ฟิสิกส์ของกำไร: วิธีคณิตศาสตร์การใช้พาเนลช่วยประหยัด 20% ในค่าใช้จ่าย PCB

บอร์ดวงจรพิมพ์ทุกแผ่นเริ่มต้นชีวิตด้วยแผ่น laminate มาตรฐาน โดยปกติจะเป็นทองแดงคลุมด้วย FR4 นี่คือความจริงพื้นฐานเดียวในกระบวนการผลิตที่ฟิสิกส์ไม่อนุญาตให้คุณต่อรอง

เมื่อไฟล์ดีไซน์มาถึงโรงงานผลิต สิ่งแรกที่วิศวกร CAM ทำคือการพยายามใส่มิติอันเป็นนามธรรมของคุณลงบนผ้าผืนนี้ หากบอร์ดของคุณมีขนาด 100mm คูณ 100mm พวกเขาอาจวางจำนวน 12 หน่วยบนแผ่น หากคุณออกแบบให้มีขนาด 98mm คูณ 98mm พวกเขาอาจวางได้ถึง 16 หน่วย การตัดสินใจเพียงอย่างเดียวนี้—ซึ่งมักทำโดยนักออกแบบที่จ้องมองไปที่ว่างเปล่าใน CAD มากกว่าจะเป็นพื้นโรงงาน—เพียงแค่ทำให้ต้นทุนต่อหน่วยเพิ่มขึ้นร้อยละ 30

คุณกำลังจ่ายเพื่ออากาศ ในอุตสาหกรรม เราเรียกมันว่า “ส่วนเกิน” หรือ “ขยะบนเว็บ” แต่ในทางปฏิบัติ มันคือเงินที่คุณจ่ายไปสำหรับสิ่งนั้น ซึ่งโรงงานต้องจ่ายให้บริการกำจัดเพื่อขนส่งไป การกำหนดราคาสำหรับ PCBs ไม่ใช่เชิงเส้นตามนิ้วตารางของบอร์ดสุดท้าย แต่มันเป็นฟังก์ชันก้าวตามจำนวนหน่วยที่รอดจากการตัดจากแผ่นแม่แบบ วัสดุที่แพงที่สุดในผลิตภัณฑ์ของคุณมักเป็นสิ่งที่ลงเอยในถังขยะหลังเครื่องตัดเส้นทาง

ค่าคงที่พื้นฐาน

จักรวาลของการผลิตอิเล็กทรอนิกส์หมุนรอบแผ่น laminate ขนาด 18×24 นิ้ว ในขณะที่มีรูปแบบที่ใหญ่กว่าเช่น 21×24 และการผลิตจำนวนมาก (คิดเป็น 500,000 หน่วย) อาจสมควรมีขนาดเว็บที่ปรับแต่งจากซัพพลายเออร์ แผ่น 18×24 เป็นเพดานที่แน่นอนสำหรับการผลิตส่วนใหญ่

แต่คุณไม่ได้ใช้งานทั้งหมด นี่คือจุดที่ความสับสนเรื่อง “พื้นที่ทำงาน” ทำลายกำไร คิดว่านักออกแบบมักสมมุติว่ามีความกว้าง 18 นิ้วให้เล่น ซึ่งไม่เป็นความจริง เครื่องจักรสำหรับการผลิตต้องจับขอบของแผ่นเพื่อจุ่มลงในบ่อน้ำเคลือบและขนส่งผ่านสายการกัดกร่อน

“รัน margin” เหล่านี้มักใช้พื้นที่หนึ่งนิ้วเต็มบนเส้นรอบวง: ครึ่งนิ้วด้านทุกด้าน สิ่งนี้ทำให้พื้นที่ใช้งานลดลงเหลือ 16×22 หากดีไซน์ของคุณต้องการความกว้าง 16.5 นิ้ว คุณได้บังคับให้โรงงานหมุนแผนหรือหยุดใช้ขนาดมาตรฐานที่เล็กลง ซึ่งจะทำให้เปอร์เซ็นต์ของเสียเพิ่มทันที

