मुनाफे का भौतिकी: कैसे पेनल उपयोग गणित PCB लागत पर 20% बचाता है

प्रत्येक मुद्रित परिपथ बोर्ड अपनी जीवन शुरुआत एक मानकीकृत लैमिनेट शीट के रूप में करता है, आमतौर पर कॉपर-क्लैड FR4। यह निर्माण प्रक्रिया का एकमात्र मौलिक सत्य है जिसे भौतिकी आपसे बातचीत करने की अनुमति नहीं देता।

जब एक डिज़ाइन फ़ाइल फ़ैब्रिकेशन हाउस में पहुंचती है, तो सबसे पहली बात जो CAM इंजीनियर करते हैं, वह है आपकी मनमानी आयामों को इस स्थिर कैनवास पर फिट करने का प्रयास। यदि आपका बोर्ड 100मिमी बाई 100मिमी है, तो वे एक शीट पर बारह एकाइयां फिट कर सकते हैं। यदि आपने इसे 98मिमी बाई 98मिमी डिज़ाइन किया है, तो वे सोलह फिट कर सकते हैं। वह एक निर्णय—अक्सर एक डिज़ाइनर द्वारा बिना किसी विशेष विचार के खाली CAD शून्य में देखते हुए बनाया जाता है—बस यूनिट लागत को तीस प्रतिशत बढ़ा देता है।

आप हवा के लिए भुगतान कर रहे हैं। उद्योग में, इसे “ऑफ-कट” या “वेब वेस्ट” कहा जाता है, लेकिन कार्यात्मक रूप से, यह पैसा है जो आपने भुगतान किया है और जिसे फ़ैब को समाप्त करने के लिए निपटान सेवा को भुगतान करना पड़ता है। पीसीबी की मूल्य निर्धारण मॉडल अंतिम बोर्ड के वर्गइंच पर आधारित नहीं है; यह उस संख्या पर आधारित है जितनी संख्या में यूनिट्स मास्टर शीट से कटने के बाद जीवित रहते हैं। आपके उत्पाद में सबसे महंगा सामग्री अक्सर वह है जो रूटिंग मशीन के पीछे कूड़ेदान में खत्म हो जाती है।

मूलभूत स्थिरांक

इलेक्ट्रॉनिक्स निर्माण का विश्वसनीयता 18-इंच बाय 24-इंच लैमिनेट शीट के इर्द-गिर्द घूमता है। जबकि बड़े आकार जैसे 21×24 मौजूद हैं, और भारी मात्रा में रन (कल्पना करें 500k यूनिट्स) आपूर्तिकर्ता से एक अनुकूल वेब आकार का सही हो सकता है, 18×24 शीट विशालकाय उत्पादन का कठोर सीमा है।

लेकिन आप इसका पूरा उपयोग नहीं कर सकते। यही वह जगह है जहाँ “काम करने का क्षेत्र” की भ्रमात्मकता लाभ मार्जिन को नष्ट कर देती है। अक्सर डिज़ाइनर मान लेते हैं कि उनके पास खेलने के लिए 18 इंच चौड़ाई है। वे नहीं करते। निर्माण मशीनरी को पैनल के किनारों को पकड़ने की जरूरत है ताकि इसे प्लेटिंग के Baths में डुबोया जा सके और इटिंग लाइनों के जरिए ट्रांसपोर्ट किया जा सके।

ये “हैंडलिंग मार्जिन” आमतौर पर पूरे परिधि पर एक पूरा इंच खपत करते हैं: चारों तरफ आधा इंच। यह आपके उपयोगी क्षेत्र को 18×24 से घटाकर 16×22 काम करने वाले क्षेत्र में कर देता है। यदि आपके पैनल डिज़ाइन को 16.5 इंच चौड़ाई की आवश्यकता है, तो आपने बस फ़ैब को घुमाने या कम दक्षता वाले मानक आकार में गिराने के लिए मजबूर किया है, जिससे तुरंत वेस्ट प्रतिशत बढ़ जाता है।

