เศรษฐศาสตร์ที่มองไม่เห็นของบอร์ดเล็ก

ในโลกของอิเล็กทรอนิกส์ขนาดกะทัดรัด โดยเฉพาะในวงการที่มีการแข่งขันสูงของอุปกรณ์ IoT ความสำเร็จมักวัดเป็นเศษเสี้ยวของเซนต์ วิศวกรถูกจูงใจให้สนใจต้นทุนของส่วนประกอบและการวางผังบอร์ดที่ซับซ้อน แต่หนึ่งในกลไกที่ทรงพลังที่สุดในการควบคุมต้นทุนการผลิตมักถูกละเลย นั่นคือการจัดกลุ่มบอร์ด PCB ซึ่งเป็นการจัดเรียงบอร์ดย่อยหลายๆ ชิ้นบนแผงการผลิตเดียวกัน ซึ่งเป็นการตัดสินใจที่ไม่ใช่แค่รายละเอียดเล็กน้อยในการผลิต แต่เป็นจุดตัดสินใจเชิงกลยุทธ์ที่สำคัญ ซึ่งสมดุลระหว่างความประหยัดในการผลิตและความทนทานในการประกอบ

ตรรกะของการจัดกลุ่มบอร์ดอยู่บนจังหวะที่ไม่หยุดหย่อนของสายการประกอบอัตโนมัติ สาย SMT ลงทุนเวลาแน่นอนในการโหลดแผง บริหารให้ผ่านการพิมพ์ตะกั่วบัดกรี การวางส่วนประกอบ และการบัดกรีด้วยความร้อน รอบเวลานั้นแทบไม่สนใจว่าสิ่งที่แผงบรรจุอยู่คืออะไร ไม่ว่าจะเป็นบอร์ดขนาดใหญ่เพียงบอร์ดเดียวหรือบอร์ดย่อยยี่สิบชิ้น เครื่องจักรใช้เวลาสำหรับแต่ละแผงเท่าๆ กัน โดยการประมวลผลแผงบอร์ดย่อยยี่สิบชิ้น ต้นทุนที่สำคัญของเวลาเครื่องจักรและการจัดการจะถูกกระจายไปทั่วทุกหน่วย ซึ่งช่วยลดราคาการประกอบต่อบอร์ดอย่างมาก

นี่ไม่ใช่แค่การปรับปรุงสำหรับการผลิตจำนวนมาก สำหรับบอร์ดที่มีขนาดเล็กพอที่จะหลบเลี่ยงการจับของสายพานลำเลียงของเครื่องจักร การจัดกลุ่มบอร์ดเป็นสิ่งจำเป็นพื้นฐานสำหรับการประกอบอัตโนมัติ แม้สำหรับการทดสอบต้นแบบเพียงห้าหน่วย การออกแบบแบบจัดกลุ่มเป็นตั๋วเข้าสู่กระบวนการ การพยายามรันบอร์ดย่อยแต่ละชิ้นผ่านสายการผลิตอัตโนมัติเป็นเส้นทางสู่การปฏิเสธหรือค่าธรรมเนียมการจัดการด้วยมือ ซึ่งจะทำลายการประหยัดที่คาดหวังและทำให้เกิดความล่าช้าในโครงการ

ความขัดแย้งกลาง: เส้นในบอร์ด

ทางเลือกในการปลดปล่อยบอร์ดย่อยจากแผงในที่สุดขึ้นอยู่กับปรัชญาที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิง ซึ่งแต่ละแบบมีเศรษฐศาสตร์ของต้นทุน เสรีภาพในการออกแบบ และความเครียดทางกล การเลือกแรกคือ V-scoring ซึ่งเป็นกระบวนการที่ใช้ประสิทธิภาพแบบแรงๆ เครื่องจักรจะตัดร่อง V ลึกตามแนวเส้นตรงรอบขอบของบอร์ด ซึ่งเหลือเส้นใยบางๆ ของวัสดุที่หลังจากประกอบแล้วสามารถฉีกขาดได้อย่างง่ายดาย เป็นวิธีที่รวดเร็วและต้นทุนต่ำในการผลิต ข้อจำกัดของมันคือ มันใช้ได้เฉพาะกับรูปร่างสี่เหลี่ยมเท่านั้น

