Sẵn sàng Mở rộng? Đã đến lúc Tối ưu Hóa Thiết kế PCB của Bạn

Tôi đã nhận được một câu hỏi xuất sắc trên LinkedIn gần đây của mình, và điều này liên quan đến cách mà các nhà thiết kế và trưởng phòng mua hàng phải làm việc cùng nhau để chuẩn bị một thiết kế cho việc mở rộng quy mô. Việc xem xét trước khi sản xuất và mở rộng quy mô vào sản xuất hàng loạt liên quan đến nhiều khía cạnh của việc kiểm tra, đánh giá và chỉnh sửa thiết kế. Giả sử mọi thứ trong thiết kế đã được xem xét và không cần thêm vòng nguyên mẫu nào nữa, bạn có thể bắt đầu tối ưu hóa và thiết kế cho chi phí, hiệu suất, kích thước, EMI, nhiệt và có lẽ nhiều lĩnh vực khác.

Tăng Âm Lượng

Câu hỏi đầu tiên bạn có lẽ nên tự hỏi về sản xuất hàng loạt là rất đơn giản: khối lượng sản xuất dự kiến của bạn là bao nhiêu?

Tôi ngạc nhiên về việc mình tham gia vào thiết kế hợp đồng chỉ để phát hiện ra rằng khách hàng chưa xác định được khối lượng sản xuất dự kiến của họ. Tôi hiểu rằng đôi khi nó phụ thuộc vào số lượng bán hàng, nhưng một ước lượng hợp lý luôn hữu ích. Điều này sẽ trở nên quan trọng nếu chúng tôi bắt đầu xem xét giảm giá chi phí cho một số linh kiện, khả năng thay thế linh kiện dựa trên hiệu suất và độ tin cậy, hoặc những thay đổi thiết kế cần thiết để tuân thủ các tiêu chuẩn độ tin cậy.

Một số lĩnh vực lớn nhất để giảm chi phí khi mua với số lượng lớn được tìm thấy dưới đây. Thách thức lớn khi sản xuất với số lượng lớn là giải quyết những lĩnh vực này mà không hy sinh năng suất sản xuất, chất lượng và độ tin cậy.

Danh sách này cho thấy các lĩnh vực phổ biến mà bạn có thể được yêu cầu cắt giảm chi phí để đáp ứng ngân sách hoặc làm cho giá sản phẩm cạnh tranh hơn. Nhưng thách thức trong các trường hợp trên là ngăn chặn vấn đề chất lượng và đảm bảo độ tin cậy. Khi sản xuất với số lượng lớn, thường là trường hợp chúng ta tìm kiếm giải pháp kỹ thuật chấp nhận được với giá thấp nhất (LPTA). Bây giờ, hãy đi sâu vào một số ví dụ đơn giản minh họa cách chúng ta có thể chuẩn bị cho sản xuất số lượng lớn.

Tổng hợp số phận

Đây nên là nơi rõ ràng nhất để bắt đầu giảm chi phí trong khi có thể cải thiện độ tin cậy và chất lượng của sản phẩm cuối cùng. Việc tổng hợp số phần tử có nghĩa là sử dụng một số phần tử duy nhất trong toàn bộ danh sách đến mức lớn nhất có thể. Thực hiện điều này một cách chính xác có thể liên quan đến việc đặt các linh kiện bị động theo dãy hoặc song song để đạt được các giá trị thiết kế mục tiêu, sử dụng một loại đầu nối pin, v.v. Việc này giúp bạn tiếp cận với các khoản giảm giá theo khối lượng đối với các linh kiện, và những khoản tiết kiệm này có thể cộng dồn nhanh chóng khi bạn xem xét một số linh kiện như bán dẫn rời rạc và kết nối.

Cơ sở dữ liệu của Octopart hiển thị các mức giảm giá cho mua hàng theo khối lượng trên toàn bộ chuỗi cung ứng.

