Thư viện linh kiện tập trung - Phương pháp tốt nhất cho các đội ngũ phần cứng

Đây là điều mà không ai nói với tôi cho đến khi tôi đã làm việc tự do bốn năm trong lĩnh vực kỹ sư phần cứng: thư viện linh kiện và việc quản lý nó tốt là điểm nghẽn thực sự trong thiết kế PCB.

Không phải là thiết kế mạch hay thậm chí là bố trí PCB. Đó là các linh kiện, khả năng có sẵn và tính phù hợp của chúng.

Tôi cùng với các kỹ sư khác đã mất hàng giờ hoặc ngày để tìm kiếm các loại kết nối và đầu nối trong thư viện vì chúng tôi không biết phiên bản nào là đúng.

Tôi đã có những tấm bảng bị trì hoãn hàng tuần vì điện trở, tụ điện và các linh kiện thụ động khác có số phần của nhà sản xuất sai, không có hàng, hoặc đã EOL. Tôi cũng đã thấy các tình huống giữa quá trình báo giá khi một chip được thông báo là NRND hoặc EOL trong công cụ quản lý BOM.

Những vấn đề này chiếm một khoảng thời gian lớn ngay cả sau khi bố trí PCB đã hoàn thành. Thật không may, với số lượng linh kiện trong bất kỳ BOM nào, những tình huống này xảy ra với xác suất cao; chúng không phải là ngoại lệ hiếm gặp.

Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các phương pháp tốt nhất để xây dựng và duy trì thư viện linh kiện tập trung để đội ngũ phần cứng của bạn có thể di chuyển nhanh hơn và tránh những bất ngờ trong sản xuất.

Điểm chính cần nhớ

• Thư viện linh kiện quản lý kém hoặc phân tán là một trở ngại lớn trong thiết kế PCB, thường gây ra nhiều sự chậm trễ hơn so với công việc về sơ đồ mạch hoặc bố trí.
• Khi mỗi kỹ sư quản lý linh kiện theo cách khác nhau, bạn sẽ gặp phải tình trạng linh kiện trùng lặp, kích thước chân không nhất quán, và thiếu mô hình 3D, dẫn đến lỗi và lãng phí thời gian trong quá trình báo giá và sản xuất.
• Một hệ thống tập trung mạnh mẽ cần có quy trình tạo linh kiện rõ ràng, biểu tượng và kích thước chân chuẩn hóa, kiểm soát phiên bản nghiêm ngặt, và vai trò xem xét/duyệt định rõ.
• Thư viện tập trung hiệu quả bao gồm các khả năng như xem trước linh kiện, theo dõi sử dụng qua các thiết kế, khả năng nhìn thấy vòng đời/tình trạng, cập nhật trên toàn hệ sinh thái, bình luận, và kiểm tra tồn kho và tình trạng mới nhất.
• Bảo trì liên tục cùng với việc truy cập rõ ràng và quyền hạn đảm bảo thư viện luôn chính xác, hỗ trợ các linh kiện thay thế, và giữ cho các dự án phần cứng tiếp tục diễn ra mà không gặp bất ngờ về chuỗi cung ứng vào phút chót.

Điều gì xảy ra khi mọi người làm theo cách của riêng họ

Giả sử bạn có năm kỹ sư. Mỗi người có cách quản lý linh kiện của riêng mình. Một kỹ sư tạo tất cả các chân là “bị động” vì nó nhanh hơn. Một người khác dành quá nhiều thời gian để hoàn thiện từng linh kiện. Người khác chỉ làm việc với thư viện linh kiện tải về như thế, sau một số kiểm tra nhanh chóng về mặt hình ảnh.

Nhanh chóng hai năm qua nhiều thiết kế. Bạn sẽ kết thúc với:

• Cùng một số phần của vi điều khiển STM32 được lưu dưới bốn tên khác nhau.
• Các dấu chân của điện trở với các sân và pad khác nhau (điều này quan trọng cho các mức độ mật độ IPC).
• Các bộ phận không có mô hình 3D hoặc có mô hình 3D khác nhau, vì vậy bộ phận cơ khí không thể kiểm tra khoảng cách một cách đáng tin cậy.
• Các chip vẫn được hiển thị là lỗi thời ngay cả trong các thiết kế mới.

