So senken Sie die Kosten für Leiterplatten, ohne Abstriche bei der Qualität zu machen

Die Senkung der Leiterplattenkosten wird oft als reine Beschaffungsmaßnahme betrachtet.

In der Praxis lassen sich einige der größten Einsparungen bereits ermitteln, noch bevor überhaupt ein Angebot angefordert wird.

Das Leiterplattenlayout selbst bestimmt viele der Faktoren, die sich auf die Herstellungskosten auswirken:

• Anzahl der Schichten
• Abmessungen der Platte
• Material
• Kupfergewicht
• Bohrstruktur
• Strichbreite und Abstand
• Oberflächengüte
• Toleranzen
• Prüfungsanforderungen
• Produktionsmenge

Ein kostengünstigeres Material oder ein niedrigeres Angebot mag zwar den Anschaffungspreis senken, kann jedoch auch zu Problemen bei der Montage oder im Betrieb führen.

Ein besserer Ansatz ist es, unnötige Komplexität in der Fertigung unter Beibehaltung der Anforderungen, die sich tatsächlich auf die Produktleistung auswirken.

Beginnen Sie mit den Anforderungen an die Leiterplatte, nicht mit dem Preis

Bevor Sie versuchen, die Kosten zu senken, sollten Sie die Anforderungen in drei Kategorien unterteilen.

Anforderungen, bei denen keine Kompromisse eingegangen werden dürfen

Dazu können gehören:

• Stromkapazität
• Betriebstemperatur
• Erforderliche Impedanz
• Mechanische Abmessungen
• Sicherheitsanforderungen
• Zuverlässigkeitsziele

Diese sollten unverändert bleiben, es sei denn, die Produktspezifikation selbst ändert sich.

Anforderungen, die optimiert werden können

Beispiele hierfür sind:

• Anzahl der Schichten
• Stapelung
• Board-Umriss
• Über die Struktur
• Kupferverteilung
• Oberflächengüte

Gerade hier lassen sich oft nennenswerte Einsparungen erzielen.

Anforderungen, die möglicherweise unnötig sind

Beispiele hierfür sind:

• Extrem enge Toleranzen ohne funktionalen Grund
• Standardmäßig verwendete Spezialmaterialien
• Nicht benötigte HDI-Funktionen
• Zu hohes Kupfergewicht
• Übermäßig detaillierte Oberflächenbeschaffenheiten

Durch diese Einteilung lässt sich die Kostensenkung wesentlich systematischer gestalten.

1. Anzahl der Ebenen optimieren

Die Anzahl der Schichten ist einer der ersten Punkte, die geprüft werden sollten.

Eine 6-lagige Leiterplatte bietet nicht automatisch ein besseres Preis-Leistungs-Verhältnis als eine 4-lagige Leiterplatte.

Ebenso stellt die Reduzierung eines 8-lagigen Designs auf 6 Lagen nicht unbedingt eine Einsparung dar, wenn dies folgende Auswirkungen hat:

• Kompliziertere Routenführung
• Weitere Durchkontaktierungen
• Probleme mit der Signalintegrität
• Größere Plattenabmessungen
• Weitere Entwurfsiterationen

Das Ziel ist es, die geringste praktikable Schichtenanzahl das alle elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllt.

So kann beispielsweise ein 4-lagiges Design ideal für einen Controller sein, während eine 8-lagige Struktur für eine hochdichte Hochgeschwindigkeitsplatine besser geeignet sein könnte.

2. Überprüfen Sie den Schichtaufbau vor dem Fräsen

Entscheidungen zur Schichtung, die erst spät im Entwurfsprozess getroffen werden, können unnötige Kosten verursachen.

Die Stapelung wirkt sich aus auf:

• Impedanz
• Signalrückleitungen
• Stromverteilung
• Dielektrische Dicke
• Auswahl des Materials
• Kupferverteilung

Bei Hochgeschwindigkeits-Designs sollte der Schichtaufbau festgelegt werden, bevor mit dem detaillierten Routing begonnen wird.

