Снижение затрат производства за счет оптимизации панелей печатных плат

Панели печатных плат

Чтобы избежать двусмысленности, давайте определим, что такое «панель». Фактически, в производственном процессе используются два типа панелей. Первым типом назовем панель изготовления, которая используется в процессе производства. Почти всегда панель производства содержит несколько печатных плат, размещенных по всей плоскости. На ней также есть другие элементы, необходимые в производстве: отверстия для захватов и инструментов, места маркировки, метки позиционирования и др. На рисунке 1 показана производственная панель.

Рис. 1. Производственная панель содержит несколько монтажных панелей

 

Вторую панель назовем монтажной. Производственная панель содержит монтажные панели, а не простые пустые печатные платы (рис. 2). Монтажная панель включает в себя печатную плату, отверстия для инструментов, реперные точки и часто, по крайней мере, одну направляющую для линии поверхностного монтажа (SMT), которая необходима для транспортировки панели конвейером. Монтажная панель может включать в себя одну или несколько печатных плат в зависимости от своего размера.

Рис. 2. Монтажная панель используется на сборочной линии. Печатная плата демонтируется с печатной панели после полной сборки.

Как панели влияют на стоимость?

Независимо от того, сколько монтажных панелей включает производственная панель, стоимость материала равна стоимости этой панели. При выборе панелей и стоимости важно учитывать использование материала. Как это рассчитывается?

Использование материала панели = (площадь одной монтажной панели x количество панелей) / площадь производственной панели. Как видно из 3-го рисунка, чем более эффективно используется материал, тем в конечном счете, ниже стоимость одной монтажной панели.

Рис. 3. Использование материала и стоимость зависят от конфигурации массива.

Кто проектирует платы?

Как правило, многие компании доверяют разработку печатной платы сторонним разработчикам, как показано на рисунке 4. Очевидно, что при таком подходе Вы теряете возможность оптимизировать панель, соответственно не можете влиять на стоимость. Другая проблема заключается в том, что разные поставщики печатных плат имеют на складе панели разных размеров, а также разные технологические возможности. Это может привести к тому, что поставщики могут предоставить панели такого размера, на которой невозможно добиться оптимального размещения Ваших плат, а значит и добиться положительного финансового эффекта.

Рис. 4. Как изготовление, так и компоновка панелей контролируются внешними поставщиками.

Другой часто встречающийся сценарий — это когда производитель оригинального оборудования (OEM) только разрабатывает чертеж монтажной панели, оставляя последующий процесс подготовки производства изготовителю печатных плат. Проблемы могут возникнуть даже у компаний, которые разрабатывают собственные монтажные панели. На рисунке 5 изготовитель оборудования спроектировал монтажную панель и передал чертеж панели изготовителю. Изготовитель, в свою очередь, берет этот чертеж и создает модель монтажной панели, используя свои инструменты автоматизированного производства (CAM). После панель отправляется обратно производителю оборудования для утверждения, причем, таких итераций может быть несколько. Когда монтажная панель утверждается, производитель проектирует производственную панель с минимальным участием OEM или без него, таким образом теряя оптимизацию экономии.

Используя эти традиционные способы, OEM-производители теряют понимание причины экономии средств. Только когда OEM-производитель имеет возможность спроектировать как сборочные, так и производственные панели, финансовые последствия можно увидеть достаточно рано, чтобы оказать влияние. Кроме того, значительная экономия времени может быть достигнута за счет отсутствия необходимости многократно согласовывать проект с производителем.

Рис. 5. Даже если OEM-производитель проектирует сборочную панель, чертеж интерпретируется производителем, и может потребоваться более одной итерации, прежде чем утвержденная панель будет отдана в производство.

Влияние эффективности на снижение затрат

Поскольку внедрение большинства новых продуктов начинается с небольшого количества печатных плат для прототипирования, экономия за счет материальных затрат часто упускается из виду, потому что на этом этапе нужно получить и протестировать небольшое количество рабочих образцов. На затраты на прототипирование больше всего влияют время доставки, требуемые материалы и покрытие. Вопрос оптимизации стоимости возникает после того, как прототипы будут успешными, и те же самые печатные платы и монтажные панели будут приемлемыми для производства. Однако приемлемое и оптимизированное это не одно и тоже.

При проектировании необходимо учитывать требования производителей печатных плат, что позволит устранить риск повторного создания панели. Кроме того, оценивайте стоимость используемого материала и компоновку печатных плат на панели. Обладая этой информацией, Вы можете использовать альтернативные компоновки монтажной панели, чтобы снизить материальные затраты.

Избегайте проблем, требующих длительного исправления

В полной мере преимущества собственного проектирования панелей могут быть достигнуты только в том случае, если Ваше программное обеспечение может выполнять все требуемые задачи. Без этого будет сложно обеспечить необходимую экономию.

Если программное обеспечение не учитывает требования изготовителя, то можно получить отказ производителя в изготовлении, ввиду отсутствия у него технической возможности. Еще более финансово затратно, обнаружить проблемы на этапе сборки. Несколько типов проблем, которые часто возникают при проектировании монтажной панели, показаны на рисунках с 6A по 6D. Эти типы проблем с монтажной панелью могут быть обнаружены, если в процессе проектирования печатной платы использовать программное обеспечение для проектирования с учетом возможности изготовления (DFM).

Еще одно преимущество собственного дизайна панели — возможность просматривать требования поставщиков и быть уверенными, что отправленные им выходные данные не только приемлемы, но и оптимизированы для ваших целей. Это избавляет от необходимости тратить много времени на общение и решение одних и тех же вопросов с каждым поставщиком.

