A física do lucro: como a matemática de utilização de painéis economiza 20% em custos de PCB

Cada placa de circuito impresso começa sua vida como uma folha padronizada de laminado, geralmente cobre revestido com FR4. Esta é a única verdade fundamental no processo de fabricação que a física não permite que você negocie.

Quando um arquivo de projeto chega à loja de fabricação, a primeira coisa que os engenheiros CAM fazem é tentar encaixar suas dimensões arbitrárias neste canvas fixo. Se sua placa tiver 100mm por 100mm, eles podem encaixar doze unidades em uma folha. Se você a projetou para 98mm por 98mm, podem caber dezesseis. Essa decisão única — muitas vezes feita arbitrarymente por um designer olhando para um vazio CAD vazio em vez de uma fábrica — aumentou o custo por unidade em trinta por cento.

Você está pagando pelo ar. Na indústria, chamamos isso de “recorte” ou “desperdício de web”, mas, funcionalmente, é dinheiro que você pagou e que a fábrica deve então pagar a um serviço de descarte para remover. O modelo de preços para PCBs não é linear baseado na polegada quadrada do produto final; é uma função de degrau com base na quantidade de unidades que sobrevivem ao corte da folha-mãe. O material mais caro em seu produto muitas vezes é o que acaba no lixo atrás da máquina de rebolar.

A Constante Fundamental

O universo da fabricação de eletrônicos gira em torno da folha de laminado de 18 polegadas por 24 polegadas. Enquanto formatos maiores como 21×24 existem, e corridas de volume massivo (pense em 500 mil unidades) podem justificar um tamanho de web personalizado do fornecedor, a folha de 18×24 é o limite rígido para a grande maioria da produção.

Mas você não consegue usar tudo. Aqui é onde a confusão de “área de trabalho” destrói as margens de lucro. Um projetista muitas vezes assume que tem 18 polegadas de largura para brincar. Não tem. A maquinaria de fabricação precisa agarrar as bordas do painel para mergulhá-lo em banhos de galvanoplastia e transportá-lo por linhas de gravação.

Essas “margens de manuseio” geralmente consomem uma polegada completa do perímetro: meia polegada em todos os quatro lados. Isso reduz sua realidade utilizável de 18×24 para uma área de trabalho de 16×22. Se seu design de painel exigir 16,5 polegadas de largura, você acabou de forçar a fábrica a girar a matriz ou reduzir para um tamanho padrão menor e menos eficiente, aumentando instantaneamente a porcentagem de desperdício.

É fundamental distinguir entre “Modo Protótipo” e “Modo Produção” aqui. Uma loja de protótipos pode lhe vender um “preço fixo” para algumas placas e pagar o custo do descarte eles próprios para vencer seu negócio. Eles estão subsidiando sua ineficiência. Quando você passa para volumes de produção de 10 mil ou 50 mil unidades, essa subvenção desaparece. Você é cobrado por cada polegada quadrada da folha-mãe, utilizada ou não.

O Imposto Invisível da Ferramental

Depois de aceitar os limites da folha, você deve considerar o espaço entre as placas. Em uma ferramenta CAD, é fácil colocar duas PCBs a zero milímetros de distância uma da outra. No mundo físico, as ferramentas de corte têm massa e largura.

Se você optar por roteá-las fora do painel — cortando-as fisicamente — deve deixar espaço para a broca do roteador. A largura padrão da broca na maioria das fábricas de Shenzhen ou nacionais é aproximadamente 2,4mm (cerca de 100 mils). Chamamos isso de “kerf”, o caminho de destruição que a ferramenta escava enquanto viaja.

Se você tem uma matriz de 10×10 de pequenas placas de sensores e depende do roteamento, você está introduzindo dez canais verticais e dez horizontais de espaço vazio de 2.4mm. Ao longo de um painel, isso soma polegadas de laminação perdida—espaço que poderia ter hospedado duas ou três unidades adicionais que geram receita. A deslaminação não é apenas uma restrição mecânica; é uma alavanca financeira.

A alternativa é V-scoring. Este processo corta uma ranhura na parte superior e inferior da placa, deixando uma fina web de material para mantê-la no lugar até a montagem ser concluída. Crucialmente, o V-scoring praticamente não requer espaço entre as placas. Você pode encostá-las umas às outras.

No entanto, o V-scoring é uma ferramenta bruta. Ele só consegue cortar linhas retas ao longo de toda a largura da placa; não consegue parar no meio do caminho. Se sua placa tem conectores pendurados, curvas complexas ou componentes que sobresobrem a borda, o V-scoring é fisicamente impossível. Você é forçado a usar o roteador novamente, e a pagar o imposto de 2.4mm.

Não se esqueça dos trilhos. A empresa de montagem—as pessoas que colocam os chips na placa—precisa de “trilhos de desperdício” na borda do painel para transportá-lo pela linha de SMT. Esses trilhos geralmente têm 0.5 polegadas (12.7mm) de largura. Eles contêm os fiduciais (alvos ópticos para as câmeras de colocação) e furos de ferramental. Você paga por essa laminação, mas ela nunca fará parte de um produto vendido. É um mal necessário estrutural.

