ต้นทุนของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายมากถึง 80% ถูกกำหนดโดยวิธีการออกแบบ (โดยที่ส่วนที่เหลือมักจะเป็นต้นทุนค่าโสหุ้ยและต้นทุนเงินลงทุน) ดังนั้น การลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์ตั้งแต่ขั้นตอนการออกแบบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายที่ประสบความสำเร็จและสามารถแข่งขันด้านราคาได้ การออกแบบเพื่อการผลิตและการประกอบเป็นแนวทางเชิงระบบในการพิจารณาชิ้นส่วนของผลิตภัณฑ์และต้นทุนการประกอบ โดยมีเป้าหมายเพื่อลดต้นทุนก่อนที่การผลิตจริงจะเริ่มต้น บทความนี้จะเริ่มจากการอภิปรายทั่วไปเกี่ยวกับแนวคิดการออกแบบเพื่อการผลิตและการออกแบบเพื่อการประกอบ จากนั้นการอภิปรายนี้จะถูกขยายอย่างละเอียดในบทความถัดไป ซึ่งจะกล่าวถึงรายละเอียดเฉพาะเกี่ยวกับการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เพื่อการผลิตและการออกแบบเพื่อการประกอบ สุดท้าย บทความปิดท้ายจะสรุปชุดบทความนี้ด้วยการอภิปรายเกี่ยวกับปัญหาการออกแบบ PCB ที่พบได้บ่อยที่สุด
ก่อนการอธิบายอย่างต่อเนื่อง จำเป็นต้องกล่าวถึงวิธีการใช้คำว่า “การออกแบบเพื่อการผลิต” เมื่อพูดในเชิงทั่วไปและเมื่ออภิปรายการผลิตแผงวงจรพิมพ์ให้เฉพาะเจาะจงมากขึ้นการออกแบบเพื่อการผลิตและการออกแบบเพื่อการประกอบ สามารถหมายถึงโดยทั่วไปถึงการทำให้ต้นแบบหรือการออกแบบเชิงแนวคิดมีความเรียบง่ายและเหมาะสมที่สุด เพื่อเตรียมพร้อมสำหรับการผลิตเมื่อใช้คำเหล่านั้นเพื่ออภิปรายเกี่ยวกับแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB) มักจะหมายถึงการตรวจสอบปัญหาที่อาจเกิดขึ้นในการผลิตอย่างตรงไปตรงมามากขึ้น บทความแรกในชุดนี้จะใช้ความหมายแบบแรกในขณะที่เราพูดถึงแนวคิดต่าง ๆ ในภาพรวม และบทความที่สองกับสามจะใช้ความหมายแบบหลังเมื่อเราปรับโฟกัสไปที่การผลิตและการประกอบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)
โดยทั่วไปแล้ว เป้าหมายของการอภิปรายเกี่ยวกับการออกแบบเพื่อการผลิตและการประกอบ คือการกำหนดวิธีการออกแบบผลิตภัณฑ์ให้สามารถผลิตและประกอบได้อย่างคุ้มค่าที่สุด การออกแบบเพื่อการผลิต (DFM) มุ่งเน้นที่การลดต้นทุนการผลิตโดยรวม และที่เห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น การออกแบบเพื่อการประกอบ (DFA) มุ่งเน้นที่การลดการใช้วัสดุ ต้นทุนค่าใช้จ่ายด้านทุน และการลดแรงงาน ทั้งสองแนวคิดต่างมุ่งเน้นการประยุกต์ใช้มาตรฐานเพื่อช่วยลดต้นทุนการผลิต และยังมุ่งหวังที่จะย่นระยะเวลาวงจรการพัฒนาผลิตภัณฑ์ด้วย การผสมผสานของสองระเบียบวิธีนี้มักถูกเรียกรวมกันว่า การออกแบบเพื่อการผลิตและการประกอบ (DFMA) ในส่วนถัดไปจะกล่าวถึงการวิเคราะห์ทั้งสองประเภทนี้ร่วมกัน เนื่องจากมีความเกี่ยวข้องกันอย่างใกล้ชิด และทั้งสองคำมักถูกใช้แทนกันได้
การวิเคราะห์ DFMA จะเริ่มต้นหลังจากมีการสร้างแบบร่างแนวคิดขึ้นมาก่อนแล้ว แบบร่างแนวคิดอาจเกี่ยวข้องกับการสร้างต้นแบบหรือการพัฒนารุ่นใหม่ของผลิตภัณฑ์ หลังจากได้แบบร่างแนวคิดแล้ว จึงสามารถตรวจสอบบัญชีรายการวัสดุ (BOM) ของแบบร่างนี้ได้โดยใช้การวิเคราะห์ DFMA กฎที่ DFMA ยึดถือมีดังต่อไปนี้:
•ลดจำนวนชิ้นส่วนในงานออกแบบให้เหลือน้อยที่สุด
การลดจำนวนชิ้นส่วนในงานออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เป็นเป้าหมายที่ทำได้โดยตรงและมีประโยชน์ที่เห็นได้ชัด ช่วยลดต้นทุนของงานออกแบบนั้นและลดความซับซ้อนของการประกอบ แม้จะไม่เห็นได้ชัดในทันที แต่ก็ให้ประโยชน์อย่างมาก ตัวอย่างเช่น เมื่อใช้เครื่องวางชิ้นส่วนอัตโนมัติ (pick and place) ในการลงชิ้นส่วนบนแผงวงจร เครื่องเหล่านี้มีข้อจำกัดในจำนวนชนิดของชิ้นส่วนที่สามารถรองรับได้ในหนึ่งรอบการทำงาน การใส่ใจจำนวนชิ้นส่วนที่เครื่อง pick and place ต้องใช้ในการประกอบแผงวงจรสามารถนำไปสู่การลดต้นทุนที่ไม่ชัดเจนได้ หากตัวอย่างเช่น งานออกแบบต้องการตัวต้านทานค่า 20K และในงานออกแบบนั้นได้ใช้ตัวต้านทานค่า 10K อยู่แล้ว การใช้ตัวต้านทาน 10K สองตัวต่ออนุกรมกันอาจมีต้นทุนถูกกว่า เมื่อวิธีนั้นช่วยลดจำนวนรอบการทำงานของเครื่อง pick and place ในทำนองเดียวกัน การมองหาวงจรรวมมาตรฐานที่สามารถรวมบางส่วนของงานออกแบบของคุณเข้าไว้ใน IC เดียว สามารถช่วยให้เวลาประกอบเร็วขึ้น และย้ายภาระบางส่วนของข้อกำหนดการทดสอบไปยังผู้ผลิต IC ดังนั้น การใส่ใจจำนวนและชนิดของชิ้นส่วนบน PCB จึงน่าจะเป็นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในการลดต้นทุนการผลิตแผงวงจรพิมพ์ (PCB) โดยรวมสรุปแล้วหากชิ้นส่วนใดไม่จำเป็นต่อการออกแบบขั้นสุดท้าย การตัดชิ้นส่วนนั้นออกจะช่วยลดต้นทุน BOM ลดต้นทุนการจัดซื้อ เวลาในการประมวลผล เวลาในการทดสอบ และแรงงานในการประกอบ.