Рис. 6. Общие проблемы с монтажной панелью, влияющие на производство. A — светодиодный индикатор закрывает реперную точку, что препятствует правильному позиционированию. B — линия разделения печатных плат слишком близко к контактной площадке SMD, что создает нагрузку на контактную площадку при разделении. C — компонент находится слишком близко к транспортируемой кромке и рискует повредиться во время сборки. D — размещение компонентов на соседних печатных платах не может быть выполнено с этой конструкцией монтажной панели.

Примеры экономии

Давайте посмотрим на коэффициент использования материала панели. Производители часто называют впечатляюще высокую заполняемость, скажем, выше 60 процентов. Но так ли это? Процент, указанный производителем, — это то, какая часть производственной панели используется на основе предоставленной им монтажной панели. Поскольку монтажная панель в основном представляет собой прямоугольник, она очень хорошо ложится на прямоугольные панели.

Но нам интересна только площадь материала, используемого для печатных плат, а не сборочная панель, потому что это определяющий фактор в отношении количества панелей, необходимых для заказа. На рис. 7 показано, как производитель сообщил об использовании материала на уровне 58,9 процента, но из-за непрямоугольной формы печатной платы реальное использование материала составляет всего 18,7 процента.

Рис. 7. Изготовитель декларирует использование материала на 58,9%, в то время как фактическое использование материала составляет 18,7% в расчете на печатную плату.

Давайте посмотрим, что можно сделать. До оптимизации коэффициент использования материала составлял 18,7% на производственной панели 18 x 24 дюйма с двумя печатными платами на каждый из шести групп на панели. Когда сборка панели была оптимизирована, появилась возможность использовать материал на 31,5%, обеспечивая 10 групп из двух печатных плат на каждую производственную панель (см. рис. 8). Программное обеспечение Valor ™ NPI, которое является частью пакета Xcelerator ™ от Siemens Digital Industries Software, автоматически объединяет платы в более плотную монтажную панель, несмотря на необычную форму.

Рис. 8. Оптимизация размещения монтажных панелей.

 

Построим график затрат, в котором учтены:

• Количество заказанных печатных плат;
• Площадь занятая монтажными панелями;
• Стоимость изготовления панели за квадратный дюйм.

Количество брака является переменной величиной, поскольку при большем объеме необходимо обеспечивать более низкий процент. Остальные переменные считались постоянными для обоих сценариев.
Рассчитаем затраты до и после оптимизации панели для заказов объемом от 100 до 2000 с шагом 100 шт.

На рисунке 9 показано, что любое количество оптимизированной панели демонстрирует значительную экономию. Кроме того, было определено количество с наименьшей общей стоимостью печатной платы.

 

Цена на одну плату

Рис. 9. Оптимизированные панели при любом объеме заказа демонстрируют значительную экономию средств.

 

Из рисунке 10 показана разница в цене оптимизированных и неоптимизированных панелей. Линии не совсем прямые, поскольку учитывают комбинацию переменных, упомянутых ранее.

 

Фактическое количество необходимых панелей для изготовления

Рисунок 10. Показано количество необходимых панелей для изготовления.

Пакет Valor NPI Panel Optimization

Программное обеспечение Valor NPI Panel Optimization предоставляет инструменты для выполнения полного набора задач, необходимых для создания собственного дизайна.

Ключевые возможности:

• Рассчитывает точный коэффициент использования материала для определения экономической эффективности;
• Создает панели с минимальными трудозатратами, оптимизированные как для сборки, так и для изготовления;
• Учитывает размер панели, ширину направляющих, поля, количество печатных плат и вынос компонентов за пределы платы;
• Хранит инструкции по панелям всех ваших партнеров по изготовлению и сборке;
• Выполняет действия, включая заливку полигонов узором, добавление отверстий для инструментов, реперных точек, отметок на плате, мишеней, текста, штрих-кода, разрывных табличек, линий V-образных разрезов;
• Создает и размещает разделительные вкладки, автоматически избегая размещения разделительных вкладок под компонентом;
• Анализирует монтажную панель на наличие проблем с DFM на уровне панели.

Valor NPI поможет Вам в выборе модели размещения. Программа по созданию панелей (рисунок 11) показывает доступные методы создания панелей. При выборе метода вы увидите конкретную необходимую информацию, и будет создан дизайн панели. При оптимизации монтажных панелей идеальный размер зависит от размера целевой производственной панели. Это оптимизационное решение берет минимальное и максимальное количество запрошенных групп плат с заданными размерами панелей, а затем создает и показывает вам все альтернативы конструкции монтажных панелей с приоритетом в зависимости от процента использования материала.

Рисунок 11. Программа создания панели показывает все возможные методы оптимизации

 

Valor NPI обладает всеми функциями, необходимыми как для процессов сборки, так и для изготовления. Как показано на рисунке 12, эти функции включают реперные метки, кромку для конвейера, инструментальные отверстия, выступы, узоры, планки импеданса и т. д. Благодаря этим функциям панели, разработанные в Valor NPI, могут быть предоставлены производителям печатных плат для непосредственного производства без дополнительных затрат.

Рис. 12. Конструкция панели со всеми функциями, необходимыми в процессе сборки и изготовления

Заключение

Стоимость продукции, включая печатную плату, в конечном итоге является ответственностью Вашей компании. Хотя производители печатных плат, безусловно, оптимизируют производственную панель, основываясь на ограничениях монтажной панели, Вы не всегда знаете о финансовых последствиях их печатной платы или сборочного массива. Управление дизайном панели и оптимизацией внутри компании в процессе проектирования печатной платы позволяет значительно сэкономить на материалах и сократить время изготовления, тем самым ускоряя выход продукта на рынок.

Источник: www.mentor.com