Vaikka on olemassa selkeitä vaiheita, jotka kaikki piirilevyn kehitys ja tuotanto jakavat, jokainen piirilevysuunnittelu noudattaa silti omaa yksilöllistä polkuaan. Tuotteen tavoite, piirilevytyyppi, osien määrä, piirilevymateriaali ja pinoaminen, prototyyppikierrosten määrä, testivaatimukset ja tuotantomäärä voivat kaikki poiketa toisistaan. Joillakin teollisuudenaloilla ero on vielä suurempi. Tämä pätee esimerkiksi lääkinnällisiin laitteisiin, ilmailu- ja avaruusjärjestelmiin tai kehittyneisiin teollisuuslaitteisiin, joissa tuotanto on usein hyvin erikoistunutta ja volyymiltaan pientä.
Tarkastellaan siis ensin piensarjatuotantoa, sitten tarkastellaan joitakin tuotetyyppejä, jotka tarvitsevat mukautettuja levyjä, ja katsotaan sitten, miten maksimoidaan piensarjatuotannon tehokkuus.
Pienten erien PCB-kokoonpano: Suunnittelun testauskenttä
Piirilevykehitys on hyvä esimerkki prosessista, jossa tiimin on usein todistettava, että suunnittelu on oikea. Tämä johtuu siitä, että piirilevysuunnittelun toteuttamisessa on kolme vaihetta: suunnittelu, valmistus ja testaus.
Kehitys on sykli minkä tahansa monimutkaisemman piirilevyn kohdalla. Se sisältää usein piirilevyn prototyyppi-iteraatioita. Tämän prosessin tehokkuus riippuu pitkälti siitä, miten hyvin hyödynnät piirilevyn kokoonpanon joustavuutta. Ennen kuin selvitämme prototyyppien valmistuksen aikana käytettävissä olevat vaihtoehdot, määrittelemme ensin pienerien piirilevykokoonpanon.
Onko pienen erän PCB-kokoonpano erilainen kuin massakokoonpanostandardit?
PCB-valmistusprosessissa on kolme osaa. Ne ovat levyn valmistus, komponenttien hankinta ja PCB-kokoonpano. Se, miten nämä kolme valmistusvaihetta optimoidaan, riippuu siitä, miten hyvin sopimusvalmistaja (CM) vastaa suunnittelussa käytettyjä laitteita ja prosesseja.
Itse asiassa piirilevyn laadun ja sen välillä, kuinka hyvin CM noudattaa DFM-sääntöjä ja -ohjeita, on suora yhteys. Tuotannossa, olipa kyse sitten pienistä tai suurista eristä, DFM:n ja DFA:n tiukka noudattaminen on avain korkeimpaan tuottoon ja alhaisimpiin tuotantokustannuksiin.
Riippumatta kehitys- tai tuotantovaiheesta, levyn valmistusprosessi voi pysyä samana, ellei suunnittelu muutu ja vaadi jotain muuta. Toisaalta kokoonpano voi muuttua sen mukaan, rakennetaanko prototyyppiä vai valmistetaanko levyjä toimitusta varten. Joissakin tapauksissa tuotantomäärä voi olla pieni. Tämä on yleistä, kun valmistetaan kriittisiä tai erityisiä PCBA-tuotteita ilmailu- ja avaruusalalle, lääkinnällisiin laitteisiin, teollisuusjärjestelmiin, autojärjestelmiin tai sotilaallisiin sovelluksiin.
Kuten selitämme jäljempänä, pienerien PCB-kokoonpano on tärkeä osa kaikkea piirilevykehitystä.
Pienet erät PCB-kokoonpano tarkoittaa komponenttien asentamista suhteellisen pienelle määrälle paljaita levyjä, joita on vain muutama kappaletta tai enintään 250 kappaletta.
Kokoonpanovaiheet on määritelty selkeästi, mutta ne tarjoavat silti paljon joustavuutta, kuten seuraavassa jaksossa nähdään. Hyvin käytettynä tämä joustavuus voi parantaa huomattavasti piirilevyn kehittämisen tehokkuutta.
