8 решений при проектировании печатных плат, которые увеличивают стоимость изготовления - и как их исправить

Предполагаемое время чтения: 10 минут

Вы сделали дизайн, экспортировали герберы и отправил их нескольким производителям - Затем приходят расценки, и вы видите цифру, заметно превышающую заложенную в бюджет. Звучит знакомо?

В большинстве случаев виновником является не маржа производителя. Это горстка специфических проектных решений - многие из них по умолчанию или по привычке, оставшейся от предыдущего проекта, - которые незаметно переводят плату из разряда дешевых в разряд дорогих. Самое обидное, что некоторые из этих решений часто не оказывают никакого влияния на реальную производительность. Вы платите больше за возможности, которые вам не нужны.

В этом руководстве приведены восемь наиболее распространенных вариантов дизайна, которые приводят к увеличению стоимости изготовления печатных плат, с реальными цифрами, чтобы вы могли оценить, какие из них применимы к вашему проекту. Каждый раздел также включает практическую альтернативу и реальную экономию, которую вы можете ожидать.

Типичное влияние на стоимость каждого конструкторского решения по сравнению со стандартной двухслойной конструкцией HASL-LF, 1 унция, базовый размер 100×100 мм.

Обновление до 4 слоев, когда можно использовать 2

Количество слоев - это самый большой рычаг, влияющий на стоимость большинства печатных плат. A 4-слойная плита При небольших объемах цена эквивалентной двухслойной платы постоянно увеличивается от 1,7 до 2,0 раз - больше циклов ламинирования, дополнительная медная фольга, более длительное время обработки.

Инженеры предпочитают использовать 4 слоя по трем причинам: лучшее распределение питания, более чистые земляные плоскости, более простая маршрутизация. Для многих IoT-устройств, плат датчиков, простых контроллеров двигателей и оценочных плат прототипов ни одно из этих преимуществ не является строго необходимым. Хорошо спланированная двухслойная схема с прочным заземлением на нижнем слое и тщательной маршрутизацией питания на верхнем может обеспечить те же электрические характеристики за значительно меньшие деньги.

Когда 4 слоя действительно оправданы:

• Высокоскоростные дифференциальные пары, которым требуется непрерывная плоскость возврата по всей плате
• Плотные схемы смешанных сигналов, где аналоговые и цифровые домены нуждаются в изоляции на уровне плоскости
• Любая конструкция, в которой двухслойная заливка грунта оставляет недопустимые разрывы импеданса

Указание ENIG, когда бессвинцовая HASL подходит

ENIG - это превосходное покрытие поверхности - ровное, устойчивое к окислению, совместимое с деталями с мелким шагом. Кроме того, именно на это покрытие чаще всего указывают завышенные требования. В обзоре 500+ заказов в PCBINQ, ENIG был использован примерно на 60% платах, на которых не было ни одного компонента с шагом менее 0,5 мм и ни одного краевого разъема, требующего золотой контактной поверхности.

Превышение стоимости ENIG по сравнению с ENIG. бессвинцовая HASL составляет от +20% до +35% в зависимости от размера платы. На двухслойной плате размером 100×100 мм при изготовлении опытных образцов это, как правило, $8-$18 на единицу продукции. Это быстро увеличивается.

Отделка	Стоимость по сравнению с HASL-LF	Мин. Шаг	Срок годности	Когда это действительно необходимо
Бессвинцовый HASL	Базовый уровень	>0,5 мм	12 месяцев	Пассивы общего назначения, сквозные отверстия, 0402+
OSP	+5%	>0,4 мм	6 мес	Высокопроизводительный SMT, Предпочтительно ровная поверхность, быстрое использование
ENIG	+20-35%	До 0,3 мм	12+ мес	BGA с мелким шагом, QFN, краевые разъемы, золотое соединение
ENEPIG	+40-60%	До 0,2 мм	24+ мес	Флип-чип, проволочное соединение, сверхмелкий шаг, медицина/оборона
Твердое золото	+50-80%	Неприменимо	Годы	Разъемы с кромкой карты, только золотые контактные пальцы

Если ваш минимальный шаг компонентов составляет 0603 или больше и у вас нет краевых разъемов, бессвинцовый HASL будет работать идеально и стоить значительно дешевле. Переходите на ENIG, только если этого действительно требует ваша схема.

Использование 2 унций меди вместо 1 унции меди

Более толстая медь действительно требуется в случае силовой электроники с высоким током, такой как моторные приводы, Системы управления батареями и преобразователи питания, передающие по каждому пути 10 и более А; однако, когда речь идет обо всем остальном, дополнительный вес меди, как правило, просто добавляет ненужный вес в спецификацию материалов и счет-фактуру.