Thường bạn sẽ không biết thiếu gì cho đến khi bạn đang cố gắng lấy báo giá. Bạn bỏ sót một chi tiết nhỏ = bạn có thể dễ dàng mất một ngày làm việc đầy đủ.

Cách Sửa Lỗi Vấn Đề Linh Kiện Whack-a-Mole (Mà Không Điên Đầu)

Đây là những gì hoạt động trên thực tế. Có sáu bước chính để xây dựng một quy trình làm việc với linh kiện tập trung mạnh mẽ giúp phát hiện lỗi trước khi chúng trở thành sự chậm trễ, thiết kế lại, hoặc mất việc.

• Để có cái nhìn chi tiết hơn, xem một bài viết chuyên sâu về quản lý thư viện ECAD nếu nhóm của bạn cần tìm hiểu sâu hơn.

Bước 1: Xác Định Quy Trình Tạo Linh Kiện Của Bạn

Mỗi bộ phận bạn tạo cần có:

• Biểu tượng sơ đồ
• Dấu chân PCB
• Thông tin về linh kiện (mô tả chi tiết về linh kiện, nhà sản xuất, số phần của nhà sản xuất, các thông số chính như điện áp và dòng điện, liên kết hoặc tệp dữ liệu kỹ thuật, mô hình mô phỏng, v.v.)
• Vị trí lưu trữ mà mọi người có thể truy cập

Đây là cơ sở của bạn. Mọi thiết kế phần cứng đều cần những điều này cho mỗi thành phần.

Bước 2: Tạo Biểu Tượng Sơ Đồ Một Cách Toàn Cầu

Đối với biểu tượng sơ đồ:

• Sử dụng biểu tượng tiêu chuẩn IEC/IEEE. Kỹ sư cấp cao có thể đọc sơ đồ của bạn nhanh hơn. Nếu bạn cần hiển thị bố cục chân thực tế để gỡ lỗi, hãy tạo một phiên bản biểu tượng thứ hai.
• Đặt loại chân một cách chính xác. Đừng đánh dấu tất cả là “bị động.” Sử dụng đầu vào, đầu ra, hai chiều, nguồn điện khi cần thiết (tham khảo bảng dữ liệu). Loại chân chính xác giúp DRC tự động phát hiện vấn đề.
• Thêm mô tả chi tiết. Viết về chức năng của thiết bị và nơi sử dụng, ví dụ, “STM32F4 ARM Cortex-M4, 168 MHz, được sử dụng để điều khiển động cơ trong Sản phẩm A, B, C.” Bản thân bạn trong tương lai sẽ cảm ơn bạn.
• Bao gồm một số phần nội bộ của công ty. Điều này cho phép bạn ánh xạ nhiều số phần của nhà sản xuất với cùng một thiết bị nội bộ.
• Lưu trữ biểu tượng ở nơi mọi người có thể truy cập. Sử dụng ổ đĩa mạng với kiểm soát phiên bản, lưu trữ đám mây với phiên bản tích hợp, hoặc Git/SVN.
• Sử dụng xem trước biểu tượng và bản in chân nếu có thể.Chọn một hệ thống hoặc PLM cho phép bạn xem trước mà không cần tải xuống, hoặc tải lên hình ảnh xem trước của các biểu tượng, bản in chân và mô hình 3D.

