Что представляет собой цепочка поставок печатных плат?

Цепочка поставок печатных плат включает различные компоненты, исходные материалы и сами печатные платы. Печатные платы и сборки из нескольких печатных плат часто являются самыми технически сложными компонентами, приобретаемыми для электронных узлов и изделий, и формируют своего рода центр вселенной для таких изделий. Техническая сложность современных печатных плат ставит ряд непростых задач перед командой управления цепочками поставок (УЦП), которые могут значительно отличаться от цепочек поставок других продуктов, которыми управляет команда.

В этом кратком руководстве мы подробно изучим цепочку поставок печатных плат, включая область задач команды закупок и управления цепочками поставок.

• Состав цепочки поставок печатных плат
• Кто управляет продуктовой цепочкой поставок?
• Проблемы управления цепочкой поставок печатных плат
• Цепочка прибавочной стоимости при поставке печатных плат
• Сертификация продуктов
  • Проектирование и создание макетов печатных плат
  • Изготовление и тестирование печатных плат
  • Сертификация и тестирование сборок печатных плат
• Заключение

Состав цепочки поставок печатных плат

Цепочка поставок печатных план и сборок, состоящих из нескольких печатных плат, включает поставщиков исходных материалов, производителей и, естественно, компоненты, которые присутствуют на готовых печатных платах. Каждое звено цепочек поставок, от концепции проектирования до появления готового продукта, использует ресурсы из нескольких областей:

• Сердцевина болванки платы и ламинаты, некоторые из которых могут иметь совместимые замены, указанные в спецификациях, создаются из материалов, получаемых из другой соответствующей цепочки поставок, включая химикаты и сырьевые материалы.
• Сырьевые материалы для болванок печатных плат — это медная фольга и стеклоткань для ламинатов.
• Дополнительные сырьевые материалы, включая чистящие средства и мягкий припой для сборки, а также материалы и химикаты, используются в процессе производства печатных плат.
• Инструменты и материалы, используемые при изготовлении болванок и сборке печатных плат, включают паяльные материалы, покрытия, прекурсоры покрытий, чистящие средства и другие расходные материалы.
• Полупроводники и другие компоненты монтируются на печатных платах для обеспечения функциональных возможностей устройств. В сборках из нескольких печатных плат требуется широкий спектр компонентов, обеспечивающих необходимые функции и возможности конкретного продукта. Если при выборе таких компонентов не учитываются требования экологической устойчивости, могут возникать риски.
• Упаковочные и корпусные материалы или готовые корпуса служат для размещения сборок и обеспечивают возможность соединения с другими системами.

Одна из непростых задач в управлении цепочками поставок печатных плат заключается в том, чтобы обеспечить производство новой продукции в нужном объеме и в течение всего желаемого срока ее эксплуатации. Например, формирование долгосрочной устойчивой цепочки поставок менее важно при изготовлении сложной системы в единственном экземпляре, но может оказаться гораздо более сложной задачей при производстве прогнозируемого количества порядка нескольких миллионов в течение более 10 лет. Это также важный аспект в управлении жизненным циклом продукции, поскольку после прекращения выпуска и поставки сырьевых материалов и компонентов заканчивается и срок эксплуатации продукта.

Кто управляет продуктовой цепочкой поставок?

После того как определены требования к продукту и начинается работа инженеров, т. е. проектирование плат и выбор компонентов, запускается цепочка прибавочной стоимости (см. ниже). Макет печатной платы становится первым физическим воплощением продукта. Проектирование с учетом технологических требований (Design for manufacturing, DFM) необходимо для оптимизации эффективности и затрат, а также для возможности производства на основе проектного решения в требуемом количестве, с учетом возможностей изготовления и ресурсов сборки, которыми располагает производитель. Должны быть решены задачи управления информацией, документооборотом и передачей данных с целью описания требований к проектному решению и других ожиданий от поставщиков.

• Материально-техническое обеспечение. Исключая ситуации, в которых производители оригинальной продукции (OEM) вписаны в производственную вертикаль, за общие аспекты выбора поставщиков печатных плат и сборок и за критерии оценки и выбора поставщиков отвечает отдел закупок.

• Отбор и сертификация поставщиков. Другие команды участвуют в определении бизнес-аспектов и критериев отбора для оценки и сертификации поставщиков, включая техническую оценку образцов, предоставленных поставщиком.

• Контроль, мониторинг и аудит процессов. Постоянная задача в процессе управления цепочками поставок электроники состоит в мониторинге методики контроля качества. В ее основе часто лежат лучшие практические методы контроля качества, например принципы «шести сигм», а также конкретные рекомендации по управлению процессами, тестированию и аудиту печатных плат и сборок на предприятиях поставщиков.