ทางเลือกคือ tab-routing ซึ่งเป็นวิธีที่ละเอียดอ่อนกว่า เครื่องจักรจะเจาะรูรอบขอบของบอร์ดแต่ละชิ้นอย่างสมบูรณ์ โดยเชื่อมต่อกับเฟรมด้วยแท็บเล็กๆ ซึ่งมักมีรูเล็กๆ หรือ “บิตเมาส์” เพื่อทำให้แท็บอ่อนแอลงเพื่อให้ฉีกขาดได้ง่าย วิธีนี้ช่วยให้ดีไซเนอร์หลุดพ้นจากการถูกกักขังด้วยเส้นตรงของ V-score ซึ่งรองรับรูปร่างใดก็ได้ แต่ความอิสระนี้มาพร้อมกับต้นทุนเวลาเครื่องจักร ทำให้เป็นกระบวนการผลิตที่ช้ากว่าและมีต้นทุนสูงกว่า

การตัดสินใจระหว่างสองวิธีนี้ไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไปในการเปรียบเทียบข้อเสนอราคาการผลิตล่วงหน้า เส้นทาง “ถูกกว่า” ของ V-scoring อาจกลายเป็นต้นทุนที่แพงอย่างมหาศาลหากไม่สนใจข้อเสียหลักของมัน คือ ความเครียดทางกล ซึ่งแรงที่ใช้ในการฉีกบอร์ดออกไปจะส่งคลื่นช็อกที่สำคัญผ่าน FR-4 ซึ่งอาจเป็นอันตรายต่อส่วนประกอบบางอย่าง การสูญเสียผลผลิต 5% บนบอร์ดที่มีชิ้นส่วนที่มีราคาแพงและไวต่อความเครียดอย่างรวดเร็วเปลี่ยนการประหยัดเริ่มต้นของ V-scoring ให้กลายเป็นการขาดทุนสุทธิที่สำคัญ การเลือกที่ถูกต้องต้องมองภาพรวมของต้นทุนทั้งหมด ซึ่งรวมถึงราคาที่อาจเกิดขึ้นของส่วนประกอบที่เสียหายและความล้มเหลวในสนามที่ซ่อนอยู่

ปัจจัยสำคัญ: ความใกล้ชิดกับขอบ

มากกว่าสิ่งอื่นใด ตัวแปรที่สำคัญที่สุดคือการมีชิ้นส่วนที่บอบบางใกล้ขอบบอร์ด หากการออกแบบของคุณวางชิ้นส่วนเช่นตัวเก็บประจุเซรามิก BGA หรือแพ็กเกจความละเอียดสูงภายในประมาณ 5 มม. จากแนวขัดขวางที่วางแผนไว้ ควรหลีกเลี่ยง V-scoring สำหรับขอบนั้น การกระแทกฉีกขาดสามารถทำให้เกิดรอยร้าวเล็กๆ ในฉนวนที่เปราะของตัวเก็บประจุหรือทำให้ลูกบัดกรีของ BGA แตกหักได้ ซึ่งเป็นข้อบกพร่องที่อันตราย มักมองไม่เห็นในการตรวจสอบ แต่ปรากฏขึ้นเป็นสาเหตุของความล้มเหลวในสนามในสัปดาห์หรือเดือนต่อมา

ในสถานการณ์เหล่านี้ การใช้ tab-routing ไม่ใช่ความหรูหรา แต่เป็นข้อกำหนดเพื่อความน่าเชื่อถือ ความเครียดจากการแยกออกจะถูกจำกัดไว้ที่แท็บเล็กๆ ซึ่งเป็นส่วนที่เสียได้ เพื่อปกป้องพื้นที่สำคัญของบอร์ดที่มีส่วนประกอบ สำหรับการออกแบบสี่เหลี่ยม การใช้แนวทางผสมผสานเป็นทางออกที่สมเหตุสมผล โดยใช้ V-scores สำหรับขอบยาวที่ไม่มีส่วนประกอบ ในขณะที่ใช้ tab-routing เพื่อปกป้องขอบสั้นที่เต็มไปด้วยตัวเชื่อมต่อหรือชิ้นส่วนที่อ่อนไหว