•พัฒนาโครงสร้างการออกแบบแบบโมดูลาร์
พิจารณาแยกการออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ออกเป็นบล็อกการทำงาน หากคุณสามารถใช้บล็อกเหล่านั้นร่วมกันได้ในผลิตภัณฑ์หลายชนิด การเพิ่มปริมาณการสั่งซื้อโมดูลใดโมดูลหนึ่งจากผู้ผลิตสามารถลดต้นทุนต่อหน่วยของโมดูลนั้นได้อย่างมาก นอกจากนี้ การใช้โมดูลยังสามารถลดต้นทุนและความซับซ้อนของการทดสอบชุดประกอบที่เสร็จสมบูรณ์ได้ด้วยการทำให้กระบวนการทดสอบง่ายขึ้น ระบบขนาดเล็กจะทดสอบและซ่อมแซมได้ง่ายกว่าระบบขนาดใหญ่โดยธรรมชาติ แน่นอนว่าประโยชน์ด้านต้นทุนที่คุณจะได้รับจากการประยุกต์ใช้การออกแบบแบบโมดูลาร์จะต้องชั่งน้ำหนักเทียบกับต้นทุนการเชื่อมต่อที่เพิ่มขึ้นซึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้หลายโมดูล ประโยชน์อื่น ๆ ของการออกแบบแบบโมดูลาร์ยังรวมถึงความสะดวกในการอัปเดตการออกแบบ มาตรฐานย่อยระบบที่ใช้ร่วมกันได้ในหลายผลิตภัณฑ์ และการแก้ปัญหาความล้มเหลวของการออกแบบย่อยระบบของผลิตภัณฑ์ที่ง่ายขึ้น
•มุ่งมั่นใช้คอมโพเนนต์มาตรฐาน
การใช้ชิ้นส่วนมาตรฐานสามารถช่วยลดเวลาและต้นทุนในการพัฒนาออกแบบได้อย่างมาก เป็นที่เข้าใจกันอยู่แล้วว่าการระบุโซลูชันแบบกำหนดเองที่ซับซ้อนจะเพิ่มต้นทุนเริ่มต้นของผลิตภัณฑ์ใด ๆ อย่างมากและอาจทำให้การออกแบบไม่สามารถทำได้ การใช้ชิ้นส่วนที่พบได้ทั่วไปมากขึ้นยังช่วยทำให้ห่วงโซ่อุปทานของผลิตภัณฑ์เรียบง่ายขึ้นและบรรเทาความกังวลเกี่ยวกับการจัดหาชิ้นส่วนได้ อีกหนึ่งประโยชน์ของการเลือกใช้ชิ้นส่วนมาตรฐานคือรอยต่อบนแผ่นวงจรของชิ้นส่วนเหล่านี้สามารถตรวจสอบความถูกต้องได้ง่ายกว่า ก่อนที่จะนำไปใช้ในการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)
•พึ่งพาส่วนประกอบอเนกประสงค์มากขึ้น
เมื่อใดก็ตามที่ชิ้นส่วนอิเล็กทรอนิกส์สามารถทำหน้าที่ได้หลายอย่างในงานออกแบบ นักออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ก็ควรใช้ประโยชน์จากสิ่งนั้น ตัวอย่างเช่น การใช้งานกล่องหุ้มที่สามารถทำหน้าที่เป็นฮีตซิงก์ในงานออกแบบได้ด้วย สามารถช่วยประหยัดต้นทุนของงานออกแบบได้อย่างมาก อีกตัวอย่างหนึ่งของอุปกรณ์ที่ใช้ได้สองหน้าที่คือ การใช้เสาสแตนด์ออฟเป็นจุดเชื่อมต่อกราวด์ลงดินจากแผงวงจรพิมพ์ไปยังกล่องหุ้มของแผงวงจรพิมพ์ ผ่านรูยึดที่เชื่อมต่อบนแผงวงจรพิมพ์
•ออกแบบโมดูลสำหรับใช้ในหลายผลิตภัณฑ์