Bước 3: Xử lý Bản in Chân Mà Không Cần Suy Nghĩ Quá Nhiều

Bản in chân dễ dàng hơn các biểu tượng. Hãy làm theo các bước sau:

• Đặt tên cho chúng theo IPC-7351. Điều này giúp bạn có tên gọi nhất quán, có ý nghĩa.
• Tải xuống gói khởi đầu bản in chân tiêu chuẩn. Lấy các bản in chân tiêu chuẩn phổ biến như 0201, 0402, 0603, 0805, 1210, SOIC, SSOP và các bản in chân tiêu chuẩn khác từ một nguồn đáng tin cậy (ví dụ, Octopart) trong một lần. Điều này bao gồm hầu hết các bộ phận bạn sẽ sử dụng.
• Đối với các mô hình thiết bị tùy chỉnh, tải xuống khi cần thiết. Đối với các kết nối, cuộn cảm và các bộ phận độc đáo khác, tải xuống bản in chân khi cần, kiểm tra chúng tại chỗ, sau đó đẩy chúng qua quy trình phát hành của bạn vào trung tâm tập trung.
• Bao gồm các mẫu đất cho các mật độ bảng khác nhau. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các PCB HDI và để phù hợp với các phương pháp hàn được sử dụng bởi nhà sản xuất của bạn.

Bước 4: Thiết lập Kiểm Soát Phiên Bản

Trong một vai trò trước đây của tôi, một kỹ sư điện tử cao cấp không sử dụng kiểm soát phiên bản một cách nhất quán. Vài tháng vào dự án, Giám đốc Kỹ thuật phát hiện ra rằng một điện trở đã thay đổi từ 3 kΩ sang 10 kΩ. Ông ấy có một bản in mạch điện từ tuần trước hiển thị giá trị đúng.

Nguyên nhân có thể: một giải pháp mạch thay thế đã được sao chép vào thiết kế mới và giá trị điện trở không bao giờ được thay đổi trở lại.

Tôi đã mắc lỗi tương tự với chi tiết thiết kế dây dẫn. Mạch đúng, nhưng hai nhãn dây bị sai. Trong trường hợp đó, một sơ đồ được sao lưu trong SVN có thể được sử dụng để khôi phục mọi thứ về phiên bản đúng trong vài phút.

Dù bạn sử dụng Git, SVN, PLM, hay một giải pháp đám mây, bạn cần kiểm soát phiên bản số và một quy trình phê duyệt có thể theo dõi được kết nối với phần mềm thiết kế của bạn. Chỉ có ghi chú hình ảnh thôi là không đủ.

Bước 5: Quy Trình Phê Duyệt

Bạn không thể sử dụng một bộ phận trong sản xuất hoặc mẫu thử nghiệm cho đến khi nó được phê duyệt. Vậy đây là một quy trình phê duyệt đơn giản:

1. Bản Thảo Linh Kiện
    
   • Bạn tạo ra bộ phận. Nó hoạt động về mặt chức năng, nhưng nó chưa được phê duyệt.
   • Đánh dấu là Bản thảo 01, Bản thảo 02, v.v.
      
2. Xem xét Linh kiện
    
   • Ai đó kiểm tra kích thước chân linh kiện so với bảng dữ liệu.
   • Ai đó xác minh số phận linh kiện.
   • Ai đó kiểm tra xem mô hình 3D có vừa với vỏ không.
   • Các vấn đề được ghi chép và khắc phục.
      
3. Linh kiện Được Phát hành
    
   • Sau khi qua xem xét, nó trở thành Phiên bản A.
   • Bây giờ mọi người đều có thể sử dụng. Nó chính thức.

Nếu bạn cần thay đổi một phần đã phát hành, hãy chuyển nó trở lại thành bản thảo (ví dụ, A1), xem xét lại, sau đó phát hành nó như Phiên bản B.

Ví dụ về đánh số phiên bản:

• Bản thảo 01, Bản thảo 02, Bản thảo 03…
• Được chấp thuận → Được phát hành = Phiên bản A
• Chu kỳ thay đổi tiếp theo → Bản thảo → Xem xét → Phiên bản B

Quy tắc: Luôn để lại một bình luận rõ ràng giải thích sự thay đổi chính bạn đã thực hiện. Không chỉ là “cập nhật phần,” mà là “Thay đổi loại chân số 7 từ không xác định sang điện vì DRC bị lỗi trên Trang 4.” Sáu tháng sau, ai đó sẽ tự hỏi tại sao bạn thay đổi nó và có thể sẽ hoàn nguyên nó. Bình luận ngăn chặn điều đó.

