利潤的物理學：面板利用率計算如何幫助20%節省PCB成本

每塊印刷電路板都是以一張標準化的層壓板開始的，通常是銅包覆的 FR4。這是製造過程中唯一物理學不允許你協商的根本真理。

當設計檔案到達製造廠時，CAM 工程師要做的第一件事就是嘗試將你的任意尺寸適配到這個固定畫布上。如果你的板子是 100mm x 100mm，他們可能會在一張板上放下十二個單位。如果你設計成 98mm x 98mm，他們可能會放十六個。這一個決定——經常是由凝視空白 CAD 空洞的設計師隨意做出，而非工廠現場——只會將單位成本提高三成。

你其實是在付空氣的錢。在行業中，我們稱之為“裁切料”或“網帶浪費”，但在功能上，它是你付錢卻需要廢棄的金錢。PCB 的定價模型並非基於最終板的平方英寸數線性，而是根據從母板裁切出來的單元數的階梯函數。你產品中最昂貴的材料，往往就是最後被扔進切割機後方垃圾桶的那些東西。

基本常數

電子製造的宇宙圍繞著 18 吋 x 24 吋的層壓板展開。儘管存在更大規格如 21×24，並且大量批量（比如 50 萬單位）可能證明供應商定制網尺寸是合理的，但 18×24 的板片對絕大多數生產而言是硬性上限。

但你不可能用完全部。這就是“工作區域”混淆破壞利潤率的地方。設計師常以為他們有 18 英寸的寬度可以運用。事實並非如此。製造機械必須抓緊面板的邊緣，以將其浸入鍍金浴中並通過蝕刻線運輸。

這些“操作裕度”通常會佔據整整一英吋的周長：四邊各半英吋。這會將你的可用空間從 18×24 縮小到 16×22 的工作區域。如果你的板子設計需要 16.5 英吋的寬度，你就必須迫使廠商旋轉陣列或切換到較小、較不高效的標準尺寸，瞬間提升廢料百分比。

在這裡區分“原型模式”與“生產模式”非常關鍵。一家原型工廠可能會以“固定價格”賣你幾塊板，並自行承擔廢料成本來贏得你的業務。它們在補貼你的低效率。當你轉向 1 萬或 5 萬單位的生產量時，這種補貼就會消失。每一平方英英的母板，不論是否利用，都會向你收費。

工具的隱性稅負

一旦你接受板材的界限，你就必須考慮板子之間的空隙。在 CAD 工具中，將兩個 PCB 放在零毫米之間非常容易。在實體世界中，切割工具具有質量和寬度。

如果你選擇將板子從面板中切割出來——實際剪斷它們——你必須留出空間給鉆頭。大多數深圳或國內廠商的標準鉆頭寬度約為 2.4mm（約 100 密耳）。我們稱之為“刀痕”，即工具在移動時劃出的毀滅性路徑。

如果你有一個10×10的小型傳感器板陣列，並且依賴於布線，你就引入了十個縱向和十個橫向的2.4mm空白通道。穿過一個面板，這些加起來就是幾英寸損失的層壓板——這本可以容納更多或更有營收的單元。面板移除不僅僅是機械約束，還是財務的槓桿。

替代方案是V刻槽。這個工藝在板的上下刮一道凹槽，留下一條薄的材料網狀來固定，直到組裝完成。關鍵是，V刻槽幾乎不需要板與板之間的空隙。你可以緊貼著它們放置。

然而，V刻槽是一個鈍刀。它只能沿整個面板長度切割直線，不能半途停下。如果你的板子有懸掛連接器、複雜的曲線或邊緣懸空的元件，V刻槽在物理上是不可能的。你只能返回用路由器，並且不得不支付2.4mm的稅金。

別忘了導軌。組裝廠——那些將芯片放到板上的人——需要在面板邊緣放置“廢料軌道”來運輸 through SMT 線。這些軌道通常寬0.5英寸（12.7mm），其中包含定位點（用於拾放機的光學目標）和工具孔。你為這些層壓板付費，但它們永遠不會成為銷售產品的一部分。這是必要的結構性惡。