การใช้ชิ้นส่วนมาตรฐานร่วมกันในผลิตภัณฑ์หลากหลายประเภทสามารถลดต้นทุนการจัดการและเอื้อให้สามารถจัดซื้อในปริมาณมากได้ แนวคิดนี้ยังสามารถขยายไปสู่โมดูลของผลิตภัณฑ์ได้ด้วย หากโมดูลหนึ่งสามารถใช้ร่วมกันได้ในหลายผลิตภัณฑ์ ปริมาณการผลิตที่สูงขึ้นจะช่วยลดต้นทุนของโมดูลดังกล่าว และท้ายที่สุดจะนำไปสู่การลดต้นทุนของผลิตภัณฑ์สำเร็จรูป
•ออกแบบเพื่อความง่ายในการผลิต
การเลือกวัสดุแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)ที่ต้องการการประมวลผลน้อยลงระหว่างการผลิตสามารถช่วยให้การผลิตสินค้าเป็นไปอย่างคล่องตัวมากขึ้น การหลีกเลี่ยงกระบวนการต่าง ๆ เช่น การต้องทาสีตัวกล่องหุ้มด้วยการเลือกใช้วัสดุตัวกล่องหุ้มที่เหมาะสม สามารถตัดขั้นตอนการผลิตทั้งขั้นออกไปและลดต้นทุนสินค้าได้ นอกจากนี้ การตรวจสอบให้แน่ใจว่าส่วนประกอบในการออกแบบไม่ได้ถูกผลิตด้วยค่าความเผื่อที่กว้างเกินไป สามารถขจัดการแก้ไขชิ้นส่วนที่สิ้นเปลืองเวลาและมีค่าใช้จ่ายสูงระหว่างการประกอบได้
•ลดการใช้ตัวยึด และหลีกเลี่ยงหากเป็นไปได้
เมื่อจะทำการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) เช่นเดียวกับผลิตภัณฑ์ทุกชนิด การใช้ตัวยึดเพื่อติดตั้งชิ้นส่วนจะมีต้นทุนสูงกว่าการใช้เทคนิคการติดตั้งแบบอัดยึด (press fit) เพื่อใช้ประโยชน์จากจุดนี้ ควรพยายามลดการใช้ตัวยึดในงานประกอบของคุณ วิธีหนึ่งที่ทำได้คือใช้เวอร์ชันติดตั้งบนผิวหน้า (surface mount) ของ IC กำลัง และผสานฮีตซิงก์เข้าไปในงานออกแบบแผงวงจรของคุณ ตัวอย่างเช่น การเปลี่ยนจาก IC แบบแพ็กเกจ TO-220 ที่ใช้ฮีตซิงก์ภายนอก ไปเป็นแบบ D2PAK ที่ใช้แผงวงจรพิมพ์เป็นฮีตซิงก์ในตัว สามารถช่วยประหยัดต้นทุนได้อย่างมากในงานออกแบบขั้นสุดท้ายของคุณ
•ลดขั้นตอนการประกอบ
หากเป็นไปได้ ควรติดตั้งชิ้นส่วนทั้งหมดตามแนวแกนเดียวกันโดยเริ่มจากด้านเดียวกันของชุดประกอบ วิธีนี้มักเรียกว่า “การประกอบจากบนลงล่าง (Top Down)” ซึ่งชิ้นส่วนทั้งหมดจะถูกติดตั้งจากด้านบน ลงไปยังชุดประกอบสุดท้าย การใช้กระบวนการประกอบแบบด้านเดียวลักษณะนี้ช่วยประหยัดเวลาในการกลับด้านและหมุนผลิตภัณฑ์ระหว่างการประกอบ ดังนั้น เช่นเดียวกับการตัดสินใจด้านการออกแบบทั้งหมด วิศวกรออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) จะต้องชั่งน้ำหนักว่าควรผลิตแผงวงจรที่มีขนาดเล็กกว่าโดยติดตั้งชิ้นส่วนทั้งสองด้านของแผ่นวงจร หรือออกแบบแผงวงจรที่มีขนาดใหญ่กว่าโดยติดตั้งชิ้นส่วนเพียงด้านเดียวของแผ่นวงจรPCBCart มีความสามารถในการจัดการทั้งแบบด้านเดียวการประกอบแผงวงจรพิมพ์และการประกอบสองด้าน).