Bước 6: Ai Xem xét và Phê duyệt Cái gì

Có một quy trình phê duyệt chuẩn giúp mọi thứ nhanh chóng và đáng tin cậy hơn.

Giao quyền sở hữu rõ ràng:

• Một kỹ sư cấp cao phê duyệt tất cả các bộ phận analog.
• Một người khác phê duyệt các bộ phận số.
• Kỹ sư cơ khí kiểm tra mô hình 3D và khoảng trống.
• Một giám đốc hoặc trưởng nhóm đưa ra quyết định cuối cùng.

Đặt tên của người sở hữu vào thông tin bộ phận. Khi ai đó có câu hỏi về STM32, họ biết chính xác người nào cần hỏi.

Trong các công ty có hàng chục nghìn thành phần, việc giao một phần lớn công việc quản lý thư viện cho một kỹ sư và thêm người khi cần là điều phổ biến. Nhà thiết kế PCB có thể tập trung vào bố cục, kỹ sư điện tử tập trung vào mạch, và kỹ sư phần cứng tập trung vào tích hợp hệ thống.

Khi công ty của bạn phát triển, bạn thậm chí có thể có một “người quản lý thư viện” toàn thời gian. Mọi thứ đều qua họ, điều này làm cho thư viện trở nên nhất quán và dễ dự đoán hơn.

Nơi Lưu Trữ Mọi Thứ

Bạn cần một nơi để lưu trữ tất cả các mô hình thành phần (PCB footprints, biểu tượng sơ đồ, mô hình 3D, v.v.). Không phải rải rác trên các laptop cá nhân và các thư mục ngẫu nhiên.

Một chiến lược phổ biến: các kỹ sư làm việc với một bản sao cục bộ của thư viện linh kiện, chỉnh sửa nó, xác minh các bộ phận trong thiết kế thực tế, sau đó đẩy các linh kiện đã cập nhật trở lại kho lưu trữ trung tâm với kiểm soát phiên bản. Làm việc trực tiếp từ ổ đĩa mạng là có thể nhưng có thể gây ra vấn đề về hiệu suất ECAD.

Những Khả Năng Cốt Lõi Nào Một Hệ Thống Linh Kiện Tập Trung Nên Bao Gồm?

Hãy nhắm đến các chức năng sau:

• Xem trước các bộ phận mà không cần tải xuống. Tiết kiệm thời gian lớn khi xem xét các linh kiện.
• Theo dõi tất cả các thiết kế nơi một bộ phận được sử dụng. Bạn cần biết một linh kiện tồn tại ở đâu trong tất cả các sản phẩm.
• Theo dõi trạng thái linh kiện: lỗi thời, hết hàng, tồn kho thấp, NRND. Việc có thông tin này trước khi báo giá sản xuất giúp tiết kiệm hàng tuần trao đổi qua lại.
• Khả năng cập nhật một linh kiện trên toàn hệ sinh thái. Khi bạn cập nhật kích thước chân của điện trở, thay đổi đó nên được lan tỏa hoặc dễ dàng kéo vào tất cả các thiết kế liên quan.
• Ghi chú và lưu ý về các bộ phận. Ví dụ: “Chip này hoạt động nóng, thêm tản nhiệt (xem trang dữ liệu kỹ thuật 47),” hoặc “Chỉ sử dụng kích thước chân này với FR4.”
• Kiểm tra tồn kho mới nhất. Kết nối với API của nhà phân phối hoặc công cụ BOM để xem tình trạng sẵn có trước khi sử dụng các bộ phận.

Nếu quy trình tập trung của bạn không hỗ trợ những điều này, bạn sẽ mất nhiều thời gian “chăm sóc” các bộ phận hơn là thiết kế bảng mạch.

