Obwohl es klare Schritte gibt, die alle Leiterplattenentwicklungen und -produktionen gemeinsam haben, folgt doch jedes Leiterplattendesign seinem eigenen, individuellen Weg. Das Ziel des Produkts, der Leiterplattentyp, die Anzahl der Teile, das Leiterplattenmaterial und der Aufbau, die Anzahl der Prototypendrehungen, die Testanforderungen und das Produktionsvolumen können sich von einem Entwurf zum anderen unterscheiden. In einigen Branchen ist der Unterschied sogar noch größer. Dies gilt für Entwürfe für medizinische Geräte, Luft- und Raumfahrtsysteme oder fortschrittliche Industrieausrüstungen, bei denen die Produktion oft hochspezialisiert und kleinvolumig ist.
Betrachten wir also zunächst die Kleinserienfertigung, dann einige Produkttypen, für die kundenspezifische Leiterplatten benötigt werden, und schließlich die Frage, wie die Effizienz der kundenspezifischen Kleinserienfertigung von Leiterplatten maximiert werden kann.
Kleinserien-Leiterplattenmontage: Ein Testfeld für Design
Die Leiterplattenentwicklung ist ein gutes Beispiel für einen Prozess, bei dem ein Team oft beweisen muss, dass das Design korrekt ist. Der Grund dafür ist, dass der Prozess, ein PCB-Design zum Leben zu erwecken, drei Phasen umfasst: Entwurf, Herstellung und Prüfung.
Für jede Leiterplatte mit einem beliebigen Komplexitätsgrad ist die Entwicklung ein Zyklus. Er umfasst oft Iterationen von Leiterplattenprototypen. Die Effizienz dieses Prozesses hängt zu einem großen Teil davon ab, wie gut Sie die Flexibilität der Leiterplattenbestückung nutzen. Bevor wir die Optionen erläutern, die beim Prototyping zur Verfügung stehen, wollen wir zunächst die Kleinserien-Leiterplattenmontage definieren.
Unterscheidet sich die Kleinserien-Leiterplattenmontage von den Standards der Massenmontage?
Der Herstellungsprozess von Leiterplatten besteht aus drei Teilen. Dies sind die Herstellung der Leiterplatte, die Beschaffung der Bauteile und die Montage der Leiterplatte. Die Art und Weise, wie diese drei Fertigungsschritte optimiert werden, hängt davon ab, wie gut der Auftragsfertiger (CM) die im Entwurf verwendeten Geräte und Verfahren aufeinander abstimmt.
In der Tat besteht ein direkter Zusammenhang zwischen der Qualität Ihrer Leiterplatten und der Einhaltung der DFM-Regeln und -Richtlinien durch Ihr CM. Bei der Produktion, ob in kleinen oder großen Stückzahlen, ist die strikte Einhaltung von DFM und DFA der Schlüssel zu höchster Ausbeute und niedrigsten Produktionskosten.
Unabhängig von der Entwicklungs- oder Produktionsphase kann der Prozess der Leiterplattenherstellung derselbe bleiben, es sei denn, das Design ändert sich und erfordert etwas anderes. Andererseits kann sich die Bestückung ändern, je nachdem, ob Sie einen Prototyp bauen oder Platinen für die Auslieferung herstellen. In einigen Fällen kann das Produktionsvolumen gering sein. Dies ist üblich bei der Herstellung kritischer oder spezieller PCBA-Produkte für die Luft- und Raumfahrt, medizinische Geräte, industrielle Systeme, Automobilsysteme oder militärische Anwendungen.
Wie wir weiter unten erläutern werden, ist die Leiterplattenbestückung in Kleinserien ein wichtiger Bestandteil der gesamten Leiterplattenentwicklung.
Kleinserie PCB-Montage bedeutet die Montage von Bauteilen auf einer relativ kleinen Anzahl von nackten Platinen, von einigen wenigen Stück bis zu 250 Stück oder weniger.
Die Montageschritte sind klar definiert, bieten aber dennoch eine große Flexibilität, wie wir im nächsten Abschnitt sehen werden. Wenn sie gut genutzt wird, kann diese Flexibilität die Effizienz der Leiterplattenentwicklung erheblich verbessern.