Разница в стоимости использования 2-узловой меди по сравнению с 1-узловой медью обычно составляет 15-25% для голой платы. Кроме того, 2-узловая медь требует более широких допусков на травление для получения эквивалентной точности ширины линии, что затрудняет, а не облегчает прокладку трассы с мелким шагом. Таким образом, если самая толстая силовая трасса вашего проекта пропускает менее 3 А, почти наверняка вам не придется переходить на медь 1oz.

Распространенной ошибкой является использование 2 унций меди, потому что последняя плата питания использовала именно ее. Всегда лучше проверить фактический ток, протекающий через каждую трассу, прежде чем указывать вес меди, поскольку для большинства сигнальных и смешанных плат не потребуется 2 унции меди.

Связанные поиски: “1oz против 2oz медь PCB стоимость”, “когда использовать 2oz медь PCB”, “PCB медь вес токовой мощности”.

Размеры платы, не позволяющие оптимизировать использование панели

Производители печатных плат работают с панелями - обычно 18×24 дюйма или 21×24 дюйма - и цена вашей платы в конечном итоге определяется тем, сколько экземпляров вашей платы поместится на этой панели с разумным количеством брака. Плата размером 97×97 мм против 100×100 мм может показаться округлением, но это может означать установку одного дополнительного столбца плат на панели, что снижает стоимость единицы продукции на 10-15% без каких-либо инженерных изменений.

Та же логика применима к платам непрямоугольной формы. Платы с большими вырезами, сложными контурами или острыми углами создают больше отходов панелей и иногда требуют специальных приспособлений для фрезеровки. Если вы можете упростить контур платы без ущерба для механической подгонки, вам следует это сделать.

Когда работа над дизайном близка к завершению, проведите быструю проверку панели. Многие бесплатные инструменты покажет вам, как ваша плитка укладывается на стандартную панель. Поправка на 5 мм в одном измерении может существенно изменить стоимость единицы продукции в объеме.

Спецификации трассировки/пространства жестче, чем реально используется в вашем макете

Большинство программ для проектирования печатных плат по умолчанию показывают, прошли ли трассы проверку на соответствие правилам проектирования, но эти минимальные значения не всегда отражают то, что нужно производителю для конкурентоспособной цены. Существует значительная разница в стоимости между 6/6 мил трассировка/пробел и 4/4 мил или 3/3 мил.

Если ваша фактическая маршрутизация не требует возможности тонкой линии - а большинство плат с количеством слоев менее 8 - но настройки DRC остались на уровне 4/4 мил с предыдущего проекта, каждый производитель выставит вам цену на уровне тонкой линии, даже если все ваши фактические трассы имеют ширину 8 мил. Это легко исправить: установите минимальные значения правил проектирования в соответствии с тем, что реально используется в вашей схеме, а не с тем, что было задано по умолчанию в шаблоне CAD.

Если в предыдущем проекте вы установили DRC на 4/4 мил, а реальные трассы имеют ширину 8 мил, каждый производитель выставит вам цену на уровне тонкой линии, даже если в вашем проекте этого не требуется. Это легко исправить за две минуты.

Класс	Мин. След	Мин. Пространство	Премия по стоимости	Типовое применение
Стандарт (6/6)	6 мил / 0,15 мм	6 мил / 0,15 мм	Базовый уровень	Большинство 2-4-слойных плит
Тонкая линия (4/4)	4 мил / 0,10 мм	4 мил / 0,10 мм	+15-25%	Плотный 4-8 слой, плотный разворот BGA
Ультратонкий (3/3)	3 мил / 0,075 мм	3 мил / 0,075 мм	+35-55%	HDI, уложенные микровиалы
HDI / mSAP	<2 мил.	<2 мил.	+80-150%	Смартфоны, современные компьютеры

Установите минимальные значения DRC в соответствии с тем, что на самом деле используется в вашей схеме, а не с тем, что задано по умолчанию в шаблоне CAD.

Указание глухих или заглубленных каналов при наличии сквозных отверстий

Слепые и заглубленные проходы могут быть действительно необходимы для плотных HDI-макетов - но за них приходится платить. Плата с глухими и/или заглубленными межслойными отверстиями требует нескольких этапов ламинирования, отдельных операций сверления и более сложного управления процессом. Превышение стоимости может составлять от +50% до +100% по сравнению с эквивалентной конструкцией со сквозными отверстиями.

