كيفية خفض تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) دون المساس بالجودة

غالبًا ما يُنظر إلى خفض تكلفة مركبات ثنائي الفينيل متعدد الكلور (PCB) على أنه عملية شراء.

في الواقع، يتم تحديد بعض أكبر الوفورات قبل حتى طلب عرض الأسعار.

يتحكم تصميم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) بحد ذاته في العديد من العوامل التي تؤثر على تكلفة التصنيع:

• عدد الطبقات
• أبعاد اللوحة
• المواد
• وزن النحاس
• هيكل الحفر
• عرض الخطوط والمسافات بينها
• تشطيب السطح
• الحدود المسموح بها
• متطلبات الاختبار
• كمية الإنتاج

قد تؤدي استخدام مادة أرخص أو تقديم عرض سعر أقل إلى خفض سعر الشراء الأولي، ولكنها قد تتسبب أيضًا في مشاكل أثناء التجميع أو التشغيل الميداني.

الطريقة الأفضل هي إزالة التعقيد غير الضروري في عملية التصنيع مع الحفاظ على المتطلبات التي تؤثر فعليًا على أداء المنتج.

ابدأ بمتطلبات لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)، لا بالسعر

قبل الشروع في خفض التكاليف، قم بتقسيم المتطلبات إلى ثلاث فئات.

المتطلبات التي لا يمكن التنازل عنها

وقد تشمل هذه ما يلي:

• السعة الحالية
• درجة حرارة التشغيل
• المقاومة المطلوبة
• الأبعاد الميكانيكية
• متطلبات السلامة
• أهداف الموثوقية

وينبغي أن تظل هذه المواصفات دون تغيير ما لم تتغير مواصفات المنتج نفسها.

المتطلبات التي يمكن تحسينها

ومن الأمثلة على ذلك:

• عدد الطبقات
• التكديس
• مخطط المجلس
• عبر البنية
• توزيع النحاس
• تشطيب السطح

وغالبًا ما تكون هذه هي المجالات التي يمكن تحقيق وفورات ملموسة فيها.

المتطلبات التي قد تكون غير ضرورية

ومن الأمثلة على ذلك:

• تفاوتات ضيقة للغاية دون سبب وظيفي
• المواد الخاصة المستخدمة بشكل افتراضي
• ميزات مؤشر التنمية البشرية (HDI) غير الضرورية
• وزن النحاس الزائد
• تشطيبات الأسطح المفرطة في التفاصيل

هذا التصنيف يجعل عملية خفض التكاليف أكثر منهجية بكثير.

1. تحسين عدد الطبقات

يُعد عدد الطبقات من أول الأمور التي يجب مراجعتها.

لا تعني لوحة الدوائر المطبوعة المكونة من 6 طبقات بالضرورة أنها توفر قيمة أفضل من لوحة الدوائر المطبوعة المكونة من 4 طبقات.

وبالمثل، فإن تقليص تصميم مكون من 8 طبقات إلى 6 طبقات لا يُعد بالضرورة توفيرًا إذا أدى ذلك إلى:

• مسار أكثر صعوبة
• المزيد من الثقوب
• مشاكل سلامة الإشارة
• أبعاد أكبر للوحة
• مراحل تصميم إضافية

الهدف هو العثور على أقل عدد عملي للطبقات الذي يفي بجميع المتطلبات الكهربائية والميكانيكية.

على سبيل المثال، قد يكون التصميم المكون من 4 طبقات مثاليًّا لوحدة التحكم، في حين أن الهيكل المكون من 8 طبقات قد يكون أكثر ملاءمةً للوحة ذات الكثافة العالية والسرعة العالية.

2. مراجعة التراص قبل التوجيه

قد تؤدي قرارات التجميع التي تُتخذ في مرحلة متأخرة من التصميم إلى تكاليف غير ضرورية.

يؤثر التراص على:

• المعاوقة
• مسارات إرجاع الإشارة
• توزيع الطاقة
• سماكة العازل الكهربائي
• اختيار المواد
• توزيع النحاس

بالنسبة للتصميمات عالية السرعة، ينبغي تحديد ترتيب الطبقات قبل البدء في التوجيه التفصيلي.

