Thiết kế để có thể sản xuất bắt đầu từ việc lựa chọn linh kiện

Hai tuần trước khi chạy lô pilot, một nhóm thiết kế phát hiện đầu nối board-to-wire, vốn được chọn từ nhiều tháng trước chỉ dựa trên mức dòng định mức, đã bị chuyển sang trạng thái “không khuyến nghị cho thiết kế mới” (NRND). Nhà phân phối duy nhất còn bán linh kiện này đang có số lượng tồn kho ít hơn nhu cầu của lô build, còn nhà sản xuất báo thời gian bổ sung hàng là 40 tuần. Phương án thay thế gần nhất vẫn ghép được với cùng loại cáp, nhưng dùng footprint khác và cao hơn khoảng một milimét.

Vì vậy, kỹ sư điện phải đi lại mạch ở khu vực đầu nối. Phần vỏ cao hơn giờ bị vướng với gờ định vị trong enclosure, và nhà thiết kế cơ khí phải dời gờ đó rồi báo giá lại khuôn, khiến lịch chạy lô pilot bị lùi thêm vài tuần.

Tất cả phần làm lại đó đều bắt nguồn từ lựa chọn đầu nối ban đầu. Linh kiện này đến từ một nhà sản xuất duy nhất và đã có tồn kho khá mỏng ngay từ ngày được chọn, nhưng khi đó chỉ xét thông số điện. Không ai xem lại nó cho đến khi có thông báo NRND. Thiết kế hướng đến khả năng sản xuất (DFM) đưa các yêu cầu sản xuất vào ngay từ những quyết định ban đầu, duy trì việc rà soát chúng cho đến khi phát hành, và với đa số sản phẩm điện tử, để kỹ thuật cơ khí và kỹ thuật điện cùng chốt các quyết định đó.

Những điểm chính cần nhớ

• Các quyết định sớm về linh kiện, kiến trúc và phương án sản xuất sẽ quyết định các yếu tố chi phí lớn của sản phẩm, vì vậy hãy cân nhắc yêu cầu sản xuất ngay khi đưa ra những quyết định đó.
• Kiểm tra trạng thái vòng đời, package và tồn kho tại nhà phân phối ngay khi chọn linh kiện lần đầu, sau đó ghi lại phương án thay thế đã được thẩm định hoặc kế hoạch giảm thiểu rủi ro trong BOM.
• Giảm số lượng linh kiện đặc thù bằng danh sách linh kiện ưu tiên, đồng thời lấy các tùy chọn stackup và dung sai trở kháng từ nhà gia công PCB trước khi chốt stackup.
• Ngay từ đầu, hãy để nhà thiết kế cơ khí và kỹ sư điện cùng thống nhất các quyết định dùng chung như chọn đầu nối và chiều cao linh kiện.

Chi phí sản xuất được quyết định ở đâu

Một quy tắc kinh nghiệm lâu năm trong nghiên cứu ước tính chi phí cho rằng khoảng 70% chi phí của một sản phẩm được quyết định trong giai đoạn thiết kế ban đầu. David M. Anderson, tác giả cuốn Design for Manufacturability, mô tả cùng quy luật đó theo góc độ ngân sách: đến khi thiết kế hoàn tất, mới chỉ khoảng 8% ngân sách sản phẩm được chi ra, nhưng thiết kế đã ràng buộc khoảng 80% tổng chi phí. Cả hai chỉ là các con số xấp xỉ, nhưng đều nói lên cùng một điều: chi phí bị “khóa” từ rất sớm.

Mỗi giai đoạn của dự án đều xây trên các quyết định trước đó, nên vấn đề càng được phát hiện muộn thì thông thường chi phí sửa càng cao. Một nghiên cứu của NASA về mức leo thang chi phí sửa lỗi trong các hệ thống phần cứng và phần mềm quy mô lớn đã lượng hóa mức tăng đó, cho thấy một lỗi yêu cầu nếu tốn 1 đơn vị để sửa ở giai đoạn xác định yêu cầu thì sẽ tốn 3 đến 8 đơn vị ở giai đoạn thiết kế, 7 đến 16 đơn vị ở giai đoạn chế tạo, và 21 đến 78 đơn vị ở giai đoạn tích hợp và thử nghiệm.

