电子行业竞争很激烈

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与大家一起聊一下PCB设计中的经济学。在PCB设计或者系统设计的过程中,每一个决定都需要从设计、制造、品质、时间、成本等因素进行考量。其中某些因素是可见的,而另一些则不是。但如果在每个决策点,都同时从工程与成本角度进行综合考量,则最有可能找到平衡,设计出功能满足要求且成本合理的产品。每一样东西的价格(成本)与价值显然不是同一个概念。每个成功的PCB产品,必然是设计要求与产品成本之间达到了平衡。

我们在选择PCB供应商的时候,无论是板厂或是组装厂,经常会犯一个错误:挑价格低的。刨去设计环节不说,PCB的成本不仅包括裸板的制造及器件的装配,还应考虑返工、维修、废料、替代料、现场支持服务等各种成本。便宜的PCB,很有可能因为品质问题,在后面的组装过程中报废。

下面我们就来讨论一下哪些因素会影响PCB的成本,在成本与价值之间,做到平衡。

板的层数

很显然,层数越多,设计与制造的成本越大。通常情况下,RF以及微波的设计,2~3层板就够了;高速数字系统或更复杂的设计需要两个以上的板层。但实际情况是,设计出来的PCB层数要比实际需要的层数多,这通常是由于布局布线不合理,电源及地平面分配不合理造成的;但有时,这是刻意为之:某些IC原厂发布的公版设计(Reference Design),为了确保设计的可靠性及发布的时效性,会增加额外的地平面或电源平面,这么做既减小了Layout的难度,也降低了信号完整性的风险。大家回想一下,有经验的ODM或是Design House是不是经常可以在不影响产品功能的前提下,减少板层以达到cost down的目的?

但从设计及生产的角度考虑,其目标一定是找到平衡点:即以小的板层达成功能需求,且满足安规认证。当然,“时间”也是考量因素之一,如果产品需要TTM(Timeto Market),就无法做到成本低。这也是为什么新发布的产品通常比较贵,然后会随着时间的变化,越来越便宜。其中不止是“量产”的原因,设计优化(比如减少板层)也是重要原因之一。

层压板(Laminate)的选择

层压板的选择关键在于与产品的需求相匹配。层压板的关键属性包括:Tg(玻璃转换温度);Er(介电常数)等。基材的选择有时也取决于价格因素。

避免选用“特殊”的基材

目前市面上常用的PCB基材是FR4的玻璃纤维板。如果因为价格原因,选择了CEM的半玻板甚至是纸基板,那么恭喜您,不仅PCB的品质会一塌糊涂,还有很大概率因为供应链的问题(缺货),导致产品开发周期的延长。如果板厂不靠谱的话,还会用各种借口让您预订更多的基材,回头算一下,价格并没有便宜多少。

选择板厂常用的材料

在选择板厂时,确保板厂对您选择的材料有丰富的使用经验,因为这样可以保证在裸板生产过程中,对材料的化学处理的准确性,即使有微小的差别,板厂也知道如何应对。另外,板厂在选择层压板时,最好是同一家供应商。如果是多家供应商,关键的属性参数必须相同,因为层压板生产中的微小差异,也会影响PCB板的整体质量。

举个例子,玻璃纤维布,是构成层压板的三个主要成分之一,层压过程中的热量会使之收缩,而不同供应商的层压板收缩的程度是不同的。当板厂在生产PCB的过程中使用了不同厂家的层压板,很可能由于玻纤布收缩率的不同而造成PCB的弯曲。弯曲的PCB肯定属于废料。即便板厂承认是他们的问题,也会影响整体的生产进度。对于TTM的产品,这无疑是致命的。

便宜的,未必是好的

曾几何时,在选择PCB板厂时,下意识的反应就是选报价低的(便宜的)。当然,公司一定会尽可能的要求cost down,想选择一家服务好,但价格高的板厂有时会非常困难。但是请注意,从经济学的角度说,需要考量的是整体的成本而非局部。请记住以下两个要点:

  • 一分钱一分货
  • PCB报价低并不意味着整体的成本低

在选择板厂时,必须考虑PCB原型或量产时报废的风险,并将风险降到低。一块报废的PCB不仅包含PCB本身的成本,还包括已经装配到PCB上的器件、查找报废原因所花费的人工以及替换报废PCB所花费的时间。请注意,这些特殊的成本会远高于其他成本之和。在原型阶段,报废导致的成本还包括项目的延期以及推迟上市导致的损失。