يمكن أن يؤدي التجميع المُخطط جيدًا في بعض الأحيان إلى تجنب الحاجة إلى إنشاء هياكل أكثر تكلفة في وقت لاحق.

للاطلاع على الجانب الهندسي لهذا القرار، انظر تصميم طبقات لوحات الدوائر المطبوعة.

3. استخدم المادة المناسبة، وليس أرخص مادة

غالبًا ما يكون FR-4 القياسي كافيًا.

ومع ذلك، فإن بعض التطبيقات تتطلب فعليًّا ما يلي:

• مواد ذات درجة حرارة انصهار عالية
• الرقائق ذات الخسارة المنخفضة
• مواد عالية الترددات
• المواد ذات معامل التمدد الحراري المنخفض

الطريقة الخاطئة هي اختيار أرضية لامينيت منخفضة التكلفة دون التحقق من مدى ملاءمتها.

والطرف الآخر شائع أيضًا: اختيار مادة باهظة الثمن لمجرد أن المنتج يُعتبر «عالي الأداء».

يجب أن يستند اختيار المواد إلى ما يلي:

• درجة حرارة التشغيل
• التردد
• انقطاع الإشارة
• المتطلبات الميكانيكية
• متطلبات الموثوقية

إذا كانت مادة FR-4 القياسية تستوفي المواصفات الفعلية، فقد لا يكون هناك فائدة تذكر من دفع ثمن مادة أكثر تخصصًا.

4. تقليل الميزات غير الضرورية في مؤشر التنمية البشرية (HDI)

يمكن لـ HDI حل مشكلات التوجيه الصعبة، ولكن لا ينبغي استخدامها تلقائيًا.

تحقق مما إذا كان التصميم يحتاج فعلاً إلى:

• الميكروفيات
• الميكروفيا المتراكبة
• الشقوق العمياء
• الأسلاك المدفونة
• ثقب في الوصلة
• التصفيح المتسلسل

يُعد التصميم التقليدي ذو الثقوب المارة أسهل في التصنيع عمومًا.

إذا كان من الممكن تصميم مسار الدائرة بنجاح دون استخدام تقنية HDI، فقد لا يكون هناك داعٍ لإضافة خطوات تصنيع إضافية.

من ناحية أخرى، إذا كانت رقاقة BGA ذات المسافات الدقيقة أو الغلاف الميكانيكي المضغوط تتطلب بالفعل استخدام تقنية HDI، فإن التخلي عنها قد يؤدي ببساطة إلى نقل المشكلة إلى مكان آخر.

تتم مناقشة هذه المفاضلة بمزيد من التفصيل في تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة (HDI).

5. مراجعة مخطط مجلس الإدارة

يؤثر حجم اللوحة بشكل مباشر على استهلاك المواد، لكن شكل لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) له أهمية أيضًا.

قد تؤدي الألواح ذات الشكل غير المعتاد إلى زيادة كمية النفايات المادية أثناء عملية تجميع الألواح.

عندما يتيح التصميم الميكانيكي قدرًا من المرونة، يجب مراعاة ما يلي:

• الحواف المستقيمة
• عدد أقل من القصاصات
• أبعاد أكثر كفاءة
• استغلال أفضل للمساحة المخصصة للوحات

حتى التغيير البسيط قد يؤدي أحيانًا إلى زيادة عدد اللوحات التي يمكن وضعها على لوحة الإنتاج.

وتزداد أهمية ذلك مع ارتفاع حجم الإنتاج.

6. تحسين الاستفادة من اللوحات

يُعد تقسيم الألواح أحد المجالات التي يسهل إغفالها.

تخيل لوحة إنتاج تتسع لما يلي:

8 ألواح

قد يكون الترتيب المُحسَّن مناسبًا:

10 ألواح

لم تتغير الخصائص الكهربائية للوحة الدوائر المطبوعة (PCB) نفسها، لكن كمية المواد القابلة للاستخدام في كل لوحة قد تحسنت.