Phần lớn chi phí đã bị ràng buộc đó đến từ một số quyết định thiết kế rất thường gặp. Bốn thực hành dưới đây tập trung vào những điểm mà kỹ sư cơ khí và kỹ sư điện có thể kiểm soát trực tiếp nhất.

Bốn thực hành DFM giúp giảm chi phí trước khi bắt đầu layout

1. Đơn giản hóa thiết kế

Thiết kế hướng đến khả năng chế tạo và lắp ráp (DFMA), phương pháp do Geoffrey Boothroyd và Peter Dewhurst phát triển, bắt đầu từ số lượng chi tiết, vì mỗi chi tiết được loại bỏ sẽ đồng thời loại bỏ chi phí mua, lắp ráp và tồn kho của nó, cũng như các dạng hỏng tiềm ẩn. Boothroyd Dewhurst cho biết các đợt rà soát DFMA trên những sản phẩm đã trưởng thành thường giảm chi phí từ 15 đến 40% mà không làm thay đổi chức năng.

Giảm tổng số vị trí gắn linh kiện và giảm số dòng BOM riêng biệt giúp tiết kiệm tiền theo những cách khác nhau. Ít vị trí gắn hơn sẽ rút ngắn thời gian lắp ráp, trong khi ít dòng BOM riêng biệt hơn có thể giảm số lần setup feeder và giảm tồn kho. Hãy theo dõi cả hai chỉ số này, và cải thiện chúng bằng cách gom nhiều chức năng vào ít linh kiện hơn, đặt câu hỏi với bất kỳ giá trị điện trở hay tụ điện nào chỉ xuất hiện một lần trong BOM, và ưu tiên ngàm gài thay vì chi tiết bắt vít rời.

Việc đơn giản hóa cũng mở rộng sang cả dây chuyền lắp ráp. Nó bao gồm việc chọn package có pitch mà đơn vị lắp ráp có thể đặt và kiểm tra một cách ổn định, chừa khoảng hở để kiểm tra và rework quanh các khu vực linh kiện dày đặc, và bố trí test point trước khi việc đi dây lấp kín bo mạch.

2. Chuẩn hóa linh kiện và vật liệu

Với danh sách linh kiện ưu tiên, việc chuẩn hóa trở thành một thói quen hằng ngày. Anderson, người từng điều hành các chương trình chuẩn hóa linh kiện tại Systems Group của Intel, báo cáo đã hợp nhất 20.000 linh kiện thành một danh sách ưu tiên gồm 500 linh kiện, đồng thời giảm 2.000 giá trị điện trở, tụ điện và diode xuống còn 35.

Đối với danh sách ưu tiên, các mặc định điện hữu ích có thể bao gồm các package thụ động phổ biến như 0402 và 0603, một danh sách ngắn các giá trị tiêu chuẩn, và một loại laminate cùng một loại hoàn thiện bề mặt cho mỗi họ sản phẩm. Các mặc định cơ khí bao gồm chiều dày tấm tiêu chuẩn, kích thước fastener và standoff tiêu chuẩn. Dù vậy, từng mục vẫn phải đáp ứng các yêu cầu điện, nhiệt và độ tin cậy của sản phẩm. Những linh kiện mà nhóm của bạn đã mua, đặt lên bo và kiểm thử trên ba bo gần nhất là điểm khởi đầu tốt cho danh sách này, sau khi được kiểm tra lại về trạng thái vòng đời và tồn kho hiện tại.

Trong một nghiên cứu bình duyệt về chuẩn hóa vật liệu trong sản xuất lô nhỏ, việc giảm số hạng mục vật liệu từ 32 xuống 19 đã đơn giản hóa việc quản lý nhà cung cấp và kiểm tra đầu vào.

