我国宝贵的历史文化遗产有哪些,印制电路板成本控制必要性和实现方法

我国宝贵的历史文化遗产有哪些,,印制电路板成本控制必要性和实现方法陈国斌 天津三星电子有限公司 300462 【文章摘要】 现代科技产品日新月异,新产品、新设计…

我国宝贵的历史文化遗产有哪些,,印制电路板成本控制必要性和实现方法

陈国斌 天津三星电子有限公司 300462

【文章摘要】

现代科技产品日新月异,新产品、新设计层出不穷。而这些新产品、新设计的核心就在于印制电路板(PCB, Printed Circuit Board)。随着市场竞争的激烈化,产品的价格竞争变得非常重要。作为产品核心部件的印制电路板,如何才能最优化设计来将成本控制到最少,变得非常重要。设计忽视或者考虑不周带来的哪怕一点点的单价的升高,经过物量映射后,都会带来很高的额外的采购开支。这会削弱产品的价格竞争力,影响产品的市场占有率。Option 设计、部品封装选择、材质选择等一系列的优化方案可以很好的实现这一思想。

【关键词】

印制电路板;成本控制;FR-4 ; Silkless

1 印制电路板尺寸优化

一般来讲,印制电路板的尺寸越小,成本越低,但并非绝对的线性关系。这跟印制电路板制造时的切割工艺有一定关系,所以在设计前进行预估印制电路板尺寸选取时,需要首先跟采购部门确认各尺寸的价格,然后预选取一个满足需要的最经济尺寸。

开始进行印制电路板布线设计时,除去根据功能设计要求进行架构设计外,为了进行成本上的节俭,还需要着手考虑以下几个方面:

2 考虑同一份电路图设计同时对应多款相似产品

很多时候,相似的产品,由于产品尺寸、贩卖地域、功能以及产品档次定位等方面的不同,而需要不同或者相似的设计。如果因为少量的差异而进行两款印制电路板布线设计的话,首先,需要申请两张或者两张以上印制电路板的设计,这样会额外产生一笔设计费用;其次,印制电路板设计完成后,为保证产品质量,每一张印制电路板都需要进行信赖性实验以及电性能实验测试,试验投入样机以及实验本身都需要额外产生费用;另外,一般来说,电子产品投放市场,需要进行EMC 认证、HDMI 认证、MHL 认证以及其它方面的功能性认证,而往往,这些认证是跟印制电路板关联的,不同编号的印制电路板,需要取得特定的认证号或者经过独立的认证测试才能使用,多一张印制电路板,就会多出一定的认证成本。在印制电路板尺寸选定的情况下,把相似产品的不同点做成Option 选项设计,原理图上整合在一起,然后相似产品使用同一份电路图的话,可以共用一张印制电路板,从而在印制电路板设计、实验测试检讨以及各项认证等方面都可以尽可能的减少开支。另外相似产品使用同一张印制电路板的话,可以增大对该印制电路板的量产需求,这样,采购部门可以根据更大的物量需求而跟印制电路板生产企业协商进一步压低印制电路板单价。

3 元器件封装优化

这可以通过两种方式来做到。第一,相似电气特性的元器件,根据实际需求选择封装更小一些的。例如对于贴片电阻,R1[100ohm,1%,1/6W,3216], R2[100ohm,1%,1/10W,1608],如果实际电阻上功耗远低于1/10W 或者可以忽略不计的话,那么选择R2 的话,即能满足电路需求,又可以占用更小的印制电路板空间。对于贴片电容、电感、IC 等同样道理。第二,对电路中属性相似的元器件进行整合。例如数字电路中,存在着大量的上拉、下拉电阻。其中大部分电阻, 阻值、精度、封装等属性是一样的,而且它们作用的位置经常是相同或者是相近的。这种情况下,可以考虑使用同值阻排来替代单个电阻。例如对应同样的阻值,阻排(等效为四个独立的电阻)占用的空间为2.0mm*1.0mm,单个电阻占用的空间为1.0mm*0.5mm,不过四个电阻之间,因为贴片工艺的要求,必须保持一定的间隔,至少为一个电阻宽度(0.5mm), 所以实际四个电阻占用的空间,至少为1.0mm*0.5mm*7。这样一来,通过把大量的上拉、下拉同值电阻替换成同值阻排,可以进一步增加印制电路板元器件摆放的紧凑性,避免了印制电路板不必要的空间浪费。

4 电路功能实现方案优化选择

主板上,对于各个功能通常对应着各自的电路模块。而这其中,最典型的代表就是电源转换相关的电路模块。对于电压转换电路的设计,一般来说,重点考虑的是输出电压电流能否满足带载要求,纹波是否满足终端芯片的设计规格。其次,会平衡一下电压转换效率以及电路本身的成本。例如5V 转换为3.3V 的电路设计,可以有两种备选方案,DCDC(直流变直流)转换器或者LDO(低压差线性稳压器)。两个方案都可以完美的达到输出设计要求。DCDC 转换器,周边需要匹配去耦电容、电感器、滤波电容、反馈电路、相位调节电路以及Softstart 电路等,另外,电路板上还需要考虑GND 环路连接,这些因素导致了DCDC 转换器需要占用大量的印制电路板空间。但是对于LDO 而言,它的主要功能都可以在LDO 内部实现,需要的外接元器件很少,通常只需要一两个旁路电容做一下滤波或者去耦就可以,也没有特殊的GND 设计要求,而且本身LDO 芯片和DCDC 芯片从封装上来讲占用空间相差不大,这样选用LDO 的话,可以大大减少对印制电路板空间的需求。