PCBA-Produktion in Kleinserie
Viele Menschen denken, dass Leiterplattenherstellung und Leiterplattenproduktion das Gleiche bedeuten. Sie werden oft so verwendet, als ob sie dasselbe wären, aber ihre Bedeutung ist genauer, wenn wir sie wie folgt trennen:
1. PCBA-Herstellungsprozess
Die Herstellung von PCBAs besteht aus zwei Hauptschritten: Fertigung und Montage. Bei der Herstellung werden Rohmaterialien wie Laminate, Substrate, Lötmasken und andere Basismaterialien zu einer Leiterplatte verarbeitet. Bei der Montage werden die elektronischen Bauteile durch Löten auf der Leiterplatte befestigt. Der gesamte Prozess umfasst klare Schritte, die das Designpaket, das das Platinenlayout, die Materialien, die Stückliste, die Komponentenliste und andere Anweisungen enthält, in ein physisches und funktionierendes Produkt verwandeln, das die Zielfunktion erfüllen kann. Die PCBA-Fertigung kann zur Herstellung von Proof-of-Concept-Platinen, Prototypen oder fertigen Platinen verwendet werden.
2. PCBA-Produktion
Die PCBA-Fertigung ist der Prozess, bei dem mit Hilfe des PCBA-Herstellungsverfahrens fertige Leiterplatten-Baugruppen hergestellt werden. Fertige Leiterplatten werden in der Regel in komplexeren Systemen und in Produktionsumgebungen eingesetzt. Es gibt zwei Arten der PCBA-Produktion: Kleinserien und Großserien.
Die Herstellung von PCBAs in großen Stückzahlen und die Produktion von PCBAs in großen Stückzahlen können in der Praxis als derselbe Prozess angesehen werden. Das ist einer der Gründe, warum die Leute oft Fertigung und Produktion verwechseln. In beiden Fällen ist das Ergebnis eine große Anzahl von fertigen Leiterplatten, die bis zu Tausenden oder sogar mehr reichen kann.
Dies ist bei Kleinserienprodukten nicht der Fall, da nicht alle PCBA-Arbeiten für Endverbraucher oder den Direktverkauf bestimmt sind. Während der Entwicklung ist es sehr üblich, mehrere PCBA-Prototypen zu erstellen, um die beste Designqualität zu erreichen. Jeder Durchlauf kann nur Dutzende von Platinen oder einige Dutzend Platinen umfassen.
Bei der Kleinserienproduktion hängt die Menge vom Produkt ab und kann Hunderte von Einheiten oder weniger betragen. Nachstehend sind einige Beispiele aufgeführt.
In der obigen Tabelle sind nicht alle kundenspezifischen Plattenprodukte aufgeführt, die in Kleinserien hergestellt werden können. Sie enthält jedoch gängige Beispiele für die Kleinserienfertigung, die in der Regel mit kundenspezifischen Entwürfen verbunden sind. Dies hilft uns bei der Definition von Möglichkeiten, den Produktionsprozess effizienter zu gestalten.
Effiziente kundenspezifische PCB-Produktion in Kleinserie
Effiziente Kleinserienfertigung von Leiterplatten kann definiert werden als die Herstellung von Leiterplatten in einer Weise, die die höchste Ausbeute, die kürzeste Durchlaufzeit und die besten Kosten ermöglicht. Diese Ziele können durch die folgenden Maßnahmen erreicht werden.
Wie man die höchste Rendite erzielt
Die Ausbeute ist das Verhältnis von nutzbaren Leiterplatten zu den insgesamt produzierten Leiterplatten. Die Ausbeute kann durch die Anwendung guter Designregeln verbessert werden, einschließlich der Einhaltung der DFM-Regeln des CM und der Verbesserung der Designqualität während der Prototypenphase.
