이익의 물리학: 패널 활용도 수학이 PCB 비용을 어떻게 절감하는가

모든 인쇄 회로 기판은 표준화된 라미네이트 시트(보통 구리 가도 FR4)로 시작합니다. 이것이 제조 공정에서 물리학이 협상할 수 없는 유일한 근본적인 진실입니다.

디자인 파일이 제작소에 도착하면, CAM 엔지니어들이 하는 첫 번째 일은 임의의 치수를 고정된 캔버스에 맞추려고 시도하는 것입니다. 만약 보드가 100mm x 100mm이면, 시트에 열두 개 유닛을 넣을 수 있습니다. 만약 98mm x 98mm로 설계하면, 십육 개를 넣을 수 있죠. 이 한 결정—종종 공장 바닥보다는 빈 CAD 공간을 응시하며 임의로 내리는 결정—이 바로 단가를 30% 증가시켰습니다.

당신은 공기값을 지불하고 있습니다. 업계에서는 이것을 “오프컷” 또는 “웹 폐기”라고 부르지만, 기능적으로는 그것이 바로 당신이 지불한 돈이며, 제작사는 그것을 처리 서비스에 보내야 합니다. PCB 가격 모델은 최종 보드의 제곱 인치 수에 비례하는 선형이 아니며, 마스터 시트에서 얼마나 많은 유닛이 살아남았는지에 따른 단계적 함수입니다. 제품에서 가장 비싼 재료는 종종 라우팅 기계 뒤의 쓰레기통에 버려지는 재료입니다.

기본 상수

전자의 우주는 18인치 x 24인치 라미네이트 시트입니다. 21×24와 같은 더 큰 포맷도 존재하고, 대량 생산(50만 유닛 등)은 공급업체의 맞춤형 웹 크기를 정당화할 수 있지만, 18×24 시트는 대부분의 생산에 있어서 엄격한 한계입니다.

하지만 모두 사용할 수는 없습니다. 이것이 “작업 영역” 혼란이 이익률을 파괴하는 이유입니다. 디자이너는 종종 18인치 너비를 활용할 수 있다고 가정하지만, 실제로는 그렇지 않습니다. 제작 기계는 패널의 가장자리를 잡아 도금 욕조에 담그고 식각 라인을 통과시켜야 하기 때문입니다.

이러한 “취급 여유”는 일반적으로 주변 전체에 한 인치, 즉 네쪽에 각각 반 인치를 차지합니다. 이로 인해 사용할 수 있는 영역이 18×24에서 16×22 작업 영역으로 축소됩니다. 만약 패널 설계가 16.5인치 너비를 필요로 한다면, 제작사가 배열을 회전시키거나 덜 효율적인 표준 크기로 줄이도록 강제하는 것이며, 이는 즉시 폐기율을 치솟게 만듭니다.

여기서 “프로토타입 모드”와 “생산 모드”를 구별하는 것이 매우 중요합니다. 프로토타입 공장은 몇 개의 보드에 대해 “고정 가격”을 판매하고, 폐기 비용을 자체 부담하면서 고객을 유치할 수도 있습니다. 그들은 당신의 비효율성을 보조하는 것이죠. 10k 또는 50k 유닛의 대량 생산으로 넘어가면, 그 보조금은 사라집니다. 모든 유닛이 활용되었든 아니든, 마스터 시트의 제곱 인치당 비용이 부과됩니다.

도구의 보이지 않는 세금

시트의 경계를 수용한 후에는 보드 사이의 공간도 고려해야 합니다. CAD 도구에서는 두 PCB를 0밀리미터 거리로 배치하는 것이 쉽지만, 실제 세계에서는 절단 도구의 질량과 폭이 있습니다.

패널에서 보드를 라우팅하여 분리하기로 결정한다면—즉, 물리적으로 절단하는 경우—라우터 비트의 공간을 남겨야 합니다. 대부분의 선전 또는 국내 제작소에서 표준 비트 너비는 대략 2.4mm(약 100밀리미터)입니다. 이를 ‘커프(kerf)’라고 부르며, 도구가 이동하면서 파내는 파괴 경로를 의미합니다.

10×10 배열의 작은 센서 보드가 있고 라우팅을 신뢰한다면 2.4mm의 빈 공간을 가지는 수평 및 수직 채널 열 개를 도입하는 것입니다. 패널 전체에 걸쳐, 이것은 몇 인치의 손실된 라미네이트—두세 개의 수익 창출 유닛을 수용할 수 있었던 공간—에 해당합니다. 디패널라이제이션은 단순히 기계적 제약이 아니라 금융적 수단입니다.

대안은 V-스크루입니다. 이 공정은 보드의 상단과 하단에 홈을 파서 조립이 끝날 때까지 그것을 제자리에 유지하는 얇은 웹 소재를 남깁니다. 핵심적으로, V-스크루는 보드 사이의 공간이 거의 필요하지 않습니다. 바로 밀착시킬 수 있습니다.

그러나, V-스크루는 무딘 도구입니다. 그것은 패널 전체 길이의 직선만 자를 수 있으며, 중간에 멈출 수 없습니다. 만약 보드에 행잉 커넥터, 복잡한 곡선 또는 가장자리를 넘는 부품이 있다면, V-스크루는 물리적으로 불가능합니다. 당신은 다시 라우터로 돌아가야 하고, 2.4mm 텍스를 내야 합니다.

레일을 잊지 마십시오. 조립 업체는 칩을 보드에 부착하는 곳으로, 패널의 가장자리에 '폐기 레일'이 필요합니다. 이 레일은 일반적으로 0.5인치(12.7mm) 폭입니다. 이들은 피득자(픽앤플레이스 카메라용 광학 타겟)와 공구 구멍을 포함하며, 이 라미네이트에 대한 비용을 지불하지만 판매된 제품의 일부가 되지 않습니다. 이것은 필수적인 구조적 악입니다.