ออกแบบสำหรับเครื่องจักร

แผงที่ออกแบบอย่างถูกต้องไม่ใช่แค่แถวของบอร์ด แต่เป็นตัวพาหนะที่สร้างขึ้นเพื่อวัตถุประสงค์ เป็นโครงสร้างรองรับที่ออกแบบมาเพื่อสื่อสารกับสายการประกอบ ต้องมีรางเครื่องมือที่เป็นของเสียบนขอบ ซึ่งทำหน้าที่เป็นจุดจับสำหรับระบบสายพาน รางเหล่านี้ยังให้พื้นที่สำหรับเครื่องหมายอ้างอิงระดับแผง ซึ่งเป็นเป้าหมายทองแดงขนาดเล็กที่ระบบวิสัยทัศน์ของเครื่องใช้เพื่อกำหนดทิศทางของตัวเอง เพื่อให้แน่ใจว่าส่วนประกอบถูกวางอย่างแม่นยำในระดับไมโคร

ข้อผิดพลาดที่พบได้บ่อยและมีค่าใช้จ่ายสูงที่สุดในการออกแบบแผงคือความพยายามในการเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด ในการพยายามให้พอดีหน่วยงานหนึ่งบนแผง นักออกแบบอาจลดพื้นที่ระหว่างบอร์ดหรือแคบลงรางเครื่องมือให้เหลือน้อยที่สุด ประสิทธิภาพเชิงทฤษฎีนี้มักล้มเหลวอย่างน่าทึ่งในการผลิต แผงที่ได้อาจอ่อนแอเกินไป โก่งหรือสั่นสะเทือนในระหว่างการวางส่วนประกอบ และนำไปสู่ข้อผิดพลาดที่ซ้ำซ้อน หรืออาจทำให้การแยกแผงเป็นเรื่องยากจนต้องทำด้วยมือ ซึ่งเพิ่มต้นทุนแรงงานและความเสี่ยงของความเสียหาย แผงที่มีความหนาแน่นน้อยกว่าที่ทำงานได้อย่างไร้ที่ติจะมีกำไรมากกว่าที่ทฤษฎีว่าดีแต่ล้มเหลวบนสายการผลิต

ปรับปรุงกลยุทธ์

เมื่อเลือกวิธีพื้นฐานแล้ว การปรับแต่งเพิ่มเติมสามารถเพิ่มผลผลิตและประสิทธิภาพได้ การออกแบบแท็บเองเป็นสมดุลที่ละเอียดอ่อน หากอ่อนเกินไป บอร์ดอาจสั่นหรือแตกในระหว่างกระบวนการ ทำให้สายหยุดชะงัก หากแข็งเกินไป แรงที่ต้องใช้ในการฉีกขาดอาจทำให้บอร์ดเครียด ซึ่งเป็นการล้มล้างเหตุผลที่เลือกใช้ tab-routing แท็บควรแข็งแรงพอที่จะอยู่รอดในกระบวนการประกอบ และไม่แข็งแรงเกินไป

แม้แต่ทิศทางของแผงบนแผงควบคุมก็มีความสำคัญ สำหรับการวางซิลิโคนบัดกรีคุณภาพสูงสุด ควรให้แนวแกนยาวของแผ่นรองรับแบบละเอียดวิ่งตั้งฉากกับการเคลื่อนที่ของเครื่องพิมพ์ squeegee หากแผงผสมการหมุนของแผง มันรับประกันว่าคุณภาพการพิมพ์จะถูกลดทอนลงสำหรับครึ่งหนึ่งของแผง ซึ่งอาจนำไปสู่ข้อบกพร่องของซิลิโคน การรักษาทิศทางเดียวกันอย่างสม่ำเสมอเป็นหลักการที่ละเอียดอ่อนแต่ทรงพลังในการออกแบบเพื่อการผลิต

ในที่สุด การเลือกวิธีการแบ่งแผงในขั้นต้นจะเป็นตัวกำหนดการแยกสุดท้าย แผงที่มีรอยบากแบบ V สามารถแตกด้วยมือ ซึ่งเป็นวิธีที่ถูกที่สุดแต่ก็เครียดที่สุด แผงที่มีร่องรอยตัดแบบแท็บ แต่อนุญาตให้ใช้เครื่องตัดร่องรอยแบบ depaneling ซึ่งเป็นเครื่องจักรที่ตัดแท็บอย่างแม่นยำโดยไม่สร้างความเครียดให้กับแผง สำหรับการประกอบที่มีมูลค่าสูงซึ่งความน่าเชื่อถือเป็นสิ่งสำคัญ ต้นทุนของเครื่องตัดนี้สามารถพิสูจน์ได้ง่ายด้วยการกำจัดข้อบกพร่องที่เกิดจากความเครียด ซึ่งนำไปสู่การปิดฉากการผลิตอย่างสะอาดและน่าเชื่อถือ