Eine gute Ausbeute kommt nicht von ungefähr. Sie beginnt mit einem klaren Design, einer sauberen Stückliste und korrekten Footprints. Sie hängt auch davon ab, ob das Leiterplattenlayout eine einfache Herstellung und Montage ermöglicht. Die Größe der Pads, die Abstände der Leiterbahnen, die Struktur der Durchkontaktierungen, die Abstände der Bauteile und die Öffnung der Lötstoppmaske wirken sich auf das Endergebnis aus. Wenn das Design fertigungsfreundlich ist, lässt sich die Leiterplatte viel einfacher herstellen, und die Anzahl der Fehler geht zurück.
Wie Sie die kürzeste PCB-Durchlaufzeit erhalten
Ein guter PCB-Produktionsprozess wird oft daran gemessen, wie schnell die Leiterplatte hergestellt werden kann. Aber Geschwindigkeit sollte niemals Qualität ersetzen. Deshalb ist es sehr wichtig, Fertigungs- und Bestückungsdienste zu wählen, die beides gleichzeitig optimieren können.
Schnelle Durchlaufzeiten erfordern eine gute Planung. Sie erfordert korrekte Dateien, klare technische Daten, vollständige Bauteillisten und stabile Lieferketten. Wenn die Teile fertig sind, die Platine bereit ist und der Prozess klar ist, kann die Produktion viel schneller ablaufen. Fehlt eines dieser Teile, kann der Zeitplan ins Wanken geraten.
Wie Sie die besten Kosten erzielen
Bei der Herstellung kundenspezifischer Leiterplatten in Kleinserien sind die niedrigsten Kosten nicht immer die beste Wahl. Das Ziel ist es, die besten Kosten zu erzielen.
Dies bedeutet, das richtige Gleichgewicht zwischen Zeit und Kosten zu finden. Es bedeutet auch, sicherzustellen, dass Ihr CM die hochwertigsten Platten mit dem geringstmöglichen Abfall produzieren kann. In vielen Fällen kann ein etwas höherer Stückpreis später viel Geld sparen, weil er Nacharbeit, Ausschuss und Verzögerungen reduziert.
Kurz gesagt, die besten Kosten sind nicht nur das billigste Angebot. Es sind die Gesamtkosten von Anfang bis Ende, einschließlich Ertrag, Arbeit, Nacharbeit, Materialverlust und Lieferzeit.
SMT-Prototyping und PCBA-Prozessablauf in Kleinserie
Nachfolgend ist der normale Prozessablauf für SMT-Prototyping, Kleinserienfertigung oder PCBA-Verarbeitung dargestellt:
1. Einseitige Oberflächenmontage
Lotpastendruck → Bestückung → Reflow-Löten
Dies ist das einfachste SMT-Verfahren. Es wird verwendet, wenn alle SMD-Bauteile auf einer Seite der Leiterplatte montiert werden. Die Lötpaste wird zuerst gedruckt, die Bauteile werden platziert, und dann wird die Leiterplatte im Reflow-Verfahren gelötet.
2. Doppelseitige Oberflächenmontage
Seite A: Lotpastendruck → Bauteilbestückung → Reflowlöten → Platinenflip → Seite B: Lotpastendruck → Bauteilbestückung → Reflowlöten
Dieses Verfahren wird verwendet, wenn SMD-Bauteile auf beiden Seiten der Leiterplatte montiert werden. Die erste Seite wird zuerst bestückt und reflowed, dann wird die Leiterplatte umgedreht und die zweite Seite wird als nächstes bestückt.
3. Einseitige gemischte Montage
(SMD- und Durchsteckkomponenten auf der gleichen Seite)
Lotpastendruck → Bauteilbestückung → Reflow-Löten → manuelles Bestücken von Durchsteckbauteilen (THC / THT) → Wellenlöten
Dieses Verfahren wird angewendet, wenn die Leiterplatte sowohl SMD- als auch Durchsteckbauteile auf derselben Seite enthält. Die SMD-Bauteile werden zuerst platziert und reflowed. Danach werden die Durchsteckteile von Hand eingesetzt, und die Leiterplatte wird im Wellenlötverfahren verarbeitet.