Ein gut durchdachter Aufbau kann manchmal verhindern, dass später teurere Konstruktionen erforderlich werden.

Zu den technischen Aspekten dieser Entscheidung siehe Entwurf des Leiterplattenaufbaus.

3. Verwenden Sie das richtige Material, nicht das billigste Material

Standard-FR-4 reicht oft aus.

Allerdings erfordern manche Anwendungen tatsächlich:

• Materialien mit hoher Glasübergangstemperatur
• Verlustarme Laminate
• Hochfrequente Materialien
• Materialien mit niedrigem CTE

Ein falscher Ansatz ist es, sich für ein günstiges Laminat zu entscheiden, ohne dessen Eignung zu prüfen.

Auch das andere Extrem kommt häufig vor: Die Wahl eines teuren Materials, nur weil das Produkt als „Hochleistungsprodukt“ gilt.

Die Materialauswahl sollte auf folgenden Kriterien basieren:

• Betriebstemperatur
• Frequenz
• Signalausfall
• Mechanische Anforderungen
• Zuverlässigkeitsanforderungen

Wenn Standard-FR-4 die tatsächlichen Spezifikationen erfüllt, bietet es möglicherweise kaum Vorteile, für ein spezialisierteres Material mehr zu bezahlen.

4. Reduzierung unnötiger HDI-Funktionen

HDI kann schwierige Routing-Probleme lösen, sollte jedoch nicht automatisch eingesetzt werden.

Prüfen Sie, ob das Design dies wirklich benötigt:

• Mikrobohrungen
• Gestapelte Mikrovias
• Blinde Durchkontaktierungen
• Vergrabene Durchkontaktierungen
• Via-in-Pad
• Sequentielles Laminieren

Eine herkömmliche Durchsteckbauweise ist in der Regel einfacher herzustellen.

Wenn eine Leiterplatte auch ohne HDI erfolgreich bestückt werden kann, gibt es möglicherweise kaum einen Grund, zusätzliche Fertigungsschritte einzuführen.

Wenn hingegen ein BGA mit engem Rastermaß oder eine kompakte mechanische Bauform tatsächlich HDI erfordert, würde dessen Wegfall das Problem möglicherweise lediglich an eine andere Stelle verlagern.

Dieser Kompromiss wird ausführlicher behandelt in Kosten für HDI-Leiterplatten.

5. Die Gliederung des Vorstands durchgehen

Die Größe der Leiterplatte wirkt sich direkt auf den Materialverbrauch aus, aber auch die Form der Leiterplatte spielt eine Rolle.

Eine Platte mit einer ungewöhnlichen Kontur kann bei der Panelisierung zu mehr Materialabfall führen.

Wenn die mechanische Konstruktion eine gewisse Flexibilität zulässt, sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• Gerade Kanten
• Weniger Ausschnitte
• Effizientere Abmessungen
• Bessere Auslastung der Platten

Schon eine kleine Änderung kann manchmal dazu führen, dass mehr Platinen auf eine Produktionsplatte passen.

Dies gewinnt mit steigendem Produktionsvolumen zunehmend an Bedeutung.

6. Die Auslastung der Fertigungsanlagen verbessern

Die Panelisierung ist einer der Bereiche, die am leichtesten übersehen werden.

Stellen Sie sich eine Produktionskonsole vor, die Folgendes bietet:

8 Bretter

Eine optimierte Anordnung könnte in Frage kommen:

10 Bretter

Die einzelne Leiterplatte hat sich elektrisch nicht verändert, aber die Menge an nutzbarem Material pro Platine hat sich verbessert.

Die Auslastung der Panels hängt ab von:

• Abmessungen der Platte
• Form des Boards
• Rotation
• Werkzeugschienen
• V-Nut
• Routing
• Abstandsvorschriften

Bei Produktionsprojekten sollte daher die Panelisierung berücksichtigt werden, bevor der mechanische Entwurf endgültig festgelegt wird.