يعتمد استخدام اللوحة على:

• أبعاد اللوحة
• شكل لوح التزلج
• الدوران
• قضبان الأدوات
• الشق على شكل حرف V
• التوجيه
• متطلبات التباعد

وبالتالي، فيما يتعلق بمشاريع الإنتاج، ينبغي النظر في عملية تقسيم الألواح قبل وضع اللمسات الأخيرة على المخطط الميكانيكي.

7. تجنب استخدام النحاس الثقيل دون داعٍ

يُعد النحاس الثقيل مفيدًا عندما يتطلب التصميم استخدامه.

ومن بين الأسباب الشائعة ما يلي:

• تيار عالي
• توزيع الطاقة
• الإدارة الحرارية
• انخفاض مقاومة الموصل

لكن استخدام النحاس السميك في كل طبقة قد يؤدي إلى زيادة غير ضرورية في تكلفة المواد وتكاليف التصنيع.

بالنسبة للوحة الإشارات المختلطة، قد يكون من الأنسب استخدام نحاس أكثر سمكًا فقط في الأماكن التي يتطلبها تصميم الإمداد بالطاقة، شريطة أن تدعم عملية التصنيع وتركيب الطبقات هذا التصميم.

8. استخدم عرض المسارات والمسافات العملية

قد تؤدي الهندسة الدقيقة للغاية إلى زيادة صعوبة التصنيع.

إذا كان التصميم يستخدم:

• آثار ضيقة جدًّا
• مسافة صغيرة جدًا
• حلقات صغيرة ذات شكل حلقي

في حالة عدم وجود سبب كهربائي وجيه، قد تكون هناك فرصة لتبسيط متطلبات التصنيع.

وقد يكون لهذا الأمر فائدتان:

1. تقليل تعقيد عملية التصنيع
2. تحسين متانة الإنتاج

الهدف ليس استخدام أكبر مسارات ممكنة.

والهدف من ذلك هو تجنب التصميم بالقرب من حدود التصنيع دون داعٍ.

9. إعادة النظر في التفاوتات الضيقة

تُعد التفاوتات الضيقة مفيدة عندما تحدد متطلبات المنتج الفعلية.

ولكن ليس كل بُعد يحتاج إلى نفس التفاوت المسموح به.

على سبيل المثال، قد تتطلب الواجهة الميكانيكية تفاوتًا أبعاديًا ضيقًا، في حين تتمتع الميزة الداخلية بمرونة أكبر بكثير.

قد يؤدي تطبيق تفاوت ضيق غير ضروري على كامل لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) إلى زيادة صعوبة الإنتاج.

والنهج الأفضل هو تحديد الأبعاد التي لها أهمية فعلية.

10. اختر نوع تشطيب السطح المناسب للتطبيق

ينبغي اختيار نوع تشطيب السطح بناءً على متطلبات التجميع والموثوقية.

تشمل الخيارات الشائعة ما يلي:

• HASL
• HASL خالية من الرصاص
• ENIG
• OSP
• غمر الفضة

بالنسبة للوح التقليدي، قد يكون الطلاء الأقل تكلفة كافياً تماماً.

فيما يتعلق بالمكونات ذات المسافات الدقيقة، أو حزم BGA، أو المتطلبات البيئية المحددة، قد يكون من المبرر استخدام طلاء ENIG أو أي طلاء آخر.

النقطة المهمة هي تجنب اختيار اللمسة النهائية لمجرد أنها عادة متبعة.

11. لا تقم بإلغاء الاختبارات الضرورية

يُعد الاختبار مجالًا قد يؤدي فيه خفض التكاليف إلى نتائج عكسية.

اعتمادًا على التطبيق، قد تشمل الاختبارات ما يلي:

• الاختبارات الكهربائية
• الهيئة العربية للتصنيع
• اختبار المعاوقة
• الأشعة السينية
• اختبار الموثوقية

لا يحتاج النموذج الأولي المخصص للمستهلك ولوحة التحكم في السيارات بالضرورة إلى نفس استراتيجية الفحص.

النهج الصحيح هو مواءمة الاختبارات مع درجة مخاطر المنتج.

إن استبعاد اختبار مناسب لمجرد توفير مبلغ ضئيل من المال قد يؤدي إلى تكاليف أكبر بكثير إذا وصلت اللوحات المعيبة إلى مرحلة التجميع أو إلى الميدان.