3. Chọn những linh kiện có thể mua được

Khả năng sẵn có, trạng thái vòng đời và lựa chọn nguồn thay thế của một linh kiện cần được đưa vào đặc tả thiết kế cùng với mức điện áp và dòng điện định mức của nó, vì cả ba đều có thể ảnh hưởng đến việc layout có đi được đến sản xuất mà không cần thiết kế lại hay không. Z2Data ước tính chi phí cho các lần thiết kế lại do lỗi thời linh kiện dao động từ 20.000 USD đến gần 2 triệu USD, và phân tích của họ cho thấy 52% trong hơn 620.000 linh kiện trở nên lỗi thời trong năm 2025 không hề có thông báo thay đổi sản phẩm trước đó.

Một bước sàng lọc sourcing ban đầu sẽ kiểm tra bốn điểm:

• Trạng thái vòng đời: đang active, không có thông báo NRND hoặc end-of-life.
• Tồn kho: tồn kho từ kênh phân phối được ủy quyền với số lượng đáp ứng nhu cầu của lô build.
• Lead time: đủ ngắn để phù hợp với lịch build.
• Phương án thay thế: một ứng viên tương thích không chỉ ở pinout, hoặc một kế hoạch giảm thiểu nếu chưa có phương án nào.

Xác định trước “biên” yêu cầu điện, bao gồm điện áp, dòng điện, dung sai và giới hạn package, trước khi chọn linh kiện sẽ giúp việc sàng lọc dễ hơn, vì khi đó tìm kiếm theo tham số có thể trả về các linh kiện ứng viên đáp ứng các bộ lọc này, bao gồm cả các phương án thay thế từ những nhà sản xuất khác. Rủi ro sourcing tương tự cũng áp dụng cho các linh kiện cơ khí như đầu nối, công tắc và tản nhiệt, nơi chỉ một thay thế duy nhất cũng có thể làm thay đổi biên dạng bo mạch, lỗ cắt trên enclosure và loại cáp ghép nối.

Sàng lọc ngay tại thời điểm lựa chọn giúp nhóm có thời gian đánh giá các phương án thay thế. Nếu bỏ qua bước kiểm tra này, vấn đề sourcing có thể chỉ lộ ra trong giai đoạn chuẩn bị chạy lô pilot, khi đó một thay thế có thể buộc phải thay đổi cả bo mạch lẫn enclosure.

4. Thiết kế trong giới hạn mà nhà gia công có thể sản xuất

Stackup, trở kháng kiểm soát và cấu trúc via là nơi DFM giao thoa với tính toàn vẹn tín hiệu. Khi nhà gia công có thể sản xuất stackup đã thiết kế một cách ổn định, các đường mạch thành phẩm sẽ bám sát hơn với những gì mô phỏng đã dự đoán. Trong một bài viết của Sierra Circuits, chuyên gia toàn vẹn tín hiệu Rick Hartley của RHartley Enterprises khuyên các nhà thiết kế nên tìm hiểu năng lực của nhà gia công và xây dựng thiết kế dựa trên các năng lực đó.

Điều này thường quy về một vài lựa chọn lặp đi lặp lại:

• Stackup đối xứng giúp hạn chế cong vênh và xoắn trong quá trình ép lớp và reflow.
• Chiều dày điện môi có sẵn trong kho giúp tránh phải đặt vật liệu theo yêu cầu đặc biệt và tránh lead time phát sinh.
• Cấu trúc via đơn giản nhất nhưng vẫn đáp ứng nhu cầu đi dây và lắp ráp sẽ giúp giữ chi phí chế tạo ở mức thấp. Chỉ định via lấp và bịt chỉ ở những nơi cấu trúc via thực sự yêu cầu, chẳng hạn như via-in-pad và microvia chồng tầng.
• Dung sai trở kháng thực tế phải phù hợp với quy trình của nhà gia công. Ví dụ, Sierra Circuits có thể giữ được ±10% và ±5% trong những trường hợp đặc biệt.

