Физика прибыли: как математика использования панелей помогает сэкономить % на стоимости печатных плат

Каждая печатная плата начинается как стандартный лист ламинированных материалов, обычно медь-обладанный FR4. Это единственная фундаментальная истина в производственном процессе, которую физика не допускает обсуждать.

Когда файл проекта поступает в производственный дом, первое, что делают инженеры CAM, — пытаются разместить ваши произвольные размеры на этом фиксированном холсте. Если ваша плата 100 мм на 100 мм, они могут разместить двенадцать элементов на листе. Если вы рассчитали 98 мм на 98 мм, — могут разместить шестнадцать. Это единственное решение — зачастую принятое произвольно дизайнером, глядящим в пустой CAD-пространство, а не на производственный участок — сразу увеличило себестоимость единицы продукции на тридцать процентов.

Вы платите за воздух. В отрасли это называют «остатки» или «отходы сети», но по сути это деньги, которые вы заплатили, а производитель должен заплатить службе утилизации для вывоза. Модель ценообразования для PCB не является линейной по площади конечной платы; она представляет собой ступенчатую функцию в зависимости от количества единиц, переживших резку с мастер-листа. Самый дорогой материал в вашем продукте часто — то, что попадает в мусорное ведро за маршрутизирующей машиной.

Фундаментальная Константа

Вселенная производства электроники вращается вокруг листа ламинированных материалов размером 18 на 24 дюйма. Хотя существуют более крупные форматы, такие как 21×24, и крупномасштабные серии (например, 500 тысяч единиц), которые могут оправдать изготовление индивидуального размера сети у поставщика, лист размером 18×24 остается жестким ограничением для подавляющего большинства производства.

Но вы не можете использовать его полностью. Именно здесь путаница с «рабочей областью» разрушает маржу прибыли. Человек, проектирующий, часто предполагает, что у него есть 18 дюймов ширины для работы. На самом деле — нет. Машина для производства должна захватывать края панели, чтобы погрузить её в ванны для гальваники и транспортировать через линии травления.

Эти «защитные границы» обычно занимают целый дюйм периметра: полдюйма по всем четырём сторонам. Это сокращает вашу доступную рабочую область с 18×24 до 16×22. Если ваш дизайн требует ширину 16.5 дюймов, вы вынуждены повернуть массив или снизить его до меньшего, менее эффективного стандартного размера, что мгновенно увеличит процент отходов.

Здесь критически важно различать «Режим прототипа» и «Режим производства». Мастерская прототипов может предложить вам «фиксированную цену» за несколько плат, покрывая стоимость отходов сама для привлечения клиента. Они субсидируют вашу неэффективность. Когда объем увеличивается до 10k или 50k единиц, эта субсидия исчезает. Вам выставляют счет за каждый квадратный дюйм мастер-листа, использованный или нет.

Невидимый налог на инструменты

После определения границ листа вы должны учитывать пространство между платами. В CAD-инструменте легко разместить две PCB на расстоянии ноль миллиметров. В реальном мире инструменты для резки имеют массу и ширину.

Если вы выбираете маршрутизировать платы из панели — физически отрезать их, — необходимо оставить место для биты маршрутизатора. Стандартная ширина биты в большинстве фабрик в Шеньчжэне или внутри страны примерно 2.4 мм (около 100 тысячных дюйма). Мы называем это «кровью» (kerf), путём разрушения, который инструмент вырезает при движении.

Если у вас есть массив из 10×10 маленьких плат и вы полагаетесь на маршрутизацию, вы вводите десять вертикальных и десять горизонтальных каналов пустого пространства размером 2.4 мм. По всей панели это приводит к потере дюймов ламинированного материала — пространства, вмещающего бы два или три дополнительных прибора, приносящих доход. Демонтаж — это не только механическое ограничение, но и финансовый рычаг.

Альтернатива — V-гравировка. Этот процесс вырезает желоб на верхней и нижней стороне платы, оставляя тонкую полосу материала, чтобы удерживать ее на месте до завершения сборки. Важно, что V-гравировка требует практически нулевого пространства между платами. Их можно стыковать вплотную друг к другу.

Однако V-гравировка — это грубый инструмент. Он может резать только прямые линии по всей длине панели; он не может остановиться посередине. Если на вашей плате есть торчащие разъемы, сложные кривизны или компоненты, выступающие за край, V-гравировка физически невозможна. Вам придется вернуться к маршрутизатору, и вы заплатите налог за 2.4 мм.

Не забывайте о направляющих. Монтажная компания — те, кто устанавливает чипы на плату — нуждаются в «отходных направляющих» у края панели для транспортировки ее через линию SMT. Обычно эти направляющие шириной 0.5 дюймов (12.7 мм). Они содержат опорные метки (оптические цели для камер ориентирования) и отверстия для инструмента. Вы платите за этот ламинированный материал, но он никогда не будет частью продаваемого продукта. Это необходимое структурное зло.