Pienten erien PCBA-tuotanto
Monet ihmiset ajattelevat, että PCB-valmistus ja PCB-tuotanto tarkoittavat samaa asiaa. Niitä käytetään usein ikään kuin ne olisivat sama asia, mutta niiden merkitys on tarkempi, kun ne erotetaan toisistaan seuraavasti:
1. PCBA valmistusprosessi
PCBA-valmistuksessa on kaksi päävaihetta: valmistus ja kokoonpano. Valmistus tarkoittaa raaka-aineiden, kuten laminaattien, substraattien, juotosmaskin ja muiden perusmateriaalien, muuttamista painetuksi piirilevyksi. Kokoonpano tarkoittaa elektronisten komponenttien kiinnittämistä piirilevylle juottamalla. Koko prosessi sisältää selkeitä vaiheita, jotka muuttavat suunnittelupaketin, joka sisältää piirilevyn asettelun, materiaalit, materiaaliluettelon, komponenttiluettelon ja muut ohjeet, fyysiseksi ja toimivaksi tuotteeksi, joka voi suorittaa tavoitellun toiminnon. PCBA-valmistusta voidaan käyttää konseptin todistuslevyjen, prototyyppien tai valmiiden levyjen luomiseen.
2. PCBA-tuotanto
PCBA-tuotanto on prosessi, jossa PCBA-valmistusprosessin avulla luodaan valmiita piirilevykokoonpanoja. Valmiita piirilevyjä käytetään yleensä monimutkaisemmissa järjestelmissä ja tuotantoympäristöissä. PCBA-tuotantoa on kahdenlaista: piensarjatuotantoa ja suursarjatuotantoa.
PCBA-suursarjojen valmistus ja PCBA-suursarjatuotanto voidaan käytännössä nähdä samana prosessina. Tämä on yksi syy siihen, että valmistus ja tuotanto sekoitetaan usein keskenään. Molemmissa tapauksissa tuloksena on suuri määrä valmiita levyjä, ja niiden määrä voi nousta tuhansiin tai jopa useampiin.
Tämä ei päde piensarjatuotteisiin, koska kaikkia PCBA-töitä ei tehdä loppukäyttäjille tai suoramyyntiin. Kehitystyön aikana on hyvin tavallista tehdä useita PCBA-prototyyppi-iteraatioita parhaan suunnittelulaadun saavuttamiseksi. Kukin kierros voi käsittää vain kymmeniä piirilevyjä tai muutamia kymmeniä piirilevyjä.
Piensarjatuotannossa määrä riippuu tuotteesta, ja se voi olla satoja kappaleita tai vähemmän. Seuraavassa on joitakin esimerkkejä.
Yllä olevaan taulukkoon ei ole sisällytetty kaikkia tilaustyönä valmistettuja kartonkituotteita, joissa voidaan käyttää piensarjatuotantoa. Siinä annetaan kuitenkin yleisiä esimerkkejä piensarjatuotannosta, ja näihin esimerkkeihin liittyy yleensä räätälöity suunnittelutyö. Tämä auttaa meitä määrittelemään tapoja tehostaa tuotantoprosessia.
Tehokas pienen erän mukautettu PCB-tuotanto
Tehokas pienten erien piirilevytuotanto voidaan määritellä siten, että levyt rakennetaan tavalla, joka antaa suurimman tuoton, lyhimmän läpimenoajan ja parhaat kustannukset. Nämä tavoitteet voidaan saavuttaa seuraavilla toimilla.
Kuinka saavuttaa korkein tuotto
Tuotto on käyttökelpoisten levyjen suhde tuotettujen levyjen kokonaismäärään. Saantoprosenttia voidaan parantaa käyttämällä hyviä suunnittelusääntöjä, kuten noudattamalla CM:n DFM-sääntöjä ja parantamalla suunnittelun laatua prototyyppivaiheessa.