यहाँ “प्रोटोटाइप मोड” और “उत्पादन मोड” के बीच अंतर करना महत्वपूर्ण है। एक प्रोटोटाइप शॉप आपको कुछ बोर्डों के लिए “निश्चित कीमत” बेच सकती है और अपनी मुनाफ़ाखोरी के लिए वेस्ट लागत को स्वयं वहन कर सकती है ताकि आपका व्यापार जीत सके। वे आपकी अक्षमताओं का सब्सिडी दे रहे हैं। जब आप 10k या 50k यूनिट्स के उत्पादन स्तर पर पहुंचते हैं, तो वह सब्सिडी समाप्त हो जाती है। आपको हर एक वर्गइंच का बिल दिया जाता है, चाहे वह उपयोग में हो या न हो।

उपकरण की आंखोंदेखी कर कर

एक बार जब आप शीट की सीमाएँ स्वीकार कर लेते हैं, तो आपको परिपथों के बीच के स्थान का ध्यान रखना चाहिए। एक CAD टूल में, दो पीसीबीज़ को शून्य मिलीमीटर दूरी पर रखना आसान है। भौतिक दुनिया में, काटने के उपकरण का मास और चौड़ाई होती है।

यदि आप अपने बोर्ड को पैनल से बाहर रूट करने का निर्णय लेते हैं—सामान्य तौर पर उन्हें फ्री काटने—तो आपको राउटर बिट के लिए जगह छोड़नी चाहिए। अधिकांश शेनझेन या घरेलू फ़ैब्स में मानक बिट की चौड़ाई लगभग 2.4 मिमी (लगभग 100 मील) होती है। इसे हम “ केर्‌फ” कहते हैं, वह मार्ग विनाश का जो उपकरण अपने रास्ते में बनाता है।

यदि आपके पास छोटे सेंसर बोर्डों की 10×10 की श्रृंखला है और आप आराम से मार्गिंग पर निर्भर हैं, तो आप दस ऊर्ध्वाधर और दस क्षैतिज चैनल 2.4mm खाली स्थान जोड़ रहे हैं। एक पैनल में, इससे खोए हुए लेमिनेट की इंच में मात्रा बढ़ जाती है—वह स्थान जिसमें दो या तीन अधिक राजस्व-उत्पादक इकाइयों को होस्ट किया जा सकता था। डिपैनलाइजेशन केवल यांत्रिक प्रतिबंध नहीं है; यह एक वित्तीय लीवर है।

वैकल्पिक V-scoring है। यह प्रक्रिया बोर्ड के ऊपर और नीचे एक खांचे को काटती है, जिससे सामग्री का एक पतला जाल बना रहता है ताकि असेंबली समाप्त होने तक उसे जगह में रखा जा सके। मुख्य बात यह है कि V-scoring में बोर्डों के बीच लगभग शून्य स्थान की आवश्यकता होती है। आप उन्हें सीधे एक के खिलाफ बट कर सकते हैं।

हालांकि, V-scoring एक कठोर उपकरण है। यह पूरी पैनल की लंबाई में सीधे लाइनों को ही काट सकता है; यह आधे में रोक नहीं सकता। यदि आपके बोर्ड में हैंगिंग कनेक्टर, जटिल वक्र, या किनारे पर ओवरहैंगिंग घटक हैं, तो V-scoring भौतिक रूप से असंभव है। आप फिर से राउटर पर मजबूर हो जाएंगे, और 2.4mm टैक्स का भुगतान करना पड़ेगा।

रैलों को न भूलें। असेंबली हाउस—वे लोग जो चिप्स बोर्ड पर लगाते हैं—को पैनल के किनारे 'वेस्ट रैलों' की आवश्यकता होती है ताकि इसे SMT लाइन के माध्यम से ले जाया जा सके। ये रैले सामान्यतः 0.5 इंच (12.7mm) चौड़े होते हैं। इनमें फिड्यूशियल्स (ऑप्टिकल टारगेट्स जो पिक एंड प्लेस कैमरों के लिए होते हैं) और टूलिंग होल होते हैं। आप इस लेमिनेट के लिए भुगतान करते हैं, लेकिन यह कभी भी एक बिकने वाले उत्पाद का हिस्सा नहीं बनेगा। यह एक आवश्यक संरचनात्मक बुराई है।

