Fino all’80% del costo di un prodotto finale è determinato da come esso viene progettato (mentre il resto è generalmente dovuto ai costi generali e ai costi di capitale). Ne consegue naturalmente che ridurre il costo di un prodotto in fase di progettazione è di importanza cruciale per realizzare un prodotto finale di successo e competitivo in termini di costo. Il design per la produzione e l’assemblaggio è un approccio formale che esamina i componenti di un prodotto e i costi di assemblaggio, con l’obiettivo di ridurre i costi prima dell’inizio della produzione reale. Questo articolo inizierà con una discussione generale dei concetti di design per la produzione e design per l’assemblaggio e poi questa discussione sarà approfondita in dettaglio in voci successive, che tratteranno gli aspetti specifici relativi al design dei PCB per la produzione e per l’assemblaggio. Infine, un’ultima voce concluderà la serie con una discussione dei problemi di progettazione dei PCB più comunemente riscontrati.
Prima di una descrizione continua, è necessario discutere come viene utilizzato il termine "progettazione per la produzione" quando si parla in termini più generali e quando si discuteProduzione di PCBpiù specificamente.La progettazione per la produzione e la progettazione per l’assemblaggio possono riferirsi, in senso generale, alla semplificazione e all’ottimizzazione di un prototipo o di un progetto concettuale in preparazione alla sua produzioneQuando questi termini vengono utilizzati per discutere dei PCB, spesso indicano un esame più diretto dei potenziali problemi di produzione. Il primo articolo di questa serie utilizzerà la prima definizione mentre discuteremo i concetti in senso ampio, mentre il secondo e il terzo utilizzeranno la seconda definizione quando sposteremo la nostra attenzione sulla produzione e sull’assemblaggio dei PCB.
In generale, l’obiettivo della discussione sulla progettazione per la produzione e l’assemblaggio è determinare come progettare un prodotto che possa essere fabbricato e assemblato nel modo più economico possibile. La progettazione per la produzione (DFM) riguarda la riduzione del costo complessivo di produzione e, più specificamente, la progettazione per l’assemblaggio (DFA) riguarda la riduzione degli input di materiale, dei costi fissi di capitale e della manodopera. Entrambe si concentrano sull’applicazione di standard per ridurre i costi di produzione e mirano anche ad abbreviare il ciclo di sviluppo del prodotto. La combinazione delle due metodologie è comunemente indicata come progettazione per la produzione e l’assemblaggio (DFMA). La sezione successiva discuterà entrambi i tipi di analisi in combinazione, poiché sono così strettamente correlati e i due termini sono spesso usati in modo intercambiabile.
L’analisi DFMA inizia dopo che è stato prima creato un progetto concettuale. Un progetto concettuale può comportare la realizzazione di un prototipo o lo sviluppo di una nuova versione di un prodotto. Dopo che è stato creato un progetto concettuale, la distinta base (BOM) di questo progetto può essere esaminata tramite un’analisi DFMA. Le regole a cui si attiene la DFMA sono illustrate come segue:
•Ridurre al minimo il numero di parti in un progetto
Ridurre il numero di componenti in un progetto PCB è un obiettivo semplice con benefici evidenti. Ridurrà il costo di quel progetto e la complessità dell’assemblaggio e, sebbene non sia così evidente, è di grande vantaggio. Ad esempio, quando si utilizzano macchine pick and place per popolare gli assiemi PCB, esse sono limitate dal numero di componenti che possono gestire in un singolo passaggio. Prestare attenzione al numero di componenti che la macchina pick and place utilizza nell’assemblaggio del circuito stampato può portare a riduzioni di costo non ovvie. Se, per esempio, un progetto richiede una resistenza da 20K e nel progetto sono già state utilizzate resistenze da 10K, potrebbe in realtà essere più economico usare due resistenze da 10K in serie quando ciò può ridurre il numero di volte in cui la macchina pick and place deve funzionare. Allo stesso modo, cercare circuiti integrati standard che possano consolidare una parte del progetto in un singolo IC può velocizzare i tempi di assemblaggio e spostare parte dei requisiti di collaudo sul produttore dell’IC. Pertanto, prestare attenzione al numero e al tipo di componenti PCB è probabilmente il passo più importante perridurre il costo complessivo di produzione del PCBIn una parola,se una parte non è richiesta per il progetto finale, eliminarla ridurrà il costo della distinta base (BOM), i costi di acquisto, il tempo di lavorazione, il tempo di collaudo e l’apporto di manodopera per l’assemblaggio.
•Sviluppa un design modulare
Prendi in considerazione la possibilità di suddividere i progetti PCB in blocchi funzionali se puoi utilizzare tali blocchi in diversi prodotti. Aumentare la quantità di un determinato modulo ordinato a un produttore può ridurre notevolmente il costo per unità di quel modulo. È inoltre da notare che l’uso di moduli può ridurre il costo e la complessità del collaudo di un assieme completato, semplificando il processo di test. I sistemi più piccoli sono intrinsecamente più facili da testare e riparare rispetto a quelli più grandi. Ovviamente, il vantaggio in termini di costi che puoi ottenere da un’applicazione di progettazione modulare deve essere valutato rispetto all’aumento dei costi di interconnessione associati all’uso di più moduli. Altri vantaggi delle caratteristiche di progettazione modulare includono la facilità di aggiornamento del progetto, la standardizzazione dei sottosistemi su più prodotti e una più semplice ricerca dei guasti nei sottosistemi di prodotto.
•Sforzati di utilizzare componenti standard
L'uso di componenti standard è estremamente efficace nel ridurre il tempo e i costi di sviluppo del progetto. È superfluo dire che specificare una soluzione personalizzata complessa aumenterà notevolmente il costo iniziale di qualsiasi prodotto e potrebbe rendere un progetto non realizzabile. L'impiego di componenti più comuni può anche semplificare la catena di approvvigionamento di un prodotto e attenuare i problemi legati alla fornitura dei componenti. Un altro vantaggio nel preferire componenti standard risiede nel fatto che i loro footprint sono più facilmente verificabili prima di essere utilizzati in un progetto PCB.
•Fai Maggiore Affidamento su Componenti Multifunzionali
Ogni volta che un componente elettrico può svolgere più funzioni in un progetto, conviene al progettista PCB trarne vantaggio. Ad esempio, utilizzare un contenitore che possa anche fungere da dissipatore di calore in un progetto può offrire notevoli risparmi sui costi del progetto. Un altro esempio di dispositivo a doppio uso è l’impiego di un distanziatore come collegamento a terra dall’PCB al contenitore dell’PCB tramite un foro di montaggio collegato sul PCB.
•Progettare moduli per l’uso in più prodotti
L’utilizzo di componenti standard in una gamma di prodotti può ridurre i costi di gestione e consentire economie di scala negli acquisti. Questo concetto può essere esteso anche ai moduli di prodotto. Se un modulo può essere utilizzato in diversi prodotti, l’aumento del volume di produzione può ridurne il costo e, in ultima analisi, portare a un costo inferiore del prodotto finito.
•Progettare per facilitare la fabbricazione
Selezione dei materiali PCBche richiedono meno lavorazione durante la fabbricazione possono semplificare notevolmente la produzione del prodotto. Evitare operazioni come dover verniciare un involucro utilizzando un materiale adeguato per l’involucro può eliminare intere fasi di produzione e ridurre il costo del prodotto. Inoltre, assicurarsi che i componenti del progetto non siano realizzati con tolleranze eccessivamente ampie può eliminare la rilavorazione dei pezzi, dispendiosa in termini di tempo e costi, durante l’assemblaggio.
•Ridurre ed evitare, se possibile, l’uso di elementi di fissaggio
Quando si deve assemblare un PCB, come per tutti i prodotti, l’uso di elementi di fissaggio per montare i componenti costa di più rispetto all’impiego di tecniche di montaggio a pressione. Per sfruttare questo vantaggio, cerca di ridurre l’uso di elementi di fissaggio nel tuo assemblaggio. Un modo per farlo è utilizzare versioni SMD dei circuiti integrati di potenza e integrare la dissipazione del calore nel progetto della scheda. Ad esempio, passare da una versione TO-220 di un circuito integrato che utilizza un dissipatore di calore esterno a una versione D2PAK che usa il PCB come dissipatore di calore integrato può far risparmiare una quantità considerevole nel progetto finale.
•Minimizzare le istruzioni di montaggio
Se possibile, tutte le parti dovrebbero essere installate lungo un unico asse a partire dallo stesso lato di un assieme. Questo è spesso indicato come assemblaggio “dall’alto verso il basso” (“Top Down”), in cui tutti i componenti vengono installati dall’alto verso il basso nell’assieme finale. L’utilizzo di questo tipo di processo di assemblaggio su un solo lato consente di risparmiare il tempo associato al ribaltamento e alla rotazione di un prodotto durante l’assemblaggio. Pertanto, come per tutte le decisioni di progettazione, i progettisti di PCB dovranno valutare se sia meglio produrre un PCB più piccolo con componenti posizionati su entrambi i lati della scheda oppure progettare un PCB più grande con componenti posizionati su un solo lato della scheda (PCBCart ha la capacità di gestire sia i circuiti stampati monofacciaAssemblaggio PCBe assemblaggio bifacciale).
•Massimizza l'accettazione del posizionamento dei componenti
Gli ingegneri dovrebbero progettare i PCB in modo tale da ridurre gli errori di montaggio dei componenti. Ciò può essere ottenuto utilizzando componenti che presentano tolleranze dimensionali maggiori (maggiore passo dei pin) o evitando problemi come il tombstoning. L’uso di parti progettate con elevati livelli di tolleranza di posizionamento può ridurre notevolmente il tasso di guasto di un assieme. Inoltre, l’impiego di strutture di base rigide e dimensionalmente prevedibili può migliorare anche la percentuale di posizionamento corretto di un componente. Inoltre, sistemi di feedback basati su visione artificiale e altre forme di feedback consentono processi di automazione del posizionamento che possono migliorare notevolmente la resa produttiva.
•Ridurre al minimo il riposizionamento e la movimentazione durante l’assemblaggio dei PCB
Ogni volta che un PCB viene riposizionato durante il processo di assemblaggio, aumenta il tempo necessario per montare i componenti su quel PCB. È facile capire che il riposizionamento si rende necessario ogni volta che un PCB presenta due lati e i componenti vengono installati sul lato frontale e posteriore del PCB. Quando possibile, utilizza tutti i componenti a montaggio superficiale su un solo lato della scheda. L’uso esclusivo di dispositivi a montaggio superficiale limiterà la fase di saldatura del processo di assemblaggio a un unico passaggio di rifusione, mentre l’inclusione di componenti a foro passante può richiedere un’ulteriore fase di saldatura a onda o una saldatura manuale.
- • È necessario gestire e documentare un numero inferiore di parti.
- • Il costo della distinta base può essere ridotto.
- • I costi di gestione possono essere ridotti in una certa misura.
- • L’apporto di lavoro ed energia può essere ridotto.
- • Il tempo complessivo di produzione può essere ridotto, in modo da migliorare notevolmente l’efficienza produttiva.
- • Una minore complessità porta a una maggiore affidabilità.
- • I prodotti possono essere più competitivi.
- • Si otterranno margini più elevati.
La DFMA è un percorso chiaro per ridurre il costo del tuo prossimo progetto. I vantaggi della riduzione del numero di componenti in un progetto sono evidenti. I prodotti saranno più validi se hanno un costo inferiore e sono meno soggetti a guasti ma, riducendo la quantità di materiali che entrano nella realizzazione dei prodotti, si riducono anche i costi di movimentazione, si minimizzano i requisiti di documentazione e si abbassa il lavoro di assemblaggio richiesto. Tutti questi fattori portano a costi di produzione più bassi e consentono sia margini più elevati per i prodotti sia di prezzare i prodotti a un livello più competitivo. Inoltre, i tempi di produzione si riducono, permettendo di consegnare il prodotto al cliente in meno tempo. La DFMA formalizza l’implementazione di questi obiettivi.