Quy Trình Mới Của Bạn Cho Mỗi Bộ Phận

Dưới đây là quy trình phù hợp để thêm bất kỳ bộ phận mới nào vào thư viện tập trung của bạn:

1. Tìm bộ phận và kiểm tra nhà cung cấp, giá cả, tình trạng sẵn có, và mô hình CAD.
2. Kiểm tra xem bộ phận có đang được sản xuất hay đã lỗi thời. Đừng sử dụng các bộ phận lỗi thời. Tìm kiếm các lựa chọn thay thế được khuyến nghị nếu cần.
3. Kiểm tra gói và kích thước chân trên PCB. Đảm bảo gói và kích thước chân khớp về kích thước và kiểu dáng.
4. Lấy mô hình 3D. Nếu không có sẵn trong nguồn chính của bạn, hãy kiểm tra trang web của nhà sản xuất hoặc thư viện mô hình 3D chuyên dụng.
5. Kiểm tra tồn kho và lịch sử khả dụng. Nếu linh kiện thường xuyên hết hàng, hãy chọn một linh kiện khác.
6. Tìm linh kiện thay thế. Đặc biệt là cho IC. Thêm các lựa chọn thay thế hợp lý ngay bây giờ, không phải khi linh kiện chính của bạn còn 12 tuần nữa mới có.
7. Gộp nhà phân phối. Ưu tiên các linh kiện có sẵn từ nhiều nhà cung cấp với số lượng đặt hàng tối thiểu hợp lý.
8. Tải xuống bảng dữ liệu linh kiện. Lưu trữ nó trên máy chủ công ty vì URL có thể thay đổi.
9. Lưu mô hình và thông tin linh kiện vào thư viện chia sẻ của bạn với kiểm soát phiên bản.
10. Thêm một nhận xét ngắn gọn về lý do bạn thiết lập hoặc thay đổi linh kiện. Sau đó đẩy các thay đổi.

Làm điều này một cách nhất quán và bạn sẽ tránh được nhiều bất ngờ không mong muốn sau này.

Linh kiện thay thế quan trọng hơn bạn nghĩ

Đối với linh kiện thay thế:

• Liệt kê các số phần thay thế trong thông tin linh kiện của bạn.
• Ghi chú bất kỳ thay đổi mạch nào (chân kết nối khác, thông số kỹ thuật, hoặc dung sai).
• Nếu có thể, hãy thử nghiệm cả hai linh kiện trước khi phát hành thiết kế.

Nếu bạn thực sự không thể tìm thấy linh kiện thay thế vì linh kiện đó phù hợp một cách độc đáo:

• Hãy đảm bảo nó được phân phối rộng rãi.
• Ưu tiên nhà sản xuất ổn định.
• Đảm bảo nhiều nhà phân phối cung cấp nó.
• Hãy rõ ràng rằng đó là một rủi ro và ghi chép lại.

Khi có thể, cũng cân nhắc các thiết kế mạch thay thế đạt được cùng một chức năng với các bộ phận khác nhau. Điều này trở thành một phần của thư viện tái sử dụng thiết kế của bạn.

Bảo trì Thư Viện Linh Kiện

Một lịch trình cập nhật thực tế:

• Hàng tuần: Thêm các bộ phận mới theo nhu cầu của các nhóm (sử dụng quy trình ở trên).
• Hàng tháng: Cập nhật thư viện cũ. Kiểm tra các bộ phận lỗi thời và quyết định cách xử lý chúng.
• Mỗi sáu tháng một lần: Sau khi ra mắt sản phẩm thành công, thêm các bộ phận hoạt động tốt hơn lựa chọn ban đầu.
• Hàng năm: Làm mới tất cả các linh kiện, đặc biệt là IC, để nắm bắt các thay đổi về nhà sản xuất, mua lại, và lỗi thời.

Trong quá trình cập nhật, hỏi:

• Các bộ phận vẫn còn được sản xuất không?
• Các bộ phận có sẵn tại các nhà phân phối không?
• Có phiên bản mới hoặc cải tiến không?
• Có bộ phận nào cần thêm lựa chọn thay thế không?
• Có lựa chọn tốt hơn hoặc rẻ hơn bây giờ không?

Nếu bạn sử dụng một bộ phận đã lỗi thời hai năm trước và chỉ phát hiện ra điều đó khi đặt hàng, bạn có thể phải đối mặt với việc thiết kế lại hoặc rủi ro mua hàng từ các nhà cung cấp đáng ngờ.