Hyvä tuotto ei synny sattumalta. Se alkaa selkeästä suunnittelusta, puhtaasta BOM:stä ja oikeista jalanjäljistä. Se riippuu myös siitä, tukeeko piirilevyn ulkoasu helppoa valmistusta ja helppoa kokoonpanoa. Lopputulokseen vaikuttavat esimerkiksi tyynyjen koko, jälkien väli, läpivientirakenne, komponenttien etäisyys toisistaan ja juotosmaskin aukko. Jos suunnittelu on valmistusta suosiva, piirilevy on paljon helpompi rakentaa, ja virheiden määrä vähenee.
Kuinka saada lyhin PCB-kierrosaika
Hyvä piirilevytuotantoprosessi mitataan usein sillä, kuinka nopeasti levy voidaan rakentaa. Nopeus ei kuitenkaan koskaan saisi korvata laatua. Siksi on erittäin tärkeää valita valmistus- ja kokoonpanopalvelut, jotka pystyvät optimoimaan molemmat samanaikaisesti.
Nopea läpimeno edellyttää hyvää suunnittelua. Se edellyttää oikeita tiedostoja, selkeitä suunnittelutietoja, täydellisiä komponenttiluetteloita ja vakaita toimitusketjuja. Jos osat ovat valmiina, levy on valmis ja prosessi on selkeä, tuotanto voi edetä paljon nopeammin. Jos jokin näistä osista puuttuu, aikataulu voi lipsua.
Miten saada parhaat kustannukset
Pienten erien mukautetussa PCB-tuotannossa alhaisin kustannus ei aina ole paras valinta. Tavoitteena on saada paras hinta.
Tämä tarkoittaa oikean tasapainon löytämistä ajan ja kustannusten välillä. Se tarkoittaa myös sitä, että CM-yrityksesi pystyy tuottamaan mahdollisimman laadukkaita levyjä mahdollisimman pienellä jätemäärällä. Monissa tapauksissa hieman korkeampi yksikköhinta voi säästää paljon rahaa myöhemmin, koska se voi vähentää jälkitöitä, romua ja viivästyksiä.
Lyhyesti sanottuna paras hinta ei ole vain halvin tarjous. Se on kokonaiskustannus alusta loppuun, mukaan lukien tuotto, työ, jälkityöt, materiaalihävikki ja toimitusaika.
SMT-prototyyppien ja pienerien PCBA-prosessin kulku
Alla on esitetty normaali prosessin kulku SMT-prototyyppien, pienten erien tai PCBA:n käsittelyä varten:
1. Yksipuolinen pinta-asennuskokoonpano
Juotospastan tulostus → komponenttien sijoittelu → reflow-juottaminen
Tämä on yksinkertaisin SMT-prosessi. Sitä käytetään, kun kaikki SMD-osat asennetaan piirilevyn yhdelle puolelle. Juotospasta tulostetaan ensin, osat sijoitetaan ja sitten levy juotetaan uudelleen.
2. Kaksipuolinen pinta-asennus
A-puolen juotospastan tulostus → komponenttien sijoittelu → reflow-juottaminen → levyn kääntäminen → B-puolen juotospastan tulostus → komponenttien sijoittelu → reflow-juottaminen
Tätä prosessia käytetään, kun SMD-osat asennetaan piirilevyn molemmille puolille. Ensimmäinen puoli kootaan ja sulatetaan ensin, sitten levy käännetään ja toinen puoli tehdään seuraavaksi.
3. Yksipuolinen sekakokoonpano
(SMD- ja läpireikäkomponentit samalla puolella)
Juotospastan tulostaminen → komponenttien sijoittelu → reflow-juottaminen → läpireikäkomponenttien manuaalinen asettaminen (THC / THT) → aaltojuottaminen
Tätä prosessia käytetään, kun levyssä on sekä SMD- että läpireikäosia samalla puolella. SMD-osat sijoitetaan ja sulatetaan ensin. Sen jälkeen läpireikäosat asetetaan käsin, ja levy juotetaan aaltojuottamalla.