밀리미터의 수학

일일 견적 부서에서 발생하는 일반적인 시나리오를 생각해 보십시오. 고객이 소비자 IoT 기기를 위한 보드를 요청한다고 상상해 보세요. 기계 엔지니어는 특정 인클로저 미학을 우선시하여 PCB 치수를 98mm x 98mm로 잠급니다.

제조사는 파일을 받습니다. 그들은 표준 18×24 시트에 처리 여유를 적용합니다. 조립을 위해 10mm 폐기 레일을 고려합니다. 보드의 둥근 모서리(미학적 선택) 때문에 2.4mm 라우터 간격도 고려합니다.

결과는? 제조사는 작업 패널에 딱 6개의 보드를 넣을 수 있습니다. 활용률은 낮아—아마 55%. 나머지는 쓰레기입니다.

이제 기하학적 구조를 봅시다. 만약 그 보드가 98mm 대신 96mm였다면—단지 2mm의 감소—CAM 엔지니어는 배열을 회전시킬 수 있습니다. 갑자기, 계산이 변화합니다. 그들은 보드를 다르게 배치할 수 있고. 같은 패널에 8개의 보드를 맞출 수 있습니다.

이는 동일한 원자재 시트에서 수율이 33% 증가한 것입니다. 라미네이트, 구리, 솔더 마스크, 머신 시간의 비용이 사실상 6으로 나누어집니다. 그 2mm 감소로 단가가 대략 $0.40 낮아집니다. 100,000개 생산 시, 그 차이는 순수 이익 $40,000을 FR4 2mm 조각에서 발견하는 셈입니다.

이것이 기계적 제약을 잠그기 전에 '기하학 점검'을 수행해야 하는 이유입니다. 표준 작업 영역(16×22)을 가져와 보드 치수 + 간격으로 나누세요. 그 결과가 지저분한 분수(예: 4.2개 보드/행)라면 위험 구역입니다. 정수 값을 원합니다. 딱 5.0이나 6.0개 보드에 맞추고 싶습니다.

이곳에서 종종 미학에 관한 반발이 있습니다. 디자이너들은 비직사각형 모양을 좋아합니다: 원, L자, 복잡한 윤곽. 제조 관점에서, 이것들은 활용의 적에 적입니다. L자형 보드는 종종 채우기 힘든 음영 공간을 만들어내며, 심지어 매니악하게 배치(모든 다른 보드를 180도 돌리기) 해도 채우기 어렵습니다. 그 이상형 모양이 제품의 기능상 절대적으로 중요한 경우를 제외하고는, 정사각형으로 만드세요. 라우터 비트 마모와 폐기 소재는 최종 사용자에게 무가치한 비용입니다.

구조적 무결성 & 조립 함정

순수 밀도를 최적화하는 것에는 한계가 있습니다, 문자 그대로. 너무 조밀하게 채우거나, 너무 많은 소재를 제거한 판은 구조적 무결성을 잃게 됩니다.

조립 과정 중에 패널은 컨베이어를 따라 리플로우 오븐으로 이동하며 온도는 250°C에 도달합니다. 이 열에서 FR4 재료는 부드러워집니다. 만약 “마우스 바이트”(깨짐 탭)가 너무 약하거나, 하나의 보드를 끼우기 위해 지원 재료를 너무 많이 제거했다면, 패널은 처질 수 있습니다.

최악의 경우에는 오븐 내부에서 패널이 끊어집니다. 이것은 치명적인 실패입니다. PCB와 그 위에 장착된 비싼 부품들을 잃게 되며, 조립 기계에 손상을 줄 수도 있습니다. 이는 전통적인 '가치 절약, 비용 낭비' 상황입니다. 라미네이트 사용량을 5% 절약했지만, 휜 또는 끊어진 패널로 인해 조립 수율이 10% 낮아졌습니다.

또한 'X-out'에 대한 문제도 있습니다. 대량 생산 시, 큰 라미네이트 시트의 일부 부위에 결함(에칭 오류, 이물질)이 생기는 것이 통계적으로 확률이 높습니다. 모든 단일 패널이 100%의 양품 보드를 가져야 한다고 요구한다면, 공장은 12개 중 1개가 실패했다고 해서 전체 패널을 버려야 합니다. 이는 비용을 크게 증가시킵니다.

'X-out'을 허용한다면 — 결함이 있는 보드를 검은 마커로 표시하고 나머지 패널을 배송하는 것 — 공장이 양품 유닛을 절약할 수 있습니다. 대부분의 계약 제조업체는 X-out을 처리할 수 있으며, 그들의 기계는 단순히 결함 부위를 건너뜁니다. 이것이 가능하다는 것을 조립 업체에 확인하세요, 하지만 비용을 태우는 것을 즐기지 않는 한 X-out을 금지하지 마세요.

최종 점검

패널화에 대해 배우기 가장 비싼 시기는 설계가 끝난 후입니다. 가장 저렴한 시기는 컨셉 단계입니다. 치수 결정 전에, 제작 업체에 전화하세요. 그들의 '표준 작업 패널 크기'와 선호하는 간격 규칙을 물어보세요. CAD 소프트웨어의 기본값에 의존하지 말고, 프로토타입 작업장의 사양이 생산 현장에 적용된다고 가정하지 마세요.

제안한 치수에 2.4mm 라우터 간격(또는 V-스코어의 경우 0mm), 가장자리 레일을 더하고 16×22에 몇 개가 들어가는지 확인하세요. 만약 빈 공간이 많다면 치수를 변경하세요. 물리학은 설계에 맞춰 조정되지 않으며, 설계는 시트의 물리학에 맞춰 조정되어야 합니다.