板厂的销售经常会过度地吹嘘他们的制程能力,他们希望通过扩大产能的方式来提高板厂生产复杂PCB的能力。但更多的情况下,销售的逻辑是:先把订单拿下再说,之后再担心怎么生产吧。看看当今全球的PCB生产环境,你可能会更疑惑。PCB板厂大多在中国大陆、台湾以及韩国,近年来,很多板厂都大幅提升了生产复杂板的产能。但其实他们并没有配套的设备与制程能力,工程师也没受过如何制造复杂板的训练。有时,与设计一起发送到板厂的注意事项及层叠结构示意图会被板厂直接忽略,这将导致生产出来的PCB无法正常工作!

更有甚者,有时板厂为了省钱,私自替换了客户指定的层压板,而客户对此毫不知情。PCB的生产是一个严谨的过程,如果不对PCB板厂进行调研及审计,很容易产生各种问题从而导致项目的延期。有些公司对PCB的生产厂商并不重视,他们的借口通常是“我们没有时间对板厂的能力及制程做完整的调研”或者“我们负担不起调研的费用”。同样是这些公司,他们会想当然的认为,对PCB做三次或更多的respin是很正常的事儿……

大家有没有想过,如果可以一次成功,那投入的时间和金钱会远远小于失败后多次repin或者换一家板厂?事实上,无论从工程角度还是成本角度,设计、生产、装配做到一次成功才是应该追求的方向。

与PCB设计相关的其他成本

除了基本的设计与制造成本,还有一些附加成本也需要考虑在内。比如,EDA工具的成本、是否还需要维护一个过时的设计、何时需要开发新一代的产品。EDA工具的成本也不止是购买授权,还应包括维护及培训的支出。一个可靠的PCB设计流程必然包括由一系列EDA工具构建出的虚拟原型设计(仿真):

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在使用工具时,请记住以下两点:

  • 如果您一下子购买了很多工具并试图把它们集成到您的设计环境中,很可能会让整个设计团队陷入混乱。
  • 任何工具都只有在工程师合理使用时才会有效。工具绝不可能替代工程师,工程师也不应该因为有了工具就放松设计的要求。

设计中出现的问题大部分都是由电源设计不合理或者信号完整性引起的。因此建议大家在对原型设计进行仿真的时候,首先使用带电源平面仿真的信号完整性分析软件。当您的技能提升时,再配合其它工具一起使用。

当然,目前还有很多公司不愿意在设计或工具方面投入资源或对工程师进行培训。当公司运营不理想的时候,想到的是砍掉这部分的预算。与此同时,在有限的开发预算下,工程师还承受了巨大的压力,需要在短时间内开发出产品以实现快速上市(TTM)的目的。想象一下,如果没有丰富的经验或相关技能,没有EDA工具或不会使用,是很难达成以上目标的。

传统设计Vs下一代设计

只要产品还能卖,不少公司会倾向于使用替换物料的方式来延续产品的寿命。从设计角度来说,这么做存在一定的挑战:如何找到与原器件制程类似的物料?如何解决设计中的接口问题?从成本角度考虑,很难对新旧物料的替换做一次彻底的、严谨的分析、测试。

对于可靠性要求较高的产品,比如医疗器械,做一次替代物料的验证可能需要数月的时间;对于消费类电子,当ODM或采购向工程师提出2nd source的需求时(不管是出于物料EOL的考虑还是cost down的考虑),工程师都必须决定需要做哪些验证测试并承担责任。即便如此,还是存在量产后良率变差等不确定的风险。

有时,需要认真的考虑一款存续时间已经很久的产品是否需要淘汰了。经验告诉我们,当一款产品50%以上的设计需要变更时,从成本角度来说就不划算了。除此之外,是否需要淘汰传统设计,引入下一代设计,可以从以下几点进行考虑:

  • 产品中的元器件或关键组件虽然还可以买到,但采购起来越来越难了
  • 对传统设计进行升级需要花费太多的工程师资源(比如几个月的人工)
  • 对传统设计进行重新设计后,其市场存续时间小于18个月

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