• Приемка продукции и обратная связь. Наконец, необходимы процессы для контроля соответствия требованиям к проектированию, приемки партий продукции, текущего инспектирования полученных печатных плат и сборок. Сюда также относятся рекомендации по долгосрочному управлению поставщиками, которые минимизируют внутренние управленческие затраты и наряду с этим поддерживают высокий уровень эффективности.​

Проблемы управления цепочкой поставок печатных плат

Управление цепочками поставок электроники сопряжено с рядом проблем, нехарактерных для других отраслей. Частично это объясняется сложностью электронных изделий и систем, как на уровне болванки платы, так и на уровне индивидуальных компонентов. Вот примеры проблем, возникающих в цепочках поставок электроники:

• Печатные платы и сборки проектируются на индивидуальной основе, поэтому их нельзя приобрести по каталогу. Не существует идеальных замен для плат, входящих в крупные сборки или системы. В дополнение к этому, если плата выходит из строя, фактически выходит из строя вся сборка, и потребуется полностью ее заменить. Существует множество поставщиков с самыми разными возможностями и производительностью, и поэтому требуется уделить больше внимания их отбору и сертификации.

• Не для всех полупроводников, как и не для всех болванок плат, существуют идеальные или сопоставимые замены. В ряде ситуаций приходится намеренно «недопроектировать» плату для возможности использовать несколько продуктов из одного семейства в сборке, поскольку это помогает преодолеть недочеты полупроводников. Еще одна практическая методика проектирования заключается в реализации нескольких вариантов и индивидуальном управлении их жизненным циклом.

• Для создания печатных плат и сборок применяется широкий спектр производственных процессов, включая высокоточную фотовизуализацию и размещение компонентов, механическую штамповку для ламинации и оплавление припоя в печах, нанесение влажного химического покрытия и травление, высокоскоростное сверление отверстий и маршрутизацию. Для каждого из них необходимы собственные инструменты и сырьевые материалы, не имеющие идеальной замены.

• Печатные платы и сборки должны работать как часть электрической системы, и эта работа исключительно важна для работоспособности конечного продукта. Печатная плата обеспечивает межсоединение компонентов, прикрепленных к ней, но при этом в ряде ситуаций работает как самостоятельный компонент. Не всегда можно определить, насколько корректно работает сборка из нескольких печатных плат, пока команда разработчиков не проверит ее в составе конечного продукта.

• Хотя на прототипе сборки можно заменять компоненты, вырезать трассы и добавлять перемычки, печатные платы и сборки нелегко переделать, возвратить на производство или переработать, если меняются требования к продукту. Это может приводить к дополнительным затратам и возникновению ненужных запасов.

Вот лишь некоторые из проблем, возникающих в быстро меняющейся цепочке поставок электроники, в частности при поиске поставщиков и производстве полупроводников. Работа с альтернативными поставщиками, логистические и сборочные процессы усложняют поиск поставщиков и материально-техническое обеспечение при производстве сборок печатных плат.

Цепочка прибавочной стоимости при поставке печатных плат

Согласно определению, ЦЕННОСТЬ — это «выгоды минус затраты». Чтобы успешно вывести продукт на рынок, требуется обеспечить ценность на каждом этапе цепочки поставок и в каждом сегменте!  Как показано ниже, у каждого сегмента имеется клиент, роль которого играет следующий сегмент. Таким образом, каждый сегмент вносит собственный вклад в цепочку прибавочной стоимости.

Выбор поставщика зависит от относительной важности нескольких аспектов эффективности его работы (см. таблицу ниже). Поставщики обладают определенными ресурсами и преимуществами, в основе которых лежат их собственные стратегические решения о том, как получать преимущества над конкурентами. Эти возможности определяют, насколько они вписываются в стратегию поставок и насколько эффективны они будут в качестве постоянных деловых партнеров. Понимание того, что наиболее важно для бизнеса, поможет при первоначальном отборе поставщиков и оценке того, насколько эффективен поставщик в дальнейшем в соответствии с вашими требованиями.

Сертификация продуктов

При разработке концепции нового продукта одним из первых действий является разбиение на компоненты или секции, что даст возможность спроектировать, произвести, продавать и поддерживать продукт. Однако в зависимости от целевого рынка и отрасли могут потребоваться сертификационные стандарты. Это чрезвычайно важно, поскольку из-за допущенной на этом этапе ошибки продукт, возможно, не будет иметь нужных функций, окажется слишком дорогостоящим или не будет соответствовать требуемым стандартам производительности.