मिलिमीटर का गणित

एक सामान्य परिदृश्य पर विचार करें जो हर रोज कोटेशन विभागों में होता है। कल्पना कीजिए कि एक ग्राहक एक उपभोक्ता IoT डिवाइस के लिए बोर्ड का अनुरोध करता है। यांत्रिक इंजीनियर, एक विशेष एनक्लोजर सौंदर्यशास्त्र को प्राथमिकता देते हुए, PCB के माप को 98mm x 98mm पर लॉक कर देता है।

फैब फाइलें प्राप्त करता है। वे मानक 18×24 शीट पर हैंडलिंग मार्जिन लागू करते हैं। वे असेंबली के लिए 10mm वेस्ट रैलों का ख्याल रखते हैं। वे 2.4mm राउटर स्पेसिंग को भी ध्यान में रखते हैं क्योंकि बोर्ड की कोनों को गोल किया गया है (एक सौंदर्य परिवर्तन)।

परिणाम? फैब एक कार्यशील पैनल पर बिल्कुल छह बोर्ड फिट कर सकता है। उपयोग खराब है—शायद 55%। बाकी कचरा है।

अभी, ज्यामिति पर नजर डालें। यदि वह बोर्ड 98mm के बजाय 96mm होता—सिर्फ 2mm की कमी—तो CAM इंजीनियर श्रृंखला को घुम सकता है। अचानक, गणित बदल जाता है। वे बोर्डों को अलग तरह से नेस्ट कर सकते हैं। वे उसी पैनल पर आठ बोर्ड फिट कर सकते हैं।

यह लगभग $0.40 प्रति इकाई की कीमत कम करने के साथ ही समान कच्चे सामग्री, तांबे, सोल्डर मास्क, और मशीन टाइम की लागत को आठ से भाग देता है। यह 2mm की कमी 100,000 यूनिट रन पर लगभग 40,000 का शुद्ध लाभ प्राप्त करता है जो FR4 की एक 2mm स्लिवर में निहित है।

इसे क्यों कहा जाता है कि आपको 'जियोमेट्री चेक' करनी चाहिए, उससे पहले यांत्रिक प्रतिबंधों को फ्रीज करने से पहले। मानक कार्य क्षेत्र (16×22) को अपने बोर्ड के आयाम + स्पेसिंग से विभाजित करें। यदि परिणाम गंदा भाड़ाव (उदा., 4.2 बोर्ड प्रति पंक्ति) है, तो आप खतरे के क्षेत्र में हैं। आप पूर्णांक चाहते हैं। आप बिल्कुल 5.0 या 6.0 बोर्ड फिट करना चाहते हैं।

यहां अक्सर सौंदर्यशास्त्र को लेकर विरोध होता है। डिजाइनर बिना आयताकार आकृतियों के शंकु: वृत्त, L-आकार, जटिल रूपरेखा पसंद करते हैं। विनिर्माण दृष्टिकोण से, ये उपयोगिता के दुश्मन हैं। एक L-आकार का बोर्ड एक नकारात्मक स्थान बनाता है जिसे भरना अक्सर असंभव होता है, यहाँ तक कि आक्रामक नेस्टिंग (हर दूसरे बोर्ड को 180 डिग्री घुमाना) के साथ भी। यदि वह असामान्य आकार उत्पाद के कार्य के लिए बिल्कुल महत्वपूर्ण नहीं है, तो उसे वर्ग कर दें। राउटर बिट का पहनाव और बर्बाद सामग्री लागत हैं जो अंतिम उपयोगकर्ता के लिए शून्य मूल्य प्रदान करते हैं।