5 各元器件间距最小化以及满足信号完整性前提下的线宽、线间距最小化

通常来讲,元器件的相互摆放位置,存在电路设计要求以及生产工艺要求两个方面。电路设计要求一般侧重于元器件间距对于电性能方面的影响,例如去耦电容要离芯片输入端足够近;防静电器件要离接口足够近;晶振要离芯片足够近,而离模拟信号或者模拟元器件足够安全的距离等等。生产工艺要求一般侧重于元器件间距对于生产贴片不良控制以及售后返工维修的方便性方面。例如两个接口元器件之间的间距,需要考虑贴片自动化时避免接口碰撞的最小间距;其它贴片类元器件相互间距足以可以完成维修或者返工操作等等。实际印制电路板元器件摆放设计时,需要综合考虑上面两个因素,在尽可能满足电性能以及生产工艺要求的情况下,元器件摆放距离最小化。当然,如果实际摆放时,完全遵循生产工艺要求会造成很大空间浪费的话,可以对违背生产贴片工艺要求的事项进行进一步评估,检验风险性是否严重,或者是否有其它的补救、改善措施。生产贴片工艺要求的制定,通常伴随着一定的余量管理,很多时候, 余量的不足并非一定会提高出现问题的概率。

6 印制电路板制造相关属性优化

一张印制电路板设计完成后,需要生成很多相关的属性文件,用来提供给印制电路板生产企业进行加工制作使用。这些属性文件,包含了印制电路板的几乎所有的信息。大部分属性是必要的,但也有一些属性可有可无。例如对于两面板,通常是Top 面摆放元器件,Bottom 面走线,但是由于一些手插元器件的存在,导致了背面会存在一些Silk(手插元器件的pin 脚会从Top 面穿透到Bottom 面,除了Top 面有一些相关的Pin 脚定义或者Pin 序标示036

智能应用

Intelligence Application

037

电子制作


外,为了方面测试,通常Bottom 面也会相应的增加一些对应的标示)。为了印刷这些Silk,需要单独制作一张胶片。而实际上,这些Silk 仅仅为了提示,方便测试或者查找使用,量产阶段生产时,这方面的信息时可有可无的。这时,可以silkless 处理,删除这些silk。这样减少了一份胶片的制作,PCB 加工成本也可以适当减少。又例如,有时为了节省Top 面的空间,会把一些只开发阶段使用而量产阶段不用的元器件,摆放在Bottom 面。这些元器件的存在,会使印制电路板自动生成一份MetalMask_B,而量产时,这些元器件是不贴的,所以这份属性也不是必要的,可以在制作PCB 文件时删除。针对不摆放元器件的那一面的属性进行诊断,尽可能的删除量产不需要的属性,这样一来,可以节省印制电路板制造费用,从而进一步压低单价。

7 印制电路板使用材质选取。

印制电路板材质按档次级别从低到高划分如下:

94HB/94VO/22F/CEM-1/CEM-3/ FR-4

详细介绍如下:

94HB :普通纸板,不防火(最低档的材料,模冲孔,不能做电源板)

94VO :阻燃纸板(模冲孔)

22F :单面半玻纤板(模冲孔)

CEM-1 :单面玻纤板(必须要电脑钻孔,不能模冲)

CEM-3 :双面半玻纤板(除双面纸板外属于双面板最低端的材料,简单的双面板可以用这种材料,比FR-4 会便宜5~10 元/ 平米)

FR-4 :双面玻纤板

一般说来,不同的产品,因为功能的不同或者用途的不同而会选择不同材质的印制电路板。以电视为例,电视的主板,因为涉及到高速信号传输、复杂的功能以及繁多的元器件的连线,所以一般采用FR-4 材质的印制电路板,以保证足够理想的信号完整性。但是,如果功能相对简单,或者对布线要求不是那么严格的话,CEM-3 也是可以考虑的。例如对于显示器而言,由于集成化程度较高,绝大部分的数据处理都直接在主芯片内部完成,主板上需要的元器件数量相对较少,所以对于元器件摆放或者布线的限制都相对较少,这种情况下,采用CEM-3 材质的印制电路板同样可以实现想要的功能。又例如,对于电视主板来说,如果走线和电源Pattern 不是很复杂的话可以尝试调整信号走线以及电源Pattern 排布,使信号走线和电源Pattern 完全能够只在Top 面和Bottom 面排布,这样的话,该主板也可以从FR-4 材质的四层印制电路板变更为CEM-3 材质的两层印制电路板。

【参考文献】

[1][ 美] Eric Bogatin 著 李玉山 李丽平 等译 , 信号完整性分析,北京,电子工业出版社,2005

[2] 黄继昌,电子元器件应用手册,北京,人民邮电出版社,2004.7

[3] 任枫轩,PCB 设计与制作,北京,机械工业出版社,2010.9

[4] 黄智伟,印制电路板(PCB)设计技术与实践,北京,电子工业出版社, 2009.8

[5] 崔明辉,侯海燕,电路设计与制板Protel 99SE 基础应用教程,北京,机械工业出版社,2012.9
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