12. تحسين كمية الإنتاج

تؤثر الكمية تأثيرًا مباشرًا على سعر الوحدة، لأن التكاليف الثابتة تُوزَّع على عدد أكبر من اللوحات.

لكن السعر الأقل للوحدة لا يؤدي بالضرورة إلى أقل تكلفة إجمالية.

على سبيل المثال:

1,000 boards × low unit price

قد تبدو جذابة.

ولكن إذا تغير التصميم بعد إنتاج 300 وحدة، فإن المخزون المتبقي يصبح عبئًا ماليًّا.

بالنسبة للمنتجات الجديدة، قد تكون استراتيجية الإنتاج على مراحل أكثر عملية في بعض الأحيان:

prototype → engineering validation → small production → volume production

وهذا يقلل من مخاطر تصنيع كمية كبيرة قبل أن يستقر التصميم.

دليل إرشادي: كيفية تحديد فرص توفير تكاليف لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) قبل تقديم الطلب

يمكن إتمام المراجعة العملية في عدة خطوات.

الخطوة 1: التحقق من عدد الطبقات

اسأل:

هل يمكن للوحة أن تفي بمتطلبات التوجيه والإشارات باستخدام عدد أقل من الطبقات؟

إذا كانت الإجابة «نعم»، فقم بتقييم التكوين البديل.

لا تقم بتقليل الطبقات تلقائيًا.

الخطوة 2: مراجعة المادة

اسأل:

هل يتطلب التصميم فعلاً استخدام مادة لامينيت متخصصة؟

إذا كانت مادة FR-4 القياسية تستوفي المتطلبات، فقارنها بالمادة الحالية.

الخطوة 3: مراجعة بنية المسارات

ابحث عن:

• الشقوق العمياء
• الأسلاك المدفونة
• الميكروفيات
• الميكروفيا المتراكبة
• ثقب في الوصلة

حدد الهياكل الضرورية.

الخطوة 4: التحقق من وزن النحاس

تحديد المتطلبات الفعلية الحالية لكل طبقة.

تجنب استخدام النحاس الثقيل في الحالات التي لا يوفر فيها فائدة كهربائية مفيدة.

الخطوة 5: مراجعة أبعاد اللوحة

تحقق مما إذا كان تغيير بسيط في شكل اللوحة يمكن أن يحسّن من كفاءة استخدام المساحة.

الخطوة 6: مراجعة تشطيب السطح

تأكد من أن التشطيب المحدد مطلوب في عملية التجميع.

الخطوة 7: مراجعة التفاوتات المسموح بها

افصل الأبعاد الحاسمة حقًّا عن المواصفات التي يمكن أن تخضع لتفاوتات قياسية.

الخطوة 8: مقارنة عروض الأسعار الكاملة

عند مقارنة عروض الأسعار، استخدم نفس المعايير:

• المواد
• عدد الطبقات
• وزن النحاس
• تشطيب السطح
• الكمية
• الاختبار
• المهلة الزمنية

وإلا، فقد يكون السعر الأقل مستندًا ببساطة إلى مواصفات مختلفة.

ما الذي يجب ألا تقلله أبدًا لمجرد خفض تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)؟

ترتبط بعض المواصفات ارتباطًا مباشرًا بأداء المنتج أو موثوقيته.

توخَّ الحذر بشكل خاص عند تقليل:

سُمك النحاس

إذا كان التصميم الكهربائي يتطلب سعة تيار معينة، فإن تقليل كمية النحاس قد يؤدي إلى زيادة المقاومة وارتفاع درجة الحرارة.

متطلبات الطلاء

قد يؤثر عدم كفاية عملية الطلاء عبر الثقوب على الموثوقية على المدى الطويل.

أداء المواد

قد يؤدي استخدام مادة لامينيت غير مناسبة إلى حدوث مشاكل حرارية أو مشاكل تتعلق بسلامة الإشارة.

الاختبارات المطلوبة

قد يؤدي إلغاء عمليات الفحص المناسبة إلى زيادة خطر دخول اللوحات المعيبة إلى مرحلة التجميع.