4. Einseitige gemischte Montage
(SMD- und durchkontaktierte Bauteile auf verschiedenen Seiten der Leiterplatte)
Seite B Rotleimdruck → Bestückung mit Bauteilen → Aushärtung des Rotleims → Umdrehen der Platine → Einsetzen der Durchgangslöcher auf Seite A → Wellenlöten auf Seite B
Diese Methode wird verwendet, wenn sich SMD- und Durchsteckteile auf verschiedenen Seiten befinden. Der rote Kleber hilft, die Teile an ihrem Platz zu halten, und das Aushärten macht den Kleber vor dem nächsten Schritt hart.
5. Doppelseitige gemischte Montage
(THC auf Seite A, SMD sowohl auf Seite A als auch auf Seite B)
Seite A Lotpastendruck → Bauteilplatzierung → Reflowlöten → Platinenwende → Seite B Rotleimdruck → Bauteilplatzierung → Rotleimaushärtung → Platinenwende → Seite A Durchstecklöten → Seite B Wellenlöten
Dieses Verfahren ist etwas komplexer. Es wird verwendet, wenn die Platine auf beiden Seiten SMD-Bauteile und auf Seite A Durchsteckbauteile hat.
6. Doppelseitige gemischte Montage
(SMD und THC sowohl auf Seite A als auch auf Seite B)
Seite A Lotpastendruck → Bauteilbestückung → Reflowlöten → Platinenwende → Seite B Rotleimdruck → Bauteilbestückung → Rotleimaushärtung → Platinenwende → Seite A Durchstecklöten → Seite B Wellenlöten → Seite B Durchstecklöten
Dies ist das komplexeste Verfahren in dieser Liste. Es wird verwendet, wenn sowohl SMD- als auch Durchsteckkomponenten auf beiden Seiten der Leiterplatte vorhanden sind.
Nach diesen Schritten kann die Platine für Computerprodukte, verwandte Produkte, Kommunikationsprodukte, Unterhaltungselektronik und viele andere Anwendungen verwendet werden.
Dies ist die Art von Verfahren, mit denen SMT-Werkstätten täglich zu tun haben. Jedes Produkt, das das Werk verlässt, muss eine strenge Kontrolle durchlaufen. Damit soll sichergestellt werden, dass jeder Kunde ein Produkt ohne Probleme erhält. Dies ist auch eine der Hauptaufgaben eines guten Leiterplattenherstellers.
Warum die kundenspezifische PCB-Produktion in kleinen Stückzahlen wichtig ist
Die kundenspezifische Leiterplattenproduktion in Kleinserien ist in der realen Fertigung sehr wichtig. Sie bietet Ingenieuren die Möglichkeit, Ideen zu testen, Entwürfe zu verbessern und Risiken zu verringern, bevor die volle Produktion beginnt. Sie ist auch für Spezialprodukte sehr nützlich, denn manche Produkte benötigen keine großen Stückzahlen, dafür aber hohe Qualität und Zuverlässigkeit.
In vielen Fällen ist die Kleinserienproduktion nicht nur ein erster Schritt. Sie ist Teil des gesamten Produktlebenszyklus. Eine Platine kann mehrere Prototypendrehungen, mehrere Testrunden und mehrere Prozessänderungen durchlaufen, bevor sie für den endgültigen Einsatz bereit ist. Wenn der Prozess gut gesteuert wird, kann das Team Zeit und Kosten sparen und ein besseres Endergebnis erzielen.
Abschließende Überlegungen
Um die Effizienz der kundenspezifischen Leiterplattenproduktion in Kleinserien zu maximieren, kommt es nicht nur darauf an, die Leiterplatten schnell herzustellen. Das eigentliche Ziel besteht darin, die Leiterplatten gut herzustellen, mit hoher Ausbeute, kurzer Vorlaufzeit und guter Kostenkontrolle.
Das bedeutet, dass Sie eine starke DFM- und DFA-Unterstützung, eine gute Prototypenkontrolle, einen klaren Montageprozess, eine stabile Teileversorgung und strenge Tests benötigen. Wenn all diese Komponenten zusammenwirken, wird die kundenspezifische Leiterplattenproduktion in Kleinserie effizienter, stabiler und nützlicher für die reale Produktentwicklung.