Tổng hợp Gói Phần Tử

Khi hoàn thiện bảng mạch, bạn có thể nhận thêm giảm giá theo số lượng mà không làm giảm độ tin cậy bằng cách tổng hợp xuống một kích thước gói duy nhất, đặc biệt là đối với các linh kiện bị động. Thông thường, chúng ta có thể thấy các kích thước gói khác nhau trên một pcb, và điều này thường được thực hiện cho mục đích xếp hạng công suất. Nhưng nếu bạn biết rằng một số phần tử nhất định không yêu cầu xếp hạng công suất cao như vậy, bạn có thể thay đổi các linh kiện bị động có giá trị chung sang các gói nhỏ hơn. Điều này có thể giúp bạn vượt qua bước tiếp theo của giảm giá theo khối lượng, và nó yêu cầu những thay đổi tối thiểu đối với bố cục PCB.

Vật liệu PCB

Vật liệu trong PCB của bạn luôn tạo ra một số chi phí, nhưng chúng sẽ là yếu tố quyết định chính về hiệu suất và độ tin cậy. Nếu bảng mạch của bạn không yêu cầu một loại laminate FR4 tiên tiến, vật liệu TG cao, vật liệu CTI cao, hoặc PTFE thì không nên chỉ định nó trong bản thiết kế của bạn. Hãy suy nghĩ về môi trường hoạt động cuối cùng mà bảng mạch sẽ tồn tại trước khi chọn vật liệu đắt tiền hơn cho bộ xếp chồng.

Cùng một điều áp dụng cho bề mặt hoàn thiện. Ngay khi bạn thêm một kim loại quý vào bề mặt hoàn thiện của mình, bạn sẽ thấy sự tăng chi phí. Nếu điều này không cần thiết cho hiệu suất hoặc độ tin cậy, thì hãy gắn bó với lớp phủ ImSn, HASL, hoặc hợp kim Sn-Pb.

Lớp phủ dựa trên vàng trong một PCB làm tăng chi phí đáng kể nhưng lại rất được ưa chuộng vì độ tin cậy.

Lớp phủ bề mặt và các vật liệu bổ sung như lớp phủ chống ẩm cũng làm tăng chi phí. Chúng có thể là yếu tố quyết định lớn về độ tin cậy hoặc chức năng, vì vậy hãy cẩn thận trước khi chuyển sang một vật liệu giá thấp hơn hoặc loại bỏ một vật liệu. Giữ lựa chọn vật liệu của bạn trong triết lý LPTA nếu chi phí là một yếu tố cạnh tranh chính cho sản phẩm của bạn.

Tính năng Bảng Mạch Trống

Trong quá trình sản xuất, mỗi tấm mạch sẽ trải qua nhiều cuộc kiểm tra và thử nghiệm để đảm bảo rằng nó được chế tạo một cách chính xác. Nhưng trước khi đưa một tấm mạch vào sản xuất, trách nhiệm của bạn là phải thử nghiệm nhiều mẫu thử để xác định bất kỳ lỗi nào trên tấm mạch có xu hướng xuất hiện lặp đi lặp lại. Nhóm của bạn sẽ cần giải quyết kỹ lưỡng những vấn đề này như một phần của kế hoạch chuẩn bị trước sản xuất.

Nếu đội ngũ chất lượng của nhà sản xuất hợp đồng bắt đầu nhận thấy các lỗi lặp lại, họ sẽ quay lại và thông báo cho bạn về những lỗi này để thiết kế có thể được cải thiện. Thật khó để tổng quát hóa những lỗi phổ biến nhất là gì đối với bất kỳ lắp ráp nào, nhưng một số lỗi phổ biến có thể bao gồm:

• Hàn không đủ hoặc quá nhiều hàn
• Cầu nối giữa các pad
• Mảnh mặt nạ hàn bị gãy
• Cầu nối hoặc chập mạch bên trong PCB
• Kết nối kém với pad (tombstoning, head-in-pillow, v.v.)

Tôi đã từng thấy mỗi một lỗi trong danh sách này. Những trường hợp tôi đã trải qua là khi các tính năng của bảng mạch trở nên quá mạnh mẽ so với khả năng hoặc khi một mẫu pad không được thiết kế chính xác cho khoảng cách chân linh kiện (hoặc cả hai). Cách tiếp cận đơn giản nhất ở đây là xem xét giới hạn tính năng bảng mạch trong khả năng của nhà sản xuất, và áp dụng một biên độ an toàn; điều này có thể giải quyết nhiều vấn đề chất lượng đơn giản tìm thấy trong quá trình lắp ráp.