التفاوتات الحرجة

إذا كانت الواجهة الميكانيكية أو الكهربائية تتطلب بالفعل تفاوتًا معياريًا، فإن تخفيف هذا التفاوت قد يؤدي إلى حدوث أعطال في المراحل اللاحقة.

ينبغي أن تتم عملية تحسين التكاليف في إطار هذه المتطلبات، وليس بمجرد إلغائها.

مثال عملي على تحسين تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB)

لنفترض وجود لوحة دوائر مطبوعة (PCB) مكونة من 8 طبقات تحتوي على:

• مادة ذات درجة حرارة زجاجية عالية
• 2 أونصة من النحاس في كل طبقة
• ENIG
• الميكروفيات
• ثقب في الوصلة
• تباعد ضيق بين المسارات
• تفاوتات أبعاد ضيقة

قد يكون رد الفعل الأول هو البحث عن مصنع لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) أرخص.

النهج الأفضل هو مراجعة التصميم.

لنفترض أن المراجعة الهندسية أظهرت ما يلي:

• هناك طبقتان فقط تتطلبان فعليًّا 2 أونصة من النحاس
• يستوفي معيار FR-4 المتطلبات الحرارية
• يمكن استبدال العديد من الثقوب الدقيقة بثقوب عابرة
• لا تكون تقنية «Via-in-pad» ضرورية إلا أسفل رقاقة BGA واحدة
• يمكن استخدام القيم القياسية في بعض التفاوتات الأبعاد

قد يكون التصميم المعدل أقل تعقيدًا من الناحية التصنيعية بشكل كبير.

وتأتي هذه الوفورات من تحسين التصميم، وليس من جراء الإضرار بلوحة الدوائر المطبوعة النهائية.

تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة مقابل التكلفة الإجمالية للمنتج

تُعد لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) مجرد جزء واحد من المنتج الإلكتروني النهائي.

قد تصبح لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) الأرخص قليلاً أكثر تكلفة إذا تسببت في:

• عيوب التجميع السطحي (SMT)
• إعادة العمل
• وقت تجميع أطول
• تصحيح أخطاء الإشارات
• المشاكل الحرارية
• الأعطال الميدانية

ولهذا السبب، ينبغي تقييم تكلفة لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) جنبًا إلى جنب مع:

التصنيع + التجميع + الاختبار + المخزون + الموثوقية

ويكتسب هذا الأمر أهمية خاصة عندما تُستخدم لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) في المنتجات الصناعية أو المنتجات ذات العمر الافتراضي الطويل.

الأسئلة الشائعة

الخاتمة

عادةً ما تتم أكثر عمليات خفض تكاليف لوحات الدوائر المطبوعة (PCB) فعاليةً قبل إصدار أمر الإنتاج.

بدلاً من الاكتفاء بالسؤال عن كيفية الحصول على سعر وحدة أقل، قم بمراجعة التصميم للتأكد من عدم وجود تعقيدات تصنيعية غير ضرورية.

المجالات الأكثر فائدة التي ينبغي دراستها هي:

• عدد الطبقات
• التكديس
• المواد
• وزن النحاس
• عبر البنية
• أبعاد اللوحة
• استخدام الألواح
• هندسة التتبع
• الحدود المسموح بها
• تشطيب السطح
• كمية الإنتاج

الهدف بسيط:

تخلص من التكاليف غير الضرورية، لا من الجودة.

يجب أن تكون لوحة الدوائر المطبوعة (PCB) المُحسَّنة جيدًا سهلة التصنيع، وأن تفي بالمتطلبات الكهربائية والميكانيكية، وأن تتجنب العمليات التي لا وجود لها سوى لأنها تم تحديدها دون سبب هندسي واضح.

بالنسبة للمشاريع التي تتولى شركة TOPFAST تنفيذها، يمكن إجراء المراجعة نفسها قبل مرحلة التصنيع، بحيث يتم تحديد العوامل التي قد تؤدي إلى ارتفاع التكاليف في الوقت الذي لا يزال من الممكن إجراء التغييرات بشكل عملي.