7. Vermeiden Sie unnötig dickes Kupfer

Dickes Kupfer ist nützlich, wenn es für die Konstruktion erforderlich ist.

Zu den typischen Gründen zählen:

• Hohe Stromstärke
• Stromverteilung
• Thermisches Management
• Geringerer Leiterwiderstand

Wenn man jedoch auf jede Schicht eine dicke Kupferschicht aufträgt, kann dies zu unnötigen Material- und Prozesskosten führen.

Bei einer Mixed-Signal-Leiterplatte kann es sinnvoller sein, dickeres Kupfer nur dort zu verwenden, wo es das Stromversorgungsdesign erfordert, vorausgesetzt, der Fertigungsprozess und der Schichtaufbau lassen diese Bauweise zu.

8. Praktische Leiterbahnbreiten und -abstände verwenden

Eine extrem feine Geometrie kann die Fertigung erschweren.

Wenn das Design Folgendes verwendet:

• Sehr schmale Spuren
• Sehr geringer Abstand
• Kleine ringförmige Ringe

Sofern es keinen zwingenden elektrischen Grund gibt, besteht möglicherweise die Möglichkeit, die Fertigungsanforderungen zu vereinfachen.

Dies kann zwei Vorteile haben:

1. Geringere Komplexität in der Fertigung
2. Höhere Produktionsrobustheit

Das Ziel besteht nicht darin, möglichst große Spuren zu verwenden.

Damit soll vermieden werden, dass bei der Konstruktion unnötig nahe an die Fertigungsgrenzen gegangen wird.

9. Enge Toleranzen überdenken

Enge Toleranzen sind sinnvoll, wenn sie eine tatsächliche Produktanforderung regeln.

Aber nicht jedes Maß erfordert dieselbe Toleranz.

Beispielsweise kann eine mechanische Schnittstelle eine enge Maßtoleranz erfordern, während bei einem inneren Merkmal wesentlich mehr Flexibilität besteht.

Die Anwendung einer unnötig engen Toleranz auf der gesamten Leiterplatte kann die Fertigung erschweren.

Ein besserer Ansatz besteht darin, herauszufinden, welche Dimensionen tatsächlich von Bedeutung sind.

10. Wählen Sie die Oberflächenbeschaffenheit für die jeweilige Anwendung aus

Die Oberflächenbeschaffenheit sollte entsprechend den Anforderungen an die Montage und die Zuverlässigkeit ausgewählt werden.

Zu den gängigen Optionen gehören:

• HASL
• Bleifreies HASL
• ENIG
• OSP
• Eintauchen Silber

Bei einer herkömmlichen Platte kann eine kostengünstigere Oberflächenbehandlung völlig ausreichend sein.

Bei Bauteilen mit engem Rastermaß, BGA-Gehäusen oder besonderen Umgebungsanforderungen kann der Einsatz von ENIG oder einer anderen Oberflächenbeschichtung gerechtfertigt sein.

Wichtig ist, dass man die Oberflächenausführung nicht bloß aus Gewohnheit auswählt.

11. Notwendige Tests nicht weglassen

Das Testen ist ein Bereich, in dem Kosteneinsparungen kontraproduktiv sein können.

Je nach Anwendungsfall können die Prüfungen Folgendes umfassen:

• Elektrische Prüfung
• AOI
• Impedanzprüfung
• Röntgenbild
• Zuverlässigkeitsprüfung

Ein Prototyp für den Endverbraucher und eine Steuerplatine für Kraftfahrzeuge erfordern nicht unbedingt dieselbe Prüfstrategie.

Der richtige Ansatz besteht darin, die Prüfungen an das Produktrisiko anzupassen.

Das Weglassen eines geeigneten Tests nur um ein wenig Geld zu sparen, kann zu weitaus höheren Kosten führen, wenn fehlerhafte Leiterplatten in die Montage oder in den Einsatz gelangen.