เป็นสิ่งสำคัญที่จะแยกระหว่าง “โหมดต้นแบบ” และ “โหมดการผลิต” ที่นี่ ร้านต้นแบบอาจขายราคาคงที่สำหรับบอร์ดไม่กี่แผ่นและรับผิดชอบค่าเสียหายเองเพื่อชนะธุรกิจของคุณ พวกเขากำลังสนับสนุนความไม่มีประสิทธิภาพของคุณ เมื่อคุณไปสู่ปริมาณการผลิต 10,000 หรือ 50,000 หน่วย การสนับสนุนนี้จะหายไป คุณจะถูกเรียกเก็บเงินสำหรับพื้นที่ทุกตารางนิ้วของแผ่นแม่แบบ ไม่ว่าจะใช้งานหรือไม่

ภาษีที่มองไม่เห็นของเครื่องมือ

เมื่อคุณยอมรับขอบเขตของแผ่นแล้ว คุณจะต้องคำนึงถึงพื้นที่ระหว่างบอร์ด ในเครื่องมือ CAD มันง่ายที่จะวาง PCB สองแผ่นห่างกันศูนย์มิลลิเมตร ในโลกจริง เครื่องมือกัดมีมวลและความกว้าง

ถ้าคุณเลือกตัดบอร์ดของคุณออกจากแผ่น—โดยการตัดออกจากกันจริง ๆ—you ต้องเหลือช่องว่างสำหรับดอกกัดของเครื่องกัด มาตรฐานความกว้างของดอกกัดในโรงงานในเซินเจิ้นหรือโรงงานในประเทศประมาณ 2.4 มม. (ประมาณ 100 mils) เรียกสิ่งนี้ว่า “kerf,” เส้นทางทำลายลำแสงของเครื่องมือที่วาดออกเป็นทางเดิน

ถ้าคุณมีแถวเซ็นเซอร์ขนาด 10×10 และพึ่งพาการวางสายวงจร คุณกำลังแนะนำช่องว่างแนวตั้งและแนวนอนสิบช่อง แต่ละช่องว่าง 2.4mm ในแผงเดียว ซึ่งรวมเป็นนิ้วของแผ่นลามินาเทที่สูญเสีย—พื้นที่ที่อาจเป็นที่ติดตั้งของหน่วยรายได้เพิ่มเติมอีกสองหรือสามหน่วย การแยกแผงออกไม่ใช่แค่ข้อจำกัดเชิงกล แต่เป็นกลไกทางการเงิน

ทางเลือกคือ V-scoring กระบวนการนี้จะตัดร่องบนและล่างของบอร์ด ให้เส้นใยบางๆ ของวัสดุไว้เพื่อรองรับในตำแหน่งจนกว่าจะประกอบเสร็จ สิ่งสำคัญคือ V-scoring ต้องการช่องว่างระหว่างบอร์ดแทบเป็นศูนย์ คุณสามารถประกบกันได้สนิทสนม

อย่างไรก็ตาม V-scoring เป็นเครื่องมือที่หยาบ มันสามารถตัดเส้นตรงตลอดความยาวของแผงเท่านั้น ไม่สามารถหยุดกลางคันได้ หากบอร์ดของคุณมีคอนเนคเตอร์แขวน เรเบี้ยนโค้งซับซ้อน หรือส่วนประกอบที่แขวนอยู่เกินขอบ V-scoring เป็นไปไม่ได้ทางกายภาพ คุณจะถูกบังคับกลับไปใช้เครื่องตัดราง และต้องจ่ายค่าภาษี 2.4mm

อย่าลืมรางกัน แผงประกอบ—กลุ่มคนที่นำชิปขึ้นบอร์ด—ต้องใช้ "รางเสีย" ที่ขอบของแผงเพื่อขนส่งผ่านสาย SMT รางเหล่านี้โดยปกติจะกว้าง 0.5 นิ้ว (12.7mm) ซึ่งมีจุดอ้างอิง (เป้าหมายแสงสำหรับกล้องจับและวาง) และรูอุปกรณ์ คุณจ่ายเงินสำหรับแผ่นลามินาเทนี้ แต่ไม่เคยเป็นส่วนหนึ่งของผลิตภัณฑ์ที่ขาย มันเป็นความชั่วร้ายเชิงโครงสร้างที่จำเป็น