NFPs bên trong với khoảng cách pad-to-plane thấp có thể tạo ra cơ hội cho một sự chập mạch.

Thay Đổi Linh Kiện

Trong quá trình thử nghiệm mẫu thử, bạn có thể đã xác định một số thay đổi linh kiện cần thiết để đảm bảo độ tin cậy. Tôi nghĩ điều phổ biến nhất trong số này là nhu cầu tăng giới hạn nhiệt độ cho một số linh kiện, điều này chắc chắn là điều tôi đã trải qua.

Một lĩnh vực khác có cơ hội thay đổi linh kiện là trong mức độ chính xác cho một số thành phần như linh kiện thụ động. Một số linh kiện thụ động cần có giá trị chính xác rất cao, như khi chúng được sử dụng cho các phép đo chính xác và giá trị của chúng là một phần của một phép tính. Có lẽ ví dụ phổ biến nhất là với các phép đo chính xác trong một ADC.

Nếu bạn có một loạt các số phần linh kiện chính xác 1% trên bảng mạch mà bạn không cần chúng, hãy thay thế chúng bằng các thành phần có dung sai 5% hoặc lỏng lẻo hơn. Điều này cũng sẽ giảm chi phí. Miễn là nó được thực hiện trên các linh kiện đúng, bạn sẽ không thấy bất kỳ ảnh hưởng nào đến độ tin cậy.

Kế Hoạch Sản Xuất

Mọi thứ trên đây tập trung vào PCB và PCBA, nhưng vẫn còn rất nhiều yếu tố khác đi vào quá trình sản xuất đầy đủ của một thiết bị điện tử và không chỉ là PCBs. Việc sản xuất sản phẩm thường đòi hỏi phải hợp đồng với một nhà sản xuất cho vỏ máy, dây và cáp, kết nối, và thậm chí là bao bì sản phẩm; không có cơ sở nào làm tất cả mọi thứ. Không phải tất cả các nhà sản xuất PCB sẽ hỗ trợ với việc này, thay vào đó bạn sẽ phải làm việc với một nhà sản xuất khác để hoàn thành những nhiệm vụ này.

Cũng có vấn đề về logistics. Ai đó phải chịu trách nhiệm điều phối việc giao hàng tất cả các vật liệu và bộ phận khác nhau. Các công ty đang mở rộng lần đầu tiên thậm chí còn cần phải thực hiện các biện pháp kiểm soát chất lượng nội bộ của họ đối với sản phẩm hoàn thiện, và cũng có một số nỗ lực logistics cho việc đó nữa.

Khi một công ty quyết định đưa một sản phẩm ra thị trường, sẽ có rất nhiều kế hoạch sản xuất trước mà vượt ra ngoài PCBs/PCBAs. Hãy xem xét tất cả các lĩnh vực đã nêu trên cùng với đội ngũ của bạn, bao gồm cả các khía cạnh logistics. Quyết định những gì sẽ được giữ lại nội bộ và những gì sẽ được hợp đồng ra ngoài. Điều này thậm chí có thể bao gồm sản xuất hoặc lắp ráp các thành phần tùy chỉnh như biến áp và kết nối đặc biệt. Một chút lập kế hoạch từ sớm sẽ làm cho quá trình này trở nên mạch lạc hơn và giúp bạn nhanh chóng đưa sản phẩm chất lượng cao ra thị trường.

Dù đội ngũ của bạn đang tạo ra các nguyên mẫu tiên tiến hay chuyển một sản phẩm mới vào quá trình sản xuất, Altium Designer® cung cấp cho các nhà thiết kế PCB tất cả những gì họ cần để thiết kế với chi phí và chất lượng. Khi bạn sẵn sàng chia sẻ kết quả của mình với nhà máy sản xuất, bạn có thể sử dụng nền tảng Altium 365™ để hợp tác giữa thiết kế và sản xuất.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.