4. Yksipuolinen sekakokoonpano
(SMD- ja läpireikäkomponentit piirilevyn eri puolilla)
B-puolen punaisen liiman tulostus → komponenttien sijoittaminen → punaisen liiman kovettuminen → levyn kääntäminen → A-puolen läpireikien asettaminen → B-puolen aaltojuottaminen
Tätä menetelmää käytetään, kun SMD- ja läpireikäosat ovat eri puolilla. Punainen liima auttaa pitämään osat paikoillaan, ja kovettuminen tekee liimasta kovan ennen seuraavaa vaihetta.
5. Kaksipuolinen sekakokoonpano
(THC A-puolella, SMD sekä A- että B-puolella).
A-puolen juotospastan tulostus → komponenttien sijoittelu → reflow-juottaminen → levyn kääntäminen → B-puolen punaliiman tulostus → komponenttien sijoittelu → punaliiman kovettuminen → levyn kääntäminen → A-puolen läpireikien asettaminen → B-puolen aaltojuottaminen
Tämä prosessi on monimutkaisempi. Sitä käytetään, kun levyn molemmilla puolilla on SMD-osia ja A-puolella läpireikäisiä osia.
6. Kaksipuolinen sekakokoonpano
(SMD ja THC sekä A- että B-puolella)
A-puolen juotospastan tulostus → komponenttien sijoittelu → reflow-juottaminen → levyn kääntäminen → B-puolen punaliiman tulostus → komponenttien sijoittelu → punaliiman kovettuminen → levyn kääntäminen → A-puolen läpireikien asettaminen → B-puolen aaltojuottaminen → B-puolen läpireikien asettaminen
Tämä on luettelon monimutkaisin prosessi. Sitä käytetään, kun piirilevyn molemmilla puolilla on sekä SMD- että läpireikäisiä komponentteja.
Näiden vaiheiden jälkeen levyä voidaan käyttää tietokonetuotteisiin, niihin liittyviin tuotteisiin, viestintätuotteisiin, kulutuselektroniikkaan ja moniin muihin sovelluksiin.
Tällaisia prosesseja SMT-työpajat käsittelevät päivittäin. Jokaisen tehtaalta lähtevän tuotteen on läpäistävä tiukka tarkastus. Näin varmistetaan, että jokainen asiakas saa ongelmattoman tuotteen. Se on myös yksi hyvän piirilevyvalmistajan keskeisistä tehtävistä.
Miksi pienen erän mukautettu PCB-tuotanto on tärkeää
Pieni erä mukautettua PCB-tuotantoa on erittäin tärkeää todellisessa valmistustyössä. Se antaa insinööreille mahdollisuuden testata ideoita, parantaa suunnitelmia ja vähentää riskejä ennen kuin täysi tuotanto alkaa. Se on myös erittäin hyödyllistä erikoistuotteille, koska jotkin tuotteet eivät tarvitse suuria määriä, mutta ne tarvitsevat korkeaa laatua ja luotettavuutta.
Monissa tapauksissa piensarjatuotanto ei ole vain ensimmäinen askel. Se on osa tuotteen koko elinkaarta. Levy voi käydä läpi useita prototyyppikierroksia, useita testikierroksia ja useita prosessimuutoksia ennen kuin se on valmis lopulliseen käyttöön. Jos prosessi hallitaan hyvin, tiimi voi säästää aikaa ja kustannuksia ja saada paremman lopputuloksen.
Lopulliset ajatukset
Pienerien mukautetun piirilevytuotannon tehokkuuden maksimoimiseksi tärkeintä ei ole vain valmistaa levyt nopeasti. Todellinen tavoite on tehdä levyt hyvin, suurella tuotolla, lyhyellä toimitusajalla ja hyvällä kustannusten hallinnalla.
Tämä tarkoittaa, että tarvitset vahvaa DFM- ja DFA-tukea, hyvää prototyyppien valvontaa, selkeää kokoonpanoprosessia, vakaata osien toimitusta ja tiukkaa testausta. Kun kaikki nämä osat toimivat yhdessä, piensarjatuotannosta tulee tehokkaampaa, vakaampaa ja hyödyllisempää reaalimaailman tuotekehityksessä.