Comment réduire le coût des circuits imprimés sans compromettre la qualité

La réduction du coût des circuits imprimés est souvent considérée comme une simple question d'achats.

Dans la pratique, certaines des économies les plus importantes sont déterminées avant même qu'un devis ne soit demandé.

La conception du circuit imprimé elle-même détermine bon nombre des facteurs qui influent sur le coût de fabrication :

• Nombre de couches
• Dimensions de la planche
• Matériau
• Poids du cuivre
• Structure de forage
• Largeur et espacement des traces
• Finition de la surface
• Tolérances
• Exigences en matière d'essais
• Quantité produite

Un matériau moins cher ou un devis moins élevé peut certes réduire le prix d'achat initial, mais cela peut également entraîner des problèmes lors du montage ou de l'exploitation sur le terrain.

Une meilleure approche consiste à supