Le schede a circuito stampato (PCB) sono il pilastro per l’alimentazione di quasi tutti i prodotti elettronici moderni, che vanno dai più piccoli orologi digitali da polso e dispositivi indossabili alle apparecchiature industriali, ai laptop, ai dispositivi di comunicazione ad alte prestazioni e molti altri. Il costo di realizzazione di una PCB dipende in modo esponenziale dalle specifiche richieste nel progetto, dai materiali utilizzati per la PCB, dal volume di produzione e dalla complessità coinvolta nel processo produttivo. Il costo può variare da un minimo di 50 centesimi per semplici PCB rigide monostrato fino a un massimo di 500 dollari per PCB di fascia alta e altamente specializzate comePCB rigido-flessibili, PCB RF ad alta frequenza, PCB HDI ad alta densità e molti altri. È molto importante per progettisti, ingegneri e aziende comprendere i fattori fondamentali che influenzano il costo dei PCB, soprattutto considerando quanto tale conoscenza sia vitale per la produzione di prototipi di nuovi prodotti, così come per intraprendere processi di produzione di massa per molti diversi prodotti elettronici senza compromettere le prestazioni e l’efficienza di questi prodotti.
Fattori chiave che determinano i costi dei PCB
Il prezzo di un PCB non è un calcolo semplice e ogni decisione, ogni requisito o ogni fattore influisce sul prezzo di un circuito stampato. Il materiale utilizzato, il numero di strati, la dimensione dell’ordine e persino il tempo sono solo alcuni dei molti fattori che devono essere valutati durante la produzione di un circuito stampato, come mostrato di seguito:
Materiali del substrato e specifiche del rame
La base di un PCB è il substrato utilizzato per realizzare la scheda e la scelta del substrato è uno dei fattori più costosi in un PCB. L’FR4 è l’opzione più economica per l’elettronica generale tipica e i prodotti di consumo, mentre tutti gli altri materiali costano almeno 1 volta in più prendendo l’FR4 come riferimento. Materiali specializzati per PCB di fascia alta, PCB termici,PCB flessibiliecc. saranno più costosi:
· FR4 ad alto Tg (1,2-1,5x FR4):Adatto per applicazioni di controllo automobilistico e industriale, con proprietà termiche superiori a fronte di un moderato aumento di prezzo.
· Materiali Rogers (3-8x FR4):Schede RF/microonde e digitali ad alta velocità. Perdita dielettrica molto bassa ed eccellente stabilità alle alte frequenze.
· Materiali flessibili in poliimmide (4-10x FR4):Questi materiali costituiscono la base della flessibilità dei PCB e fungono da nucleo dei PCB.
· Circuiti stampati con nucleo metallico (MCPCB) (2-4x FR4):Ottimizzato per applicazioni di illuminazione a LED e di alimentazione con prestazioni termiche ai vertici del settore.
Il peso e lo spessore del rame contribuiscono anche al costo del materiale. Il rame da 1 oz è utilizzato secondo gli standard di settore ed è il più conveniente.Rame più spesso (2 oz, 3 oz, ecc.)richiede un trattamento speciale e può costare dal 50% al 200% in più. Dovrebbe essere utilizzato solo per dispositivi ad alta potenza di corrente.
Conteggio degli strati e complessità di produzione
Questo perché il numero di strati ha un effetto diretto sul processo di produzione effettivo. I PCB a singolo strato sono i più economici e i più facili da produrre. Tuttavia, i PCB con più strati, come 4, 6, 8 e 10+, diventano molto complicati nella produzione e nel collaudo effettivi. Inoltre, il costo dei PCB multistrato non segue un andamento lineare. Ad esempio, quando si aggiungono ulteriori strati ai PCB, poniamo da 2 a 4, il costo aumenta solo del 30%–40%. Tuttavia, nel caso dei PCB a 4 strati, il loro costo può essere da 3 a 4 volte superiore rispetto ai PCB a 2 strati a causa dell’elaborazione complessa e dei lunghi cicli di produzione. Inoltre, i PCB a 10+ strati sono i più costosi, con un costo da 3,00 a 15,00+ dollari per pollice quadrato.
Oltre a ciò, l’altro fattore che influisce sul prezzo è la complessità del progetto dello schema, che non si limita al numero di strati. Quanto più fini sono le piste in termini di larghezze e spaziature, ad esempio 2/2 mil invece del valore standard di 6/6 mil, tanto più il costo è superiore del 50-100%. Anche le tolleranze ristrette contribuiscono all’aumento dei costi.
Dimensione del pannello e utilizzo del pannello
Le dimensioni del PCB determinano la quantità di materie prime necessarie. Un PCB più grande per una macchina richiede più denaro rispetto a un PCB piccolo per un laptop. Ma un PCB piccolo per uno smartwatch, con molti componenti e quindi un’elevata funzionalità, costa molto meno da produrre rispetto a un PCB grande per una macchina, anche se il PCB piccolo potrebbe contenere molti componenti. I PCM per un PCB possono essere 457 x 610 mm (18 x 24”), 457 x 533 mm (18 x 21”) e 533 x 610 mm (21 x 24”). L’utilizzo del pannello è una tecnica di ottimizzazione dei costi molto importante nella produzione di PCB, con il PCB progettato per ospitare il maggior numero possibile di PCB su un pannello per ridurre il costo per PCB.
Tipi di vie e requisiti di chiodatura
I via realizzano connessioni tra gli strati di un circuito stampato; il loro costo dipende fortemente dai tipi specifici di via scelti, così come dalle loro dimensioni. I via passanti (la scelta standard che attraversa tutti gli strati della scheda) sono l’opzione a costo più basso e devono avere un diametro di almeno 0,1 mm (4 mil). I via specializzati richiedono tecniche complesse di foratura e placcatura, il che li rende costosi:
· Via cieche (+30–50%):Collega uno strato esterno a uno strato interno. Dimensione minima: 0,075 mm / 3 mil.
· Via interrate (+50–80%):Questi vias sono nascosti tra gli strati interni (0,075 mm/3 mil minimo).
· Microvias (+100–200%):Microvias (diametro minimo 0,05 mm/2 mil) per schede HDI, telefoni cellulari.
La foratura specializzata dei microvia per i circuiti stampati HDI (High-Density Interconnect) può costare da 2 a 5 volte di più rispetto a un PCB normale.
Finiture superficiali e solder mask
Le finiture superficiali proteggono le piste in rame del PCB e garantiscono un’affidabile saldabilità; il costo varia notevolmente a seconda del tipo. Lo standard di base per uso generale è l’HASL (Hot Air Solder Leveling, moltiplicatore di costo 1x), che offre un’eccellente saldabilità a basso costo. L’HASL senza piombo (1,1x) comporta un piccolo sovrapprezzo per la conformità RoHS. Finiture più avanzate:
· OSP (Organic Solderability Preservative, 1,2x):Si tratta di una finitura economica e opaca, ben adatta all’assemblaggio SMT. Ha una durata di conservazione relativamente breve, pari a 6 mesi.
· Stagnatura a immersione (1,3x):Eccellente per connettori a innesto a pressione, con una durata di conservazione di 6 mesi.
· Argento a immersione (1,5x):Molto buono per applicazioni ad alta frequenza e con una durata di conservazione da 6 a 12 mesi.
· ENIG (Nichel chimico oro a immersione, 1,8–2,5x):Finitura piatta ad alte prestazioni per componenti a passo fine, ad es. BGA, wire bonding. Durata di conservazione superiore a 12 mesi.
La solder mask, che isola il PCB e previene i cortocircuiti, influisce anche sui costi. La solder mask verde è l’opzione più economica; qualsiasi altro colore – nero, bianco, rosso, blu, viola – aumenta i costi del 10-20%, a causa degli inchiostri speciali e delle fasi di produzione richieste. La stampa serigrafica ad alta risoluzione per l’etichettatura dei componenti, la marcatura dei punti di test o la visualizzazione di simboli di avvertimento è un’opzione, e diversi produttori offrono una serigrafia di base gratuitamente, applicando un piccolo sovrapprezzo per la stampa serigrafica dettagliata.
Volume di produzione ed economie di scala
Come per la maggior parte dei prodotti, le economie di scala svolgono un ruolo fondamentale nel rendere i PCB poco costosi. I costi fissi di produzione (come i costi di setup o di progettazione) vengono ripartiti su molte unità, facendo crollare il prezzo di una singola scheda negli acquisti all’ingrosso.Ordini di prototipi o a bassa quantitàassorbire tutti questi costi fissi, con conseguente aumento del costo per pollice quadrato:
· Prototipazione (1-10 pezzi):Da $5,00 a $20,00 per pollice quadrato di materiale (Impatto di costo fisso molto elevato).
· Piccolo lotto (25-100 pezzi):Da $2,00 a $8,00 per pollice quadrato (effetto di riduzione dei costi fissi per i prodotti iniziali).
· Lotto medio (da 500 a 1000 pezzi):Da $0,50 a $3,00 per pollice quadrato (notevoli risparmi di scala per la produzione in crescita).
·Produzione di massa (oltre 5000 pezzi):$0,20-$1,50 per pollice quadrato (costo per unità più basso, dispositivi consumer adatti, applicazioni industriali ad alto volume).
Nel caso di normali circuiti stampati rigidi, gli ordini in grandi quantità possono ridurre il costo unitario a meno di 1 $ per le schede monostrato, mentre per le schede multistrato è possibile ottenere anche una riduzione dal 20 al 50 percento rispetto agli ordini di piccolo volume.
Tempi di consegna e produzione urgente
Esiste una proporzione inversa tra il tempo di consegna dei PCB e il costo. I tempi di produzione standard di 3-21 giorni si collocano nella fascia più bassa dello spettro e sono quindi più convenienti per i produttori, poiché possono pianificare in modo più efficiente. Gli ordini urgenti, sia che si tratti di prototipazione rapida (1-3 giorni) sia di produzione in grandi quantità, aumentano notevolmente il prezzo, con rincari che possono arrivare fino al 25-100%.
Costi nascosti ed elementi aggiuntivi di produzione
Numerosi fattori spesso trascurati contribuiscono al costo complessivo di un PCB, soprattutto per progetti personalizzati o complessi:
· Commissioni di ingegneria e installazione::Si tratta di costi una tantum che includono i controlli delle regole di progettazione (DRC) e la configurazione della produzione. Vanno da 50 a 500 dollari per le schede più complesse.
· Costi di attrezzature e utensili:Maschere speciali o dime di fresatura che possono essere necessarie per progetti particolari possono variare da 200 a 2000 dollari. Queste possono essere utili in caso di ordini ripetuti.
· Test e convalida:I test elettrici, come i flying probe, i test ICT o i test di impedenza, garantiscono l’affidabilità dei PCB. I costi di questi test variano tra 0,50 e 5,00 dollari per scheda. Il test ICT, essendo il più avanzato, è costoso per ordini di basso volume ma fa risparmiare denaro sugli ordini di grandi dimensioni, poiché verifica quasi ogni componente in meno di un minuto.
· Componenti elettronici e parti funzionali:I componenti utilizzati o le parti funzionali, come la loro quantità o scarsità (ad esempio resistori, condensatori e relè), influenzano il prezzo di un prodotto aumentando i costi dei materiali a causa dei componenti rari oppure rendendo necessaria una progettazione più robusta del PCB.
· Costi del lavoroPer la gestione di PCB complessi, flessibili multistrato o RF è richiesta manodopera qualificata, aumentando così i costi di produzione rispetto all’impiego di manodopera non qualificata per la gestione di PCB semplici e rigidi.
· Imballaggio:Gli imballaggi speciali, ad esempio per PCB sensibili/di valore, sono anch’essi un fattore di costo; tuttavia, nella maggior parte dei casi si raccomandano soluzioni di imballaggio economicamente convenienti per evitare sforamenti di budget.
· StencilGli stencil PCB, necessari per il processo SGP, sono disponibili in diversi formati, e quelli di qualità superiore sono più costosi rispetto a quelli normali.
Fasce di costo tipiche per diversi tipi di PCB
Il costo dei PCB varia in base ai tipi di PCB. I PCB più semplici, chiamati anchePCB rigidi standard, sono i più economici da produrre. I più costosi da produrre sono i PCB speciali e i PCB flessibili. La tabella seguente illustra le fasce di costo dei PCB più diffusi.
PCB rigidi standard
I costi dei PCB rigidi aumentano con il numero di strati e con il volume di produzione. Per i circuiti stampati rigidi standard, il costo medio per pollice quadrato è compreso tra 0,02 e 0,05 dollari per ordini all’ingrosso. I loro prezzi variano in base al numero di strati come segue:
· Strato singolo:$0,10–$0,50 per pollice quadrato (basso volume: $1–$5 per unità; all’ingrosso: meno di $1 per unità).
· A doppio strato:0,20–1,00 $ per pollice quadrato (basso volume: 1–10 $ per unità; all’ingrosso: 30–50% in meno).
· 4 strati:$0,50–$2,50 per pollice quadrato (basso volume: $10–$20 per unità; all’ingrosso: inferiore del 20–50%).
· 6 strati:$1,00–$4,00 per pollice quadrato (tempi di consegna 5–7 giorni, traccia/spaziatura minima 3/3 mil).
· 8 strati:Da $1,50 a $6,00 per pollice quadrato (tempi di consegna 10–14 giorni, traccia/spaziatura minima 2,5/2,5 mil).
· oltre 10 livelli:Da $3,00 a $15,00+ per pollice quadrato (tempi di consegna 14–21 giorni, traccia/spaziatura minima 2/2 mil, per elettronica industriale/aeronautica ad alte prestazioni).
PCB flessibili e rigido-flessibili
I PCB flessibili sono realizzati con materiali PET o materiali in poliimmide, mentre i PCB rigido-flessibili sono PCB ibridi con sezioni esterne rigide e sezioni interne flessibili. Sono pensati per piccoli dispositivi pieghevoli o ripiegabili. Sono piuttosto costosi rispetto ai PCB rigidi a causa di materiali e processi speciali:
· PCB flessibili:Il loro costo è da 3 a 10 volte quello dei PCB standard, con il costo più basso per un PCB flessibile a singolo strato e il costo più alto per un PCB flessibile multistrato. L’intervallo di spessore del rame per i PCB flessibili va da 1/3 oz a 3 oz.
· PCB rigido-flessibili:circa 7 volte quello dei PCB rigidi standard. Questo maggiore fattore di costo può essere attribuito ai costi più elevati del materiale prepreg no-flow (10 volte quelli dei materiali prepreg FR4 convenzionali); alla complessità di assemblaggio (i componenti del PC vengono mantenuti separati e poi assemblati insieme); e ai tassi di resa inferiori (una combinazione di tipi di materiale rigido e flessibile richiede competenze specialistiche).
PCB speciali
I PCB speciali per RF ad alta frequenza, rame spesso, HDI e alta densità hanno i prezzi più elevati, essendo progettati per applicazioni specifiche:
·PCB ad alta frequenza/RF:Da 5 a 15 volte il costo dei PCB rigidi in FR4, utilizzando substrati Rogers per una bassa perdita dielettrica e impedenza controllata (per telecomunicazioni, aerospaziale e apparecchiature a microonde).
· PCB in rame spesso:Dal 100 al 300% più costose rispetto alle schede standard con rame da 1 oz, progettate per l’elettronica di potenza ad alta corrente (rame da 3 oz o superiore).
· PCB HDI:Da 2 a 5 volte il costo dei PCB rigidi standard, facendo affidamento sui microvia per il posizionamento ad alta densità dei componenti (dispositivi mobili, elettronica di consumo avanzata).
· PCB a densità ultra elevata:Da 50 a 100 dollari per pollice quadrato, per progetti complessi con miniaturizzazione estrema.
· PCB flessibili personalizzati:Fino a oltre 500 $ per pollice quadrato per progetti flessibili altamente specializzati e ad alta complessità (ad esempio per impianti medici o apparecchiature aerospaziali).
Strategie pratiche per ridurre il costo dei PCB
Per fortuna, esistono modi per ottimizzare i costi associati ai PCB che non devono necessariamente comportare compromessi che incidano sulle prestazioni o sulla qualità; molte decisioni, anche quelle apparentemente minori in fase di progettazione e produzione, possono tradursi in risparmi significativi. Di seguito sono riportati i passaggi che si possono intraprendere per ridurre i costi dei PCB senza compromettere i requisiti di funzionalità.
Ottimizzazione del design
Il design è l’ambito principale per ridurre i costi dei PCB. Questo perché offre la maggiore opportunità:
·Riduci al minimo il numero di strati ove possibile: utilizza un instradamento intelligente e componenti adeguati per diminuire il numero di strati di una scheda (ad esempio, una scheda a 2 strati invece di una a 4 strati).
·Attenersi alle normali tolleranze di produzione: evitare larghezze/spaziature delle piste ultra-fini, ad esempio mantenersi su 6/6 mil invece di puntare a 2/2 mil. Evitare tolleranze dimensionali eccessivamente rilassate.
·Ottimizzare l'utilizzo del pannello:Progetta il PCB in conformità alle dimensioni standard dei pannellie ottimizzare il numero di pezzi per pannello per ottenere un potenziale grande risparmio di denaro.
·Applicare il posizionamento dei componenti su un solo lato: questo riduce al minimo il tempo di assemblaggio della scheda poiché tutti i componenti si trovano su un solo lato, richiedendo un’unica fase di rifusione. Inoltre, questo metodo riduce al minimo i costi dello stencil per una scheda a due strati.
Selezione di Materiali e Finiture
Seleziona materiali e finiture economicamente convenienti con le proprietà prestazionali necessarie per il tuo progetto:
·Attieniti al substrato FR4 standard e al rame da 1 oz: questa è la combinazione di materiali più economica per il 90% di tutti i progetti elettronici.
·Opzioni di finitura superficiale a basso costo: HASL (o "HASL lead-free") dovrebbe essere scelto per PCB generici e OSP per un assemblaggio SMT, con l’opzione ENIG se sono necessari componenti a passo fine come i BGA.
·Opta per una solder mask verde: evita l’opzione dei colori personalizzati, poiché è previsto un sovrapprezzo del 10-20% per gli inchiostri della solder mask non standard.
·Utilizzare materiali sostitutivi: per applicazioni non critiche, sostituire il materiale CEM-3 (un materiale a costo inferiore con proprietà simili all’FR4) o l’oro elettrolitico al posto dello stagno-piombo.
Pianificazione della produzione
Sfrutta le economie di scala e tempi di consegna flessibili per ridurre i costi per unità:
·Ordina in grandi quantità: combina le serie di prototipi e di produzione (se i tempi lo consentono) per beneficiare degli sconti per volume: anche un piccolo aumento della quantità ordinata può ridurre significativamente il costo per unità.
·Evitare la produzione urgente: estendere i tempi di consegna ai normali tempi di produzione (3–21 giorni) per eliminare i costi di urgenza (25–100% del prezzo base).
·Consolidare gli ordini: combinare più progetti PCB in un’unica produzione per ripartire i costi fissi di setup/attrezzaggio su un numero maggiore di unità.
Decisioni su componenti e assiemi
Ottimizza la selezione dei componenti e i processi di assemblaggio per ridurre sia i costi del PCB che quelli di produzione:
·Usa SMD invece di DIP: gli SMD possono essere montati e saldati molto più velocemente (e quindi a costi inferiori) con macchine automatiche, riducendo il lavoro umano.
·Scegli componenti facili da assemblare: evita, se possibile, tipi di componenti difficili da assemblare come BGA e QFN. Questi componenti richiedono tempi di ispezione più lunghi e riducono il rendimento in produzione, aumentando così il costo di assemblaggio.
·Utilizzare componenti in confezioni a bobina/vassoio: i nastri tagliati e i componenti sfusi richiedono una manipolazione manuale, che rappresenta uno spreco di manodopera costosa.
·Riutilizzare progetti di circuiti già collaudati: accettare lievi aumenti di costo dei componenti (invece di progettare un circuito completamente nuovo) per risparmiare sui costi di sviluppo per prodotti a basso volume.
·Utilizza moduli pre-certificati. Per le applicazioni wireless/RF, prendi in considerazione l’uso esclusivo di un modulo pre-certificato, ad esempio Wi-Fi o Bluetooth, ed evita di progettare circuiti RF personalizzati. In questo modo non dovrai affrontare costosi test di certificazione o una progettazione PCB complicata.
Evita i costi nascosti
Collabora con produttori che offrano prezzi trasparenti e servizi aggiuntivi per evitare qualsiasi costo imprevisto:
·Seleziona i produttori con omaggioAnalisi DFM (Design for Manufacturability)La DFM aiuta a individuare precocemente i difetti di progettazione e quindi a risparmiare sui costi.
·Riutilizzo di attrezzature/utensili: nel caso di ordini ripetuti, maschere e utensili personalizzati per la foratura potrebbero essere riutilizzati per ridurre il costo delle attrezzature che devono essere realizzate appositamente.
·Ottimizzare i test: per gli ordini a basso volume dovrebbero essere utilizzati test economici, come il flying probe, mentre i test ICT dovrebbero essere riservati agli ordini in grandi quantità.
·Negozia le spese di installazione/ingegneria: “Molti produttori eliminano i costi di installazione per ordini all’ingrosso o ripetuti, quindi vale sempre la pena chiedere.”
Conclusione
Si tratta di un calcolo complesso, in quanto si basa su centinaia di fattori, tra cui il materiale del substrato, il numero di strati, la dimensione dell’ordine e i tempi di consegna. È un esercizio di equilibrio tra prestazioni e producibilità che richiede di evitare una specifica eccessiva di materiali/progetti quando l’uso finale non è critico, di sfruttare le economie di scala e di attenersi alle pratiche standard di produzione. È inoltre preferibile collaborare con un produttore esperto per schede ad alta complessità come flex, RF o HDI, poiché una produzione a basso costo porta inevitabilmente a rese scarse e ad alti costi di rilavorazione.
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Risorse utili
•Servizio di Approvvigionamento Componenti
•Servizio di assemblaggio PCB a basso volume
•Tutorial di progettazione PCB con Altium Designer
•Tutorial di progettazione PCB con KiCAD
•Come generare file Gerber in base a diversi software di progettazione PCB
•Come generare file di foratura NC in base a diversi software di progettazione PCB
•PCB del substrato IC