•เพิ่มการยอมรับในการวางคอมโพเนนต์ให้สูงสุด
วิศวกรควรออกแบบแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ในลักษณะที่ช่วยลดความผิดพลาดในการติดตั้งชิ้นส่วน วิธีการนี้สามารถทำได้โดยการใช้ชิ้นส่วนที่มีค่าความเผื่อมิติสูงกว่า (ระยะห่างขาพินมากกว่า) หรือหลีกเลี่ยงปัญหาต่าง ๆ เช่น การยกตัวของชิ้นส่วน (tomb-stoning) การใช้ชิ้นส่วนที่ถูกออกแบบให้มีค่าความเผื่อในการวางตำแหน่งสูงสามารถช่วยลดอัตราความล้มเหลวของชุดประกอบได้อย่างมาก นอกจากนี้ การใช้โครงสร้างฐานที่มีความแข็งแรงและมีมิติที่คาดเดาได้ยังช่วยเพิ่มอัตราการวางชิ้นส่วนได้อย่างถูกต้องอีกด้วย ยิ่งไปกว่านั้น ระบบป้อนกลับแบบการมองเห็นด้วยเครื่องจักร (machine vision) และรูปแบบการป้อนกลับอื่น ๆ ยังช่วยให้กระบวนการวางชิ้นส่วนแบบอัตโนมัติสามารถเพิ่มผลผลิตได้อย่างมาก
•ลดการจัดวางใหม่และการจับยึดระหว่างการประกอบแผงวงจรพิมพ์ (PCB)
ทุกครั้งที่ต้องมีการปรับตำแหน่งแผงวงจรพิมพ์ (PCB) ใหม่ระหว่างกระบวนการประกอบ จะทำให้เวลาที่ต้องใช้ในการประกอบชิ้นส่วนบนแผงวงจรนั้นเพิ่มขึ้น เป็นเรื่องที่เข้าใจได้ง่ายว่าการปรับตำแหน่งจะเกิดขึ้นทุกครั้งที่ PCB มีสองด้านและมีการติดตั้งชิ้นส่วนทั้งบนด้านหน้าและด้านหลังของ PCB เมื่อเป็นไปได้ ควรใช้ชิ้นส่วนแบบติดตั้งบนผิวหน้า (surface mount) ทั้งหมดให้อยู่บนด้านเดียวของแผงวงจร การใช้เฉพาะอุปกรณ์แบบติดตั้งบนผิวหน้าจะจำกัดขั้นตอนการบัดกรีในกระบวนการประกอบให้เหลือเพียงขั้นตอนการรีโฟลว์ (reflow) เพียงครั้งเดียว ในขณะที่การมีชิ้นส่วนแบบเสียบรู (through-hole) อาจทำให้ต้องมีขั้นตอนการบัดกรีแบบคลื่น (wave soldering) เพิ่มเติมหรือการบัดกรีด้วยมือ
- • ต้องจัดการและบันทึกเอกสารชิ้นส่วนน้อยลง
- • สามารถลดต้นทุนของบัญชีรายการวัสดุได้
- • ต้นทุนการจัดการสามารถลดลงได้ในระดับหนึ่ง
- • สามารถลดการใช้แรงงานและพลังงานลงได้
- • สามารถย่นระยะเวลาในการผลิตโดยรวมลงได้ ทำให้ประสิทธิภาพการผลิตเพิ่มขึ้นอย่างมาก
- • ความซับซ้อนที่น้อยลงนำไปสู่ความเชื่อถือได้ที่สูงขึ้น
- • ผลิตภัณฑ์สามารถมีความสามารถในการแข่งขันได้มากขึ้น
- • จะได้รับอัตรากำไรที่สูงขึ้น
DFMA เป็นแนวทางที่ชัดเจนในการลดต้นทุนของการออกแบบครั้งถัดไปของคุณ ประโยชน์ของการลดจำนวนชิ้นส่วนในงานออกแบบนั้นเห็นได้ชัด ผลิตภัณฑ์จะมีความสามารถในการแข่งขันมากขึ้นหากมีต้นทุนต่ำกว่าและมีโอกาสขัดข้องน้อยกว่า อีกทั้งด้วยการลดปริมาณวัสดุที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ ต้นทุนการจัดการก็จะลดลง ความต้องการด้านเอกสารจะลดลง และแรงงานที่ต้องใช้ในการประกอบก็จะน้อยลง ปัจจัยทั้งหมดนี้นำไปสู่ต้นทุนการผลิตที่ต่ำลง และเปิดโอกาสให้ได้กำไรต่อหน่วยที่สูงขึ้น หรือสามารถตั้งราคาผลิตภัณฑ์ให้แข่งขันได้มากขึ้น นอกจากนี้ เวลาการผลิตยังลดลง ทำให้สามารถส่งมอบผลิตภัณฑ์ถึงมือลูกค้าได้ในเวลาที่สั้นลง DFMA ทำให้การดำเนินการตามเป้าหมายเหล่านี้เป็นระบบและเป็นทางการ