Еще более дорогой вариант - Via-in-pad, при котором отверстие под виа заполняется медью или смолой и планаризуется, чтобы компонент можно было разместить прямо на нем. Этот процесс является стандартным для BGA-конструкций высокой плотности, где просто нет места для маршрутизации за пределами площадки, но его не следует использовать случайно для удобства маршрутизации.

Если вы выбираете глухие проходы, потому что текущее расположение слоев делает маршрутизацию неудобной, подумайте, не позволит ли вам другое расположение слоев или небольшое увеличение размера платы добиться такой же маршрутизации с помощью стандартных сквозных проходов. Разница в цене существенна.

Укладка нескольких премиальных спецификаций на малосерийный прототип

Такая картина проявляется постоянно: на 10 платах прототипа указывается 4 слоя + ENIG + 2 унции меди + контроль импеданса + черная паяльная маска + via-in-pad + жесткие допуски. У каждой отдельной спецификации может быть своя причина. В сочетании с прототипом они создают эффект мультипликатора, который приводит к результатам, которых никто не ожидал.

На прототипе вы проверяете, работает ли концепция, а не оптимизируете ее для производства. Разумный подход заключается в том, чтобы намеренно отделить фазу прототипа от фазы предпроизводственной спецификации.

Практический подход: Сделайте два предложения. Одно - с полной идеальной спецификацией, другое - с минимальной жизнеспособной спецификацией - наименьшее количество слоев, обеспечивающих чистую трассировку, стандартная медь, HASL-LF. Если конструкция работает в более дешевом варианте, вы сохранили запас по стоимости для производства. Если нет, вы узнали что-то конкретное о том, что на самом деле нужно дизайну.

Отправка неполных или неоднозначных файлов Gerber

Это не решение по спецификации - это сбой технологического процесса, и он обходится дороже, чем думает большинство инженеров. Когда производитель получает пакет Gerber с отсутствующими слоями, несоответствующими файлами сверления, неопределенными контурами платы или неоднозначными зазорами между медью и краями, происходит одно из двух: его отправляют на доработку - на это уходит несколько дней - или делают предположение, которое может не соответствовать вашим намерениям.

Более тонкий момент: плохо подготовленные файлы часто вызывают ручную очередь рассмотрения DFM вместо автоматизированных систем ценообразования. Одно это может добавить $20-$50 к цене за обработку, и это всегда добавляет время.

Полный пакет Gerber для стандартной 4-слойной платы:

• Передняя медная панель, задняя медная панель, внутренний слой 1, внутренний слой 2
• Передняя и задняя паяльная маска
• Шелкография спереди и сзади
• Напильник Excellon - плакированные и неплакированные отверстия указываются отдельно
• Контур платы / механический слой
• Примечания по изготовлению, чертеж штабеля, требования к импедансу, если применимо

Прежде чем куда-то загружать, посмотрите на свой вывод Gerber в программе просмотра. Все основные инструменты САПР имеют бесплатные предустановки экспорта. Используйте их, а затем проверьте результат. Это займет пять минут и устранит один из самых распространенных источников задержек и повторных срывов сроков.

Дизайнерское решение	Типичное влияние на стоимость	Легко исправить?	Сначала проверьте это
2-слойный → 4-слойный	+70-100%	Часто	Можете ли вы проложить новый маршрут с лучшей заливкой грунта?
HASL-LF → ENIG	+20-35%	Обычно	Любой компонент с шагом менее 0,5 мм?
1 унция → 2 унции меди	+15-25%	Обычно	Какие-нибудь трассы действительно несут >3A?
Неоптимизированные размеры	+10-20%	Да	Перед окончательной обработкой выполните проверку облицовки панелей
Плотная трассировка (<4 мил)	+15-55%	Часто	Проверьте фактическую минимальную трассировку в сравнении с настройками DRC
Слепые/заглубленные проходы	+50-100%	Часто	Позволит ли другая конструкция сделать сквозные отверстия?
Via-in-pad	+30-60%	Иногда	Действительно ли нет места для маршрутизации за пределами площадки?
Неполные файлы Gerber	+$20-50 + дней	Всегда	Просмотр в программе Gerber перед каждым отправлением

Не уверены, какие из них влияют на вашу цитату? Отправьте нам свои файлы.Наши инженеры просматривают каждый пакет Gerber для получения бесплатной обратной связи по DFM перед составлением сметы. Мы точно определим, откуда берутся ваши затраты и где вы можете сэкономить, не меняя замысла.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