संरचनात्मक अखंडता और असेंबली जाल

शुद्ध घनत्व के लिए अनुकूलन की सीमा होती है, बिल्कुल शब्दशः। एक पैनल जो बहुत मजबूती से पैक किया गया हो, बहुत अधिक सामग्री हटा दी गई हो, उसकी संरचनात्मक अखंडता खो देता है।

असेंबली प्रक्रिया के दौरान, पैनल एक कन्वेयर पर यात्रा करता है और रिफ्लो ओवन से गुजरता है जहाँ तापमान 250°C पर पहुँचता है। इस गर्मी में, FR4 सामग्री नरम हो जाती है। यदि आपके पास 'माउस बाइट्स' (ब्रेक-अवे टैब) बहुत कमजोर हैं, या यदि आपने अधिक समर्थन सामग्री को मार्गित कर दिया है ताकि एक अतिरिक्त बोर्ड फिट किया जा सके, तो पैनल उखड़ जाएगा।

सबसे खराब मामलों में, ओवन के अंदर पैनल टूट जाता है। यह एक भीषण विफलता है। आप पीसीबी, उस पर लगे महंगे कंपोनेंट्स, और संभवतः असेंबली मशीन को नुकसान पहुंचाते हैं। यह एक क्लासिक “पैसे की बचत, लागत की अनदेखी” स्थिति है। आपने लेमिनेट उपयोग पर 5% की बचत की, लेकिन वॉरप या टूटे पैनल के कारण अपनी असेंबली उपज को 10% तक कम कर दिया।

यहाँ “X-outs” का भी प्रश्न है। उच्च मात्रा के उत्पादन में, यह सांख्यिकीय रूप से संभव है कि बड़े लेमिनेट शीट पर कुछ स्थान दोषपूर्ण होंगे (एचिंग त्रुटियां, मलबा)। यदि आप चाहते हैं कि आपको वितरित प्रत्येक पैनल में 100% अच्छी बोर्डें होनी चाहिए, तो फेब्रिकेशन को पूरे पैनल फेकने पड़ सकते हैं क्योंकि एक यूनिट बारह में से विफल हो जाती है। यह आपके खर्च को बहुत बढ़ा देता है।

यदि आप “X-outs” की अनुमति देते हैं—बुरे बोर्ड को काले मार्कर से चिह्नित करना लेकिन बाकी पैनल को शिप करना—तो फेब्रिकेशन को अच्छा यूनिट बचाने की अनुमति मिलती है। अधिकांश अनुबंध निर्माता X-outs को संभाल सकते हैं; उनकी मशीनें सिर्फ बुरी जगह को छोड़ देती हैं। इसे अपने असेंबली हाउस से पुष्टि करें, लेकिन कभी भी X-outs को मना न करें जब तक कि आप पैसे जलाने का आनंद न लें।

अंतिम जांच

डिजाइन खत्म होने के बाद पैनलाइजेशन के बारे में सीखने का सबसे महंगा समय है। सबसे सस्ता समय अवधारणा चरण के दौरान होता है। जब आप मात्रा तय कर लें, तो फेब्रिकेशन हाउस को कॉल करें। उनसे उनके “मानक कार्यशील पैनल साइज” और उनकी पसंदीदा स्थानांतरण नियम पूछें। अपने CAD सॉफ्टवेयर में डिफ़ॉल्ट पर निर्भर न रहें, और निश्चित रूप से मान लें कि प्रोटोटाइप शॉप की स्पेक्स उत्पादन फ्लोर पर लागू होती हैं।

अपने प्रस्तावित आयाम लें, 2.4mm राउटर गैप (या V-स्कोर के लिए 0mm) जोड़ें, एज रील जोड़ें, और देखें कि कितने 16×22 में फिट होते हैं। यदि उत्तर में बहुत खाली जगह है, तो आयाम बदलें। भौतिकी आपकी डिज़ाइन के लिए समायोजित नहीं होगी; आपकी डिज़ाइन को शीट की भौतिकी के अनुसार समायोजित करना होगा।