คณิตศาสตร์ของมิลลิเมตร

พิจารณาสถานการณ์ทั่วไปที่เกิดขึ้นในฝ่ายเสนอราคาทุกวัน ลองนึกภาพว่าลูกค้าขอแผงสำหรับอุปกรณ์ IoT สำหรับผู้บริโภค นักวิศวกรรมกลไกที่ให้ความสำคัญกับรูปทรงของเคสเฉพาะ จะล็อกขนาด PCB ที่ 98mm x 98mm

โรงงานรับไฟล์แล้ว พวกเขาใช้ขอบเขตการจัดการกับแผ่น 18×24 มิลลิเมตร คำนวณค่าใช้จ่ายสำหรับรางเสีย 10mm สำหรับการประกอบ คำนวณช่องว่าง 2.4mm สำหรับร่องรางเพราะบอร์ดมีมุมโค้ง (ทางเลือกด้านความงาม)

ผลลัพธ์? โรงงานสามารถวางบอร์ดได้exactly หกแผงในแต่ละแผงทำงาน การใช้งานไม่ดี—อาจเป็น 55% ส่วนที่เหลือเป็นขยะ

ตอนนี้ดูจากเรขาคณิต ถ้าบอร์ดนั้นมีขนาด 96mm แทน 98mm—ลดลงเพียง 2mm—วิศวกร CAM ก็สามารถหมุนแถวได้ ทันใดนั้น คณิตศาสตร์ก็เปลี่ยนไป พวกเขาสามารถจัดวางบอร์ดต่างกันได้ พวกเขาสามารถวางบอร์ดแปดชิ้นบนแผงเดียวกันได้

นั่นคือการเพิ่มผลผลิต 33% จากแผ่นวัสดุเปล่าเดียวกัน ต้นทุนของแผ่นลามินาเท ทองแดง เคลือบบัดกรี และเวลาเครื่องจักรถูกแบ่งออกเป็นแปดส่วนแทนที่จะเป็นหก ลดลง 2mm ทำให้ราคาต่อหน่วยลดลงประมาณ $0.40 สำหรับการผลิต 100,000 ชิ้น นั่นคือกำไรบริสุทธิ์ $40,000 ที่พบในเศษ FR4 ขนาด 2mm

นี่คือเหตุผลที่คุณต้องทำการ "ตรวจสอบเรขาคณิต" ก่อนที่จะหยุดนิ่งข้อจำกัดเชิงกล ใช้พื้นที่ทำงานมาตรฐาน (16×22) แล้วหารด้วยขนาดบอร์ดของคุณ + ระยะห่าง หากผลลัพธ์เป็นเศษครึ่งอำเภอ (เช่น 4.2 บอร์ดต่อแถว) คุณอาจอยู่ในเขตอันตราย คุณต้องการจำนวนเต็ม คุณต้องสามารถวางบอร์ดได้ exactly 5.0 หรือ 6.0 ชิ้น

โดยทั่วไปมักมีการต่อต้านในเรื่องของความงาม นักออกแบบชื่นชอบรูปทรงที่ไม่ใช่วงรี: วงกลม รูปตัว L เส้นโค้งซับซ้อน ในแง่ของการผลิต บอร์ดรูปตัว L สร้างพื้นที่เชิงลบซึ่งมักเป็นไปไม่ได้ที่จะเติมเต็ม แม้ด้วยการจัดวางอย่างรุนแรง (พลิกบอร์ดทุก ๆ ชิ้น 180 องศา) ยกเว้นรูปทรงแปลกนั้นมีความสำคัญอย่างที่สุดต่อหน้าที่ของผลิตภัณฑ์ ให้ทำให้เป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส การสึกหรอของหัวกลึงและเศษวัสดุเป็นต้นทุนที่ให้คุณค่าเป็นศูนย์กับผู้ใช้ปลายทาง