Kết nối thư viện trung tâm của bạn với dữ liệu nhà phân phối hoặc cơ sở dữ liệu về tình trạng sẵn có giúp bạn biết được khi nào các bộ phận đang cạn kiệt trước khi bạn quyết định sử dụng chúng. Thực tế chuỗi cung ứng thúc đẩy lịch trình phần cứng.

Truy cập và Quyền

Sau khi bạn có một hệ thống vững chắc cho thư viện linh kiện, hãy xác định quyền truy cập:

• Tất cả các kỹ sư điện và điện tử liên quan cần quyền truy cập để xem và tải xuống các bộ phận.
• Một số kỹ sư cơ khí cần quyền truy cập vào mô hình 3D và bản vẽ kỹ thuật để kiểm tra sự phù hợp trong vỏ máy.
• Công cụ hợp tác ECAD và MCAD làm cho điều này càng trở nên quan trọng hơn, lý tưởng là với thông tin chung về kích thước linh kiện và vỏ máy.

Mô hình quyền truy cập tiêu biểu:

• Mọi người được phê duyệt có thể xem và tải xuống các bộ phận.
• Kỹ sư có thể tạo các bộ phận dự thảo.
• Người xem xét được chỉ định phê duyệt các bộ phận.
• Trưởng nhóm/giám đốc phát hành các bộ phận.

Khi bạn hoạt động mảnh mai, tất cả có thể do một hoặc hai kỹ sư đảm nhận, nhưng hãy hướng tới việc xem xét bởi nhiều người càng sớm càng tốt.

Câu Hỏi Thường Gặp

Liệu kỹ sư cơ khí, firmware và điện tử có nên chia sẻ cùng một cơ sở dữ liệu không?

Có. Nếu họ đều làm việc trên cùng một sản phẩm, họ cần cùng một thông tin, đặc biệt là với các quy trình làm việc ECAD–MCAD ngày càng tích hợp.

Làm thế nào để ngăn chặn mọi người vô tình thay đổi các bộ phận đã được phát hành?

Sử dụng quyền hạn phù hợp, kiểm soát phiên bản và quy trình phê duyệt. Nhiều hệ thống tập trung có thể khóa các tệp đã phát hành. Nếu hệ thống của bạn không thể, hãy thực thi quyền hạn tệp trên máy chủ của bạn.

Lịch trình cập nhật thư viện phù hợp là gì?

Thêm các bộ phận mới hàng tuần, thực hiện cập nhật số lượng lớn hàng tháng, thực hiện cập nhật sau dự án mỗi sáu tháng và làm mới toàn bộ hàng năm. Bạn hoặc là trả giá bây giờ hoặc trả nhiều hơn sau này.

Nhà thầu của chúng tôi không sử dụng thư viện của chúng tôi. Chúng tôi phải làm gì?

Hiểu lý do của họ, nhưng lý tưởng nhất là làm việc với các nhà thầu sẵn lòng sử dụng thư viện của bạn hoặc tích hợp thư viện của họ vào hệ sinh thái của bạn.

Làm thế nào chúng tôi xử lý các bộ phận chỉ có sẵn từ một nhà sản xuất?

Document nó như một rủi ro. Nếu có thể, tạo một thiết kế mạch dự phòng và theo dõi chặt chẽ kho hàng.

Kết luận

Tom Hausherr từng nói với tôi trong một cuộc họp: “Bố cục PCB chỉ tốt như thư viện linh kiện của nó.” Một khi bạn đã thiết lập được thư viện tập trung, bạn sẽ tự hỏi làm thế nào mình đã làm việc mà không có nó.

Với một hệ thống vững chắc, bạn có thể quản lý linh kiện PCB của mình, nhận được dữ liệu chuỗi cung ứng cập nhật và truy cập hàng triệu bộ phận sẵn sàng sử dụng, tất cả trong một thư viện linh kiện PCB an toàn. Nếu bạn muốn áp dụng những phương pháp tốt nhất này, hãy trải nghiệm xem chúng được thực hiện như thế nào trong thực tế với Altium Develop.