A Matemática do Milímetro

Considere um cenário generalizado que ocorre nos departamentos de cotação todos os dias. Imagine que um cliente solicita uma placa para um dispositivo IoT de consumo. O engenheiro mecânico, priorizando uma estética específica para o invólucro, fixa as dimensões da PCB em 98mm por 98mm.

A fábrica recebe os arquivos. Eles aplicam as margens de manuseio ao padrão de folha 18×24. Eles levam em conta os 10mm dos trilhos de desperdício para montagem. Eles consideram o espaçamento de 2.4mm do roteador porque a placa tem cantos arredondados (uma escolha estética).

O resultado? A fábrica consegue encaixar exatamente seis placas em um painel de trabalho. A taxa de utilização é pobre—talvez 55%. O resto é lixo.

Agora, olhe para a geometria. Se essa placa fosse 96mm em vez de 98mm—uma redução de apenas 2mm—o engenheiro de CAM poderia rotacionar a matriz. De repente, as contas mudam. Eles podem aninhar as placas de forma diferente. Podem encaixar oito placas nesse mesmo painel.

Isso representa um aumento de 33% na eficiência a partir da mesma folha de matéria-prima. O custo da laminação, do cobre, da máscara de solda e do tempo da máquina é efetivamente dividido por oito em vez de seis. Essa redução de 2mm diminui o preço unitário em aproximadamente $0.40. Em uma produção de 100.000 unidades, isso equivale a $40.000 de lucro puro encontrado em uma lasca de 2mm de FR4.

Por isso, você deve realizar a 'Verificação de Geometria' antes de congelar as restrições mecânicas. Pegue a área de trabalho padrão (16×22) e divida pelos tamanhos da sua placa + espaço. Se o resultado for uma fração difícil (por exemplo, 4.2 placas por linha), você está na zona de perigo. Você quer números inteiros. Você quer encaixar exatamente 5.0 ou 6.0 placas.

Costuma haver resistência aqui em relação à estética. Os designers adoram formas não-retangulares: círculos, formas em L, contornos complexos. Do ponto de vista da fabricação, esses são os inimigos da utilização. Uma placa em forma de L cria um espaço negativo que muitas vezes é impossível de preencher, mesmo com aninhamento agressivo (girando cada outra placa 180 graus). A menos que essa forma peculiar seja absolutamente crítica para a função do produto, deixe em quadrado. O desgaste da broca do roteador e o material de descarte são custos que não oferecem qualquer valor ao usuário final.

Integridade Estrutural & A Armadilha da Montagem

Otimizar para densidade pura tem um ponto de ruptura, literalmente. Um painel que é compactado demais, com material removido em excesso, perde sua integridade estrutural.

Durante o processo de montagem, o painel percorre uma esteira transportadora através de um forno de refluxo onde as temperaturas atingem 250°C. Com esse calor, o material FR4 amolece. Se você tiver “mordidas de rato” (abas de separação) que sejam muito fracas, ou se você tiver removido material de suporte demais para encaixar uma placa adicional, o painel irá ceder.

Nos piores casos, o painel se quebra dentro do forno. Essa é uma falha catastrófica. Você perde as PCBs, os componentes caros montados nelas e potencialmente danifica a máquina de montagem. É uma situação clássica de 'em casa de ferreiro, espeto de pau'. Você economizou 5% na utilização de laminado, mas reduziu sua produtividade de montagem em 10% devido a painéis ondulados ou quebrados.

Também há a questão dos "X-outs". Em uma produção de alto volume, é estatisticamente provável que alguns pontos em uma grande chapa de laminado apresentem defeitos (erros de gravação, detritos). Se você exigir que cada painel entregue a você tenha 100% de boas placas, o fabricante terá que descartar painéis inteiros só porque uma unidade de doze falhou. Isso aumenta seus custos drasticamente.

Se você permitir "X-outs" — marcar a placa ruim com uma caneta preta, mas enviar o resto do painel — permite que o fabricante economize as unidades boas. A maioria dos fabricantes de contratos consegue lidar com X-outs; suas máquinas simplesmente pulam o ponto ruim. Confirme isso com sua fábrica de montagem, mas nunca proíba X-outs, a menos que goste de queimar dinheiro.

A Verificação Final

O momento mais caro para aprender sobre painéis é após a conclusão do projeto. O momento mais barato é durante a fase de conceito. Antes de definir uma dimensão, ligue para a fábrica. Pergunte sobre o "tamanho padrão do painel de trabalho" e suas regras de espaçamento preferidas. Não confie nos padrões do seu software CAD e, com certeza, não assuma que as especificações da loja de protótipos se aplicam à produção em massa.

Pegue suas dimensões propostas, adicione a folga de 2,4mm do cortador (ou 0mm para V-score), adicione as barras de borda e veja quantas cabem em 16×22. Se a resposta envolver muito espaço vazio, altere a dimensão. A física não se ajustará para atender ao seu projeto; seu projeto deve se ajustar às leis da física da chapa.