você pode usar a plataforma Altium 365™ para colaborar entre design e produção.

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