毫米的數學

考慮一個每天在報價部門上演的普遍場景。想象一個客戶需要一個用於消費者物聯網設備的板。機械工程師，優先考慮特定的外殼美觀，把PCB尺寸鎖定在98mm乘以98mm。

工廠接收文件。他們對標準的18×24英寸板張添加了處理裕度。他們考慮到10mm的組裝廢料軌道。他們還考慮到2.4mm的路由間距，因為板角是圓角（美觀選擇）。

結果？工廠恰好可以在一個工作面板上放置六塊板。利用率很差——也許是55%。其餘的都是廢料。

現在，看看幾何形狀。如果那塊板是96mm而不是98mm——僅僅縮短2mm——CAM工程師就可以旋轉陣列。突然之間，數學就改變了。他們可以以不同的方式嵌套板子。他們可以在同一面板上放入八塊板。

這是用完全相同的原料面板提高33%的產量。層壓板、銅、焊料遮罩和機器時間的成本實際上被減少到原來的六分之八。那2mm的縮短使單價大約降低了$0.40。在10萬台的生產中，那相當於在一條2mm的FR4層壓板中純利潤的$40,000。

這就是為何在確定機械限制之前，必須進行「幾何檢查」。將標準工作區（16×22）除以你的板尺寸加空隙。如果結果是一個雜亂的分數（例如，每行4.2塊板），你就處於危險區。你希望得到整數。你希望恰好放入5.0或6.0塊板。

這裡常常會有人因外觀而反對。設計師喜愛非矩形的形狀：圓形、L形、複雜的輪廓。在製造方面，這些都是利用率的敵人。L形板會形成一個負空間，即使進行激進的嵌套（將每隔一塊板翻轉180度）也常常無法填滿。除非那個奇怪的形狀絕對對產品功能至關重要，否則就讓它成為正方形。路由器刀片的磨損和廢料都是成本，對最終用戶無任何價值。

結構完整性與組裝陷阱

追求純粹密度的最大點，字面意思上的破裂點。一個過於緊密堆疊、移除過多材料的面板會喪失其結構完整性。

在組裝過程中，面板會在傳送帶上經過一個回流爐，溫度達到250°C。在這個溫度下，FR4材料會軟化。如果你的“鼠咬”破碎（斷裂頁簽）過於脆弱，或者你用路由機切除了太多支撐材料來塞入多一塊板，面板就會下垂。

在最糟糕的情況下，面板會在烤箱內斷裂。這是一個災難性的失敗。你會失去PCB和安裝在其上的昂貴元件，甚至可能損壞裝配機。這是一個典型的“省小錢，吃大虧”情況。你節省了5%的層壓材料，但由於面板翹曲或斷裂而降低了10%的組裝產率。

還有一個“X-out”的問題。在高產量生產中，統計上在大尺寸層板上某些點出現缺陷（蚀刻錯誤、碎屑）是可能的。如果你要求每交付一個板都必須有100%個良品，那麼工廠不得不丟棄整個面板，只因為十二個中的一個不良。這會大大增加你的成本。

如果你允許“X-out”—用黑色馬克筆標記不良板，但仍然運送剩餘部分—你允許工廠保存好的單元。大多數合同製造商都能處理X-out；他們的機器會跳過不良區域。請與你的組裝廠確認，但除非你喜歡浪費資金，否則絕不應禁止X-out。

最後的檢查

在設計完成後才了解面板化是最昂貴的時間。而在概念階段是最便宜的時間。在確定尺寸之前，打電話給製造廠。詢問他們的“標準工作面板尺寸”和偏好間距規則。不要依賴你的CAD軟件中的默認設置，也絕對不要假設原型工廠的規格適用於生產線。

拿你提議的尺寸，加上2.4mm的切割路由間隙（或0mm的V型割痕），再加上邊緣軌道，看看有多少可以放進16×22內。如果答案是留下大量空白空間，請更改尺寸。物理規則不會為你的設計做調整；你的設計必須適應材料的物理特性。