ความสมบูรณ์ทางโครงสร้าง & กับดักการประกอบ

การเพิ่มประสิทธิภาพเพื่อความหนาแน่นบริสุทธิ์มีจุดแตกหัก อย่างจริงจัง แผงที่บรรจุแน่นเกินไป ด้วยวัสดุที่ถูกกำจัดมากเกินไป สูญเสียความสมบูรณ์ของโครงสร้าง

ในช่วงกระบวนการประกอบ แผงผ่านสายพานในเตา reflow ซึ่งอุณหภูมิถึง 250°C หากคุณมี "รอยกัดเมาส์" (แถบแยก) ที่อ่อนแอเกินไป หรือคุณได้ตัดส่วนสนับสนุนออกมากเกินไปเพื่อให้ใส่บอร์ดเพิ่มอีกหนึ่งชิ้น แผงจะบิดงอ

ในกรณีที่เลวร้ายที่สุด แผงจะฉีกขาดภายในเตาอบ นี้เป็นความล้มเหลวที่ร้ายแรงที่สุด คุณจะสูญเสีย PCB, ชิ้นส่วนที่มีราคาแพงที่ติดอยู่บนมัน และอาจทำให้เครื่องประกอบเสียหายได้ มันเป็นสถานการณ์ดั้งเดิมของ “ประหยัดเงินแต่ขาดความคิด” คุณประหยัดเงิน 5% ในการใช้แผ่นวัสดุแต่ลดผลผลิตการประกอบของคุณลง 10% เนื่องจากแผงที่บิดเบี้ยวหรือฉีกขาด

ยังมีคำถามเกี่ยวกับ “X-outs” ในการผลิตปริมาณมาก เป็นไปตามสถิติว่าบางตำแหน่งบนแผ่นวัสดุขนาดใหญ่อาจมีข้อบกพร่อง (ข้อผิดพลาดในการแกะสลัก, เศษ debris) หากคุณกำหนดให้แผงทุกชิ้นที่ส่งมาจะต้องมีแผ่นดี 100% ศูนย์ บารามีต้องทิ้งแผงทั้งหมดเพียงเพราะหนึ่งในสิบสองล้มเหลว ซึ่งทำให้ต้นทุนของคุณสูงขึ้นมาก

หากคุณอนุญาต “X-outs” — การทำเครื่องหมายบนบอร์ดที่เสียด้วยปากกาสีดำ แต่ส่งมอบส่วนที่เหลือของแผง — คุณอนุญาตให้โรงงานบันทึกหน่วยดีได้ โรงงานผู้รับเหมาสามารถจัดการ X-outs ได้ เพียงข้ามตำแหน่งที่เสียในเครื่องจักร เท่านั้น ยืนยันกับโรงงานประกอบของคุณ แต่ห้ามไม่ให้ X-outs ยกเว้นคุณชอบเผาเงิน

การตรวจสอบสุดท้าย

เวลาที่แพงที่สุดในการเรียนรู้เกี่ยวกับการวางแผงคือหลังจากออกแบบเสร็จแล้ว เวลาที่ถูกที่สุดคือในช่วงแนวคิด ก่อนที่คุณจะล็อคขนาด โทรหาบ้านโรงงาน เนื่องจากถามให้พวกเขาแจ้ง “ขนาดแผงทำงานมาตรฐาน” และกฎระยะห่างที่พวกเขาชอบ อย่าเชื่อในค่าเริ่มต้นในซอฟต์แวร์ CAD ของคุณ และแน่นอนอย่าสันนิษฐานว่าสเปคของโรงงานตัวอย่างนั้นใช้สำหรับโรงงานผลิตจริง

นำขนาดที่คุณเสนอ เพิ่มช่องว่างของเครื่องตัด 2.4mm (หรือ 0mm สำหรับ V-score) เพิ่มราวขอบ และดูว่ากี่คนที่ใส่ลงใน 16×22 ถ้าจำนวนมากของพื้นที่ว่าง ให้เปลี่ยนขนาด ฟิสิกส์จะไม่ปรับให้เข้ากับการออกแบบของคุณ การออกแบบของคุณต้องปรับให้เข้ากับฟิสิกส์ของแผ่นแผง