Проектирование и создание макетов печатных плат

При разработке новой платы приходится решать большое количество сложных задач. Необходимо знать модели разводки проводов, чтобы правильно выбрать правила проектирования и конструктивные решения. При использовании сквозных и заглубленных переходных отверстий новые структуры оказываются более разнообразными и сложными, чем на традиционных платах. Необходимо знать критерии рентабельности в разрезе технологичности производства.

При создании сложных структур необходимо учитывать особые правила проектирования. Для каждого производственного процесса могут существовать особые факторы и ограничения. Инструменты проектирования, стеки контактных площадок и автоматические маршрутизаторы используются в сложных проектах по-разному. Разработка индивидуальных процессов проектирования пока еще не является активным направлением. В более новых CAD-системах также доступны экспертные системы, предоставляющие необходимые рекомендации. Программное обеспечение для аудита технологичности с тщательной проверкой на наличие ошибок завершает процесс построения макета.

Изготовление и тестирование печатных плат

Изготовление — наиболее устоявшийся процесс во всей цепочке прибавочной стоимости. Сегодня более двухсот компаний по всему миру используют не менее двадцати различных процессов для создания практически одинаковых структур подложек и межсоединений высокой плотности. Например, создание микроотверстия — несложная задача, поскольку лазеры, травильные установки и фотодиэлектрики быстро совершенствуются. Сложности возникают в таких процессах, как приводка, прецизионная фотолитография, металлизация и нанесение покрытий. В сложных подложках и межсоединениях высокой плотности все эти задачи должны быть решены на высшем уровне. Хотя это, безусловно, требует больших затрат, от грамотного решения этих задач выигрывают все процессы производства печатных плат.

Сертификация и тестирование сборок печатных плат

Сборка также играет важную роль в сложных компонентах с мелким шагом. Компоненты могут размещаться на более близком расстоянии, что может изменять профили оплавления и технологии ремонта. По мере того как заполняется верхняя поверхность, на противоположной стороне также требуется размещать больше компонентов. Это также меняет процесс сборки и профили оплавления. При использовании новых компонентов матрицы выводов, имеющих меньшие размеры и большую плотность, таких как корпусы с размерами кристалла или интегральные схемы с шариковыми выводами, общее количество соединений на квадратный сантиметр существенно увеличивается. Эти новые компоненты меньшего размера с неполным заполнением или очень высокой плотностью поверхностных соединений могут надежно взаимодействовать со сложными структурами. Тонкие структуры с большей вероятностью будут изгибаться во время термических циклов, что создает новые механизмы и возможности отказа, которые должны быть тщательно оценены и протестированы.

Последним этапом цепочки прибавочной стоимости является тестирование плат на уровне сборки. При этом возникают принципиально новые задачи, которые нужно решать с новыми компонентами матрицы выводов, имеющими меньшие размеры. Если с компонентами матрицы выводов используются сквозные отверстия в контактной площадке, после сборки не будет врезных отверстий для тестовых щупов. Проектирование, обеспечивающее возможность тестирования, становится важнейшей составной частью разбиения системы. Тестирование со стороны периметра, периферийное сканирование или встроенное автоматическое тестирование становятся основным фактором проектирования. Компоненты могут располагаться настолько близко, что либо тестовые контактные площадки оказываются слишком большими, либо нет места, чтобы вставить тестовый вывод. Добавление тестовых контактных площадок на поверхность после проектирования платы может значительно повысить ее сложность и стоимость, а также добавить опасные паразитные явления. Возможно, будут разработаны новые схемы контроля на уровне сборок, где не будут требоваться классические контактроны; их заменят более быстрые бесконтактные методы тестирования.

Заключение

Цепочки поставок печатных плат быстро развиваются и ставят различные задачи перед проектными и производственными командами. Никому не хочется услышать, что продукт не может быть запущен в серийное производство, поскольку невозможно получить один-единственный резистор. Совместная работа и понимание того, что каждый элемент поставки будет зависеть от других звеньев цепочки, поможет разработать для производителей оригинальной продукции такие решения, на основе которых они смогут выпустить безупречные продукты.

Если в процессе выбора компонентов и плана или технологии изготовления печатной платы требуется мгновенный обзор цепочки поставок, используйте полный набор инструментов CAD в Altium Designer^®. Как только проектное решение будет готово к тщательной проверке и передаче на производство, вы сможете обмениваться данными и взаимодействовать с другими членами команды в режиме реального времени с помощью платформы Altium 365^™. Проектные команды могут использовать Altium 365 для обмена производственными данными и результатами тестирования, а изменения, вносимые в проект, можно открывать для совместного доступа через безопасную облачную платформу и в Altium Designer.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer и Altium 365. Начните пользоваться бесплатной пробной версией Altium Designer + Altium 365 сегодня .