Математика миллиметра

Рассмотрим обобщенную ситуацию, которая происходит в отделах расчета каждый день. Представьте клиента, запрашивающего плату для потребительского IoT-устройства. Механический инженер, приоритет которого — эстетика корпуса, фиксирует размеры PCB на 98 мм на 98 мм.

Фабрика получает файлы. Они добавляют допуски обработки к стандартному листу 18×24 дюйма. Они учитывают 10 мм отходных направляющих для сборки. Они предусматривают зазор 2.4 мм для маршрутизатора, потому что плата имеет скругленные углы (эстетический выбор).

Результат? Фабрика может разместить ровно шесть плат на рабочей панели. Использование немного — около 55%. Остальное — мусор.

Теперь посмотрите на геометрию. Если бы эта плата была 96 мм вместо 98 мм — это уменьшение всего на 2 мм — инженер CAM мог бы повернуть массив. Вдруг математика меняется. Они могут расположить платы по-другому. Они могут разместить восемь плат на той же панели.

Это увеличение урожайности на 33% при использовании точно того же листа сырья. Стоимость ламинированного материала, меди, маски для пайки и времени работы машин фактически делится на восемь, а не на шесть. Это уменьшение на 2 мм снижает цену за единицу примерно на $0.40. При выпуске 100 000 единиц это $40 000 чистой прибыли, полученной из 2-миллиметрового среза FR4.

Вот почему вы должны выполнить «Проверку геометрии» перед закреплением механических ограничений. Возьмите стандартную рабочую зону (16×22) и разделите ее на размеры вашей платы + зазоры. Если результат — грязная дробь (например, 4.2 платы на ряд), вы в опасной зоне. Вам нужны целые числа. Вы хотите точно разместить 5.0 или 6.0 плат.

Здесь часто возникает сопротивление по поводу эстетики. Дизайнеры любят не-прямоугольные формы: окружности, L-образные, сложные контуры. С точки зрения производства, это враги использования. L-образная плата создает отрицательное пространство, которое часто невозможно заполнить, даже при агрессивной селекции (переворот каждой второй платы на 180 градусов). Если эта необычная форма не критична для функции продукта, сделайте ее квадратной. Износ фрезы маршрутизатора и отходной материал — это издержки, не приносящие ценности конечному пользователю.

Структурная целостность & Ловушка сборки

Оптимизация для чистой плотности имеет предел, весьма буквально. Панель, набитая слишком плотно и с удалением слишком большого количества материала, теряет свою структурную целостность.

Во время процесса сборки панель проходит по конвейеру через печь с температурой до 250°C. При этой температуре материал FR4 размягчается. Если у вас есть «мышиные укусы» (разрывные вкладки), слишком слабые или если вы вырезали слишком много поддерживающего материала, чтобы поставить еще одну плату, панель прогнется.

В худших случаях панель ломается внутри печи. Это катастрофическая поломка. Вы теряете печатные платы, дорогие компоненты, установленные на них, и потенциально повреждаете сборочную машину. Это классическая ситуация «копейка счета, рубль расхода». Вы сэкономили 5% по использованию ламинирования, но снизили выход готовых изделий на 10% из-за искажённых или сломанных панелей.

Также есть вопрос о «X-выбросах». В массовом производстве статистически вероятно, что некоторые участки на большой ламинированной плате будут иметь дефекты (ошибки травления, мусор). Если вы требуете, чтобы каждая плата, доставленная вам, имела 100% хороших плат, завод должен выбрасывать целые панели просто потому, что один из двенадцати элементов не прошёл проверку. Это существенно увеличивает ваши издержки.

Если вы допускаете «X-выбросы» — отметкой плохой платы черным маркером, но отправкой остальной части панели — вы позволяете фабрике сохранять хорошие единицы. Большинство контрактных производителей могут обходиться без проблем с X-выбросами; их машины просто пропускают плохое место. Проверьте это у вашего сборочного предприятия, но никогда не запрещайте X-выбросы, если вы не хотите сжечь деньги.

Последняя проверка

Самое дорогое время узнавать о панелизации — после завершения проектирования. Самое дешевое время — во время этапа концепции. Прежде чем зафиксировать размеры, свяжитесь с производственной компанией. Спросите их о «стандартных размерах рабочих панелей» и их предпочтительных правилах расположения. Не полагайтесь на стандартные настройки вашего CAD-программного обеспечения и, безусловно, не предполагайте, что спецификации прототипной мастерской применимы к производственной линии.

Возьмите предлагаемые размеры, добавьте зазор для фрезеровки 2.4 мм (или 0 мм для V-образного реза), добавьте ребра по краям и посмотрите, сколько поместится в 16×22. Если ответ включает много пустого пространства, измените размеры. Физика не адаптируется под ваш дизайн; ваш дизайн должен адаптироваться к физике листа.