Một thiết kế yêu cầu dung sai chặt hơn khả năng mà nhà gia công có thể đạt được một cách ổn định sẽ có nguy cơ phải thiết kế lại và chạy thêm một vòng chế tạo nữa. Khi stackup và linh kiện đã được chốt, các quy tắc layout có thể thực thi những ràng buộc còn lại, như đã trình bày trong bài viết của chúng tôi về tám vấn đề DFM phổ biến mà design rule có thể phát hiện.

Nơi DFM cơ khí và điện gặp nhau

Một số thực hành nêu trên liên quan đến các linh kiện và đặc tính thuộc cả hai lĩnh vực: đầu nối, linh kiện cao, biên dạng bo mạch, lỗ bắt vít và phần cứng tiêu chuẩn dùng để ghép toàn bộ cụm lắp ráp lại với nhau.

Việc thống nhất các giao diện này ngay ở sơ đồ khối và bản phác thảo enclosure đầu tiên, rồi tiếp tục tinh chỉnh trước khi bước vào giai đoạn placement chi tiết và cam kết dụng cụ/khuôn enclosure, sẽ giúp hai thiết kế luôn đồng bộ. Thêm các linh kiện dùng chung này vào danh sách linh kiện ưu tiên sẽ duy trì sự đồng bộ đó sang sản phẩm tiếp theo. Khi công việc CAD đã bắt đầu, một quy trình ECAD-MCAD đồng bộ có thể giúp duy trì tính cập nhật đó, như mô tả trong bài viết của chúng tôi về cộng tác ECAD–MCAD.

Checklist: Các thực hành DFM cần áp dụng trước khi bắt đầu layout

Bốn thực hành trên bao quát rất nhiều khía cạnh, nhưng những quyết định quan trọng nhất thường tập trung quanh cùng một số mốc kiểm tra lặp lại. Hãy dùng danh sách này để bảo đảm không điều gì bị bỏ sót trước khi bắt đầu layout. 

• Đặt mục tiêu cho cả tổng số vị trí gắn linh kiện và số dòng BOM riêng biệt, rồi theo dõi chúng ở mỗi lần rà soát.
• Xây dựng danh sách linh kiện ưu tiên từ các linh kiện trên ba bo gần nhất của bạn.
• Sàng lọc trạng thái vòng đời, tồn kho từ kênh được ủy quyền và lead time cho từng linh kiện mới ngay khi chọn, rồi kiểm tra lại trước khi phát hành.
• Ghi lại phương án thay thế đã được thẩm định hoặc kế hoạch giảm thiểu trong BOM cho mọi linh kiện chỉ có một nhà sản xuất.
• Thống nhất đầu nối, linh kiện cao và biên dạng bo mạch giữa thiết kế cơ khí và điện trước khi bắt đầu placement chi tiết.
• Lấy các tùy chọn stackup và dung sai trở kháng từ nhà gia công trước khi chốt stackup.
• Chọn cấu trúc via đơn giản nhất đáp ứng nhu cầu đi dây và lắp ráp, và chỉ định lấp/bịt chỉ ở nơi cấu trúc thực sự yêu cầu.
• Xác nhận khả năng tiếp cận để kiểm tra và vị trí test point trước khi đi dây lấp kín bo mạch.

Cách Octopart hỗ trợ lựa chọn linh kiện có khả năng sản xuất

Bước sàng lọc sourcing sẽ nhanh nhất khi dữ liệu về vòng đời, tồn kho và package có sẵn trong cùng một nơi. Tính năng tìm kiếm theo tham số của Octopart có thể lọc linh kiện theo package, kiểu lắp ráp và kích thước, đồng thời hiển thị trạng thái vòng đời, tồn kho và thời gian giao hàng ngay trong kết quả. Octopart tổng hợp thông tin giá và tình trạng sẵn hàng của hàng chục triệu linh kiện từ hàng trăm nhà phân phối. Mỗi trang linh kiện đều liệt kê các chào bán hiện tại và, khi có sẵn, lịch sử tồn kho cho biết liệu một linh kiện có luôn được duy trì tồn kho ổn định hay thường xuyên trở nên khan hàng theo thời gian. Datasheet cùng các symbol, footprint và mô hình 3D sẵn có giúp kỹ sư đánh giá linh kiện, bao gồm cả độ phù hợp và khoảng hở lắp đặt. Trang linh kiện cũng cho biết có bao nhiêu nhà phân phối đang tồn kho linh kiện đó. Một linh kiện chỉ được một nhà phân phối cung ứng, như đầu nối trong ví dụ mở đầu, là một rủi ro nguồn cung đơn lẻ cần được xử lý trước khi bắt đầu layout.