12. Produktionsmenge optimieren

Die Menge wirkt sich direkt auf den Stückpreis aus, da die Fixkosten auf eine größere Anzahl von Platinen verteilt werden.

Der niedrigste Stückpreis führt jedoch nicht zwangsläufig zu den niedrigsten Gesamtkosten.

Beispiel:

1,000 boards × low unit price

kann attraktiv wirken.

Wenn sich das Design jedoch nach 300 Einheiten ändert, wird der verbleibende Lagerbestand zu einem Kostenfaktor.

Bei neuen Produkten kann eine schrittweise Produktionsstrategie manchmal praktischer sein:

prototype → engineering validation → small production → volume production

Dadurch wird das Risiko verringert, dass große Stückzahlen produziert werden, bevor sich das Design gefestigt hat.

Anleitung: So ermitteln Sie Kosteneinsparungen bei Leiterplatten vor der Bestellung

Eine praktische Überprüfung kann in mehreren Schritten durchgeführt werden.

Schritt 1: Überprüfen Sie die Anzahl der Ebenen

Fragen Sie:

Kann die Leiterplatte die Anforderungen an die Leiterbahnführung und die Signalübertragung mit weniger Schichten erfüllen?

Falls ja, prüfen Sie die alternative Schichtung.

Ebenen nicht automatisch reduzieren.

Schritt 2: Das Material durchgehen

Fragen Sie:

Ist für das Design tatsächlich ein spezielles Laminat erforderlich?

Wenn Standard-FR-4 die Anforderungen erfüllt, vergleichen Sie es mit dem derzeit verwendeten Material.

Schritt 3: Überprüfung der Via-Struktur

Suchen Sie nach:

• Blinde Durchkontaktierungen
• Vergrabene Durchkontaktierungen
• Mikrobohrungen
• Gestapelte Mikrovias
• Via-in-Pad

Stellen Sie fest, welche Strukturen unverzichtbar sind.

Schritt 4: Kupfergewicht prüfen

Ermitteln Sie den tatsächlichen Strombedarf für jede Schicht.

Vermeiden Sie die Verwendung von schwerem Kupfer, wenn dies keinen sinnvollen elektrischen Vorteil bietet.

Schritt 5: Abmessungen der Platine überprüfen

Prüfen Sie, ob eine geringfügige Änderung der Leiterplattenkontur die Ausnutzung der Leiterplattenfläche verbessern könnte.

Schritt 6: Überprüfung der Oberflächenbeschaffenheit

Vergewissern Sie sich, dass die ausgewählte Oberflächenbehandlung für den Montageprozess erforderlich ist.

Schritt 7: Toleranzen überprüfen

Unterscheiden Sie wirklich kritische Maße von Spezifikationen, für die Standardtoleranzen verwendet werden können.

Schritt 8: Vergleichen Sie die vollständigen Angebote

Verwenden Sie beim Vergleich von Angeboten dieselben:

• Material
• Anzahl der Schichten
• Kupfergewicht
• Oberflächengüte
• Menge
• Prüfung
• Vorlaufzeit

Andernfalls könnte ein niedrigeres Angebot einfach auf einer anderen Spezifikation beruhen.

Was sollten Sie auf keinen Fall einsparen, nur um die Leiterplattenkosten zu senken?

Einige Spezifikationen stehen in direktem Zusammenhang mit der Leistung oder Zuverlässigkeit des Produkts.

Seien Sie besonders vorsichtig bei der Reduktion von:

Kupferdicke

Wenn die elektrische Auslegung eine bestimmte Strombelastbarkeit erfordert, kann eine Verringerung der Kupfermenge zu einem Anstieg des Widerstands und einer stärkeren Erwärmung führen.

Anforderungen an die Beschichtung

Eine unzureichende Durchkontaktierung kann die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.

Materialleistung

Die Verwendung eines ungeeigneten Laminats kann zu Problemen hinsichtlich der thermischen Eigenschaften oder der Signalintegrität führen.

Erforderliche Prüfungen

Wird eine angemessene Prüfung weggelassen, kann dies das Risiko erhöhen, dass fehlerhafte Leiterplatten in die Montage gelangen.

Kritische Toleranzen

Wenn eine mechanische oder elektrische Schnittstelle tatsächlich eine bestimmte Toleranz erfordert, kann eine Lockerung dieser Toleranz zu Fehlern in nachgelagerten Bereichen führen.

Die Kostenoptimierung sollte sich an diesen Anforderungen orientieren und nicht darin bestehen, sie einfach zu streichen.

Ein praktisches Beispiel zur Kostenoptimierung bei Leiterplatten

Betrachten wir eine 8-lagige Leiterplatte mit:

• Material mit hoher Glasübergangstemperatur
• 2 oz Kupfer auf jeder Schicht
• ENIG
• Mikrobohrungen
• Via-in-Pad
• Enger Leiterbahnabstand
• Enge Maßtoleranzen

Die erste Reaktion könnte sein, nach einem günstigeren Leiterplattenhersteller zu fragen.

Besser ist es, den Entwurf zu überprüfen.

Angenommen, die technische Überprüfung ergibt Folgendes:

• Nur zwei Schichten erfordern tatsächlich 2 oz Kupfer
• Standard-FR-4 erfüllt die thermischen Anforderungen
• Mehrere Mikrovias können durch Durchkontaktierungen ersetzt werden
• Ein „Via-in-Pad“ ist nur unter einem BGA erforderlich
• Für manche Maßtoleranzen können Standardwerte verwendet werden

Die überarbeitete Konstruktion könnte eine deutlich geringere Fertigungskomplexität aufweisen.

Die Einsparungen ergeben sich aus Konstruktionsoptimierung, ohne dabei die fertige Leiterplatte zu beeinträchtigen.

Leiterplattenkosten im Vergleich zu den Gesamtproduktkosten

Eine Leiterplatte ist nur ein Bestandteil des fertigen Elektronikprodukts.

Eine etwas günstigere Leiterplatte kann teurer werden, wenn sie Folgendes verursacht:

• SMT-Fehler
• Nachbearbeitung
• Längere Montagezeit
• Signal-Debugging
• Wärmeprobleme
• Fehler im Feld

Aus diesem Grund sollten die Leiterplattenkosten zusammen mit folgenden Faktoren bewertet werden:

Fertigung + Montage + Prüfung + Lagerhaltung + Zuverlässigkeit

Dies ist besonders wichtig, wenn die Leiterplatte in Industrieprodukten oder langlebigen Produkten zum Einsatz kommt.

FAQ

Schlussfolgerung

Die wirksamsten Kosteneinsparungen bei Leiterplatten werden in der Regel bereits vor der Erteilung des Fertigungsauftrags erzielt.

Anstatt sich nur zu fragen, wie man einen niedrigeren Stückpreis erzielen kann, sollten Sie das Design auf unnötige Komplexität in der Fertigung überprüfen.

Die wichtigsten Bereiche, die es zu untersuchen gilt, sind:

• Anzahl der Schichten
• Stapelung
• Material
• Kupfergewicht
• Über die Struktur
• Abmessungen der Platte
• Auslastung der Module
• Konturgeometrie
• Toleranzen
• Oberflächengüte
• Produktionsmenge

Das Ziel ist einfach:

Unnötige Kosten einsparen, nicht die Qualität.

Eine gut optimierte Leiterplatte sollte einfach herzustellen sein, die elektrischen und mechanischen Anforderungen erfüllen und Verfahren vermeiden, die nur deshalb bestehen, weil sie ohne klaren technischen Grund festgelegt wurden.

Bei Projekten, die von TOPFAST abgewickelt werden, kann dieselbe Überprüfung bereits vor der Fertigung durchgeführt werden, sodass potenzielle Kostenfaktoren erkannt werden, solange Änderungen noch praktikabel sind.