Khi các linh kiện được đưa vào BOM,  Octopart BOM Tool sẽ hiển thị trạng thái vòng đời, giá và tồn kho cho từng dòng, để nhóm thiết kế có thể tìm linh kiện thay thế cho các linh kiện rủi ro trước khi bắt đầu layout.

Trước khi thiết kế tiếp theo của bạn chuyển sang giai đoạn layout chi tiết, hãy chạy bước kiểm tra nguồn cung trên BOM của nó và xác nhận stackup với nhà chế tạo PCB, khi cả hai vẫn còn dễ thay đổi.

Tìm kiếm linh kiện tiếp theo của bạn trên Octopart để kiểm tra trạng thái vòng đời, tồn kho tại nhà phân phối và các lựa chọn thay thế trước khi bắt đầu layout →

Câu hỏi thường gặp về thiết kế để có khả năng sản xuất

Thiết kế để có khả năng sản xuất (DFM) trong điện tử là gì?

DFM là phương pháp thiết kế sản phẩm sao cho có thể được chế tạo, lắp ráp và kiểm thử với chi phí thực tế thấp nhất. Trong điện tử, DFM bao gồm lựa chọn linh kiện, stackup và lựa chọn via, các quy tắc layout, cũng như các đặc tính cơ khí mà PCB chia sẻ với vỏ thiết bị.

DFM khác gì với thiết kế để lắp ráp (DFA)?

DFA tập trung vào sản phẩm sau lắp ráp, đặt câu hỏi liệu mỗi linh kiện có thực sự cần thiết hay không và liệu chúng có dễ cầm nắm và lắp vào hay không. DFM tập trung vào cách chế tạo từng thành phần còn lại, bao gồm cả bo mạch trần. Boothroyd Dewhurst kết hợp hai khái niệm này thành DFMA và áp dụng DFA trước, vì một linh kiện có thể bị loại bỏ thì không cần tối ưu hóa sản xuất cho nó.

Kỹ sư nên kiểm tra gì trước khi thêm một linh kiện vào BOM?

Đừng chỉ nhìn vào datasheet mà hãy kiểm tra thêm trạng thái vòng đời của linh kiện, mức tồn kho tại các nhà phân phối được ủy quyền, lead time hiện tại, và liệu có sẵn các linh kiện tương đương từ những nhà sản xuất khác hay không. Với linh kiện chỉ do một nhà sản xuất cung cấp, cần có либо một phương án thay thế đã được phê chuẩn, hoặc một biện pháp giảm thiểu đã được ghi nhận, chẳng hạn như mức dự trữ tồn kho đã được thống nhất hoặc một lộ trình redesign đã được lên kế hoạch.

DFM được áp dụng vào thiết kế cơ khí như thế nào?

DFM cơ khí trong điện tử bao gồm biên dạng bo mạch, các đặc tính gá lắp, chiều cao linh kiện, vị trí đầu nối và độ vừa khít với vỏ, cũng như các lựa chọn về vít và phần cứng ảnh hưởng đến thời gian lắp ráp.

DFM rút ngắn thời gian đưa sản phẩm ra thị trường như thế nào?

DFM giúp giảm các chậm trễ liên quan đến sản xuất do bị từ chối chế tạo, phải làm lại trong lắp ráp và thay thế linh kiện muộn. Các linh kiện tiêu chuẩn, linh kiện có tồn kho tốt và stackup tương thích với nhà chế tạo cũng giúp rút ngắn thời gian báo giá, mua sắm và chuẩn bị lắp ráp, nhờ đó lô sản xuất đầu tiên có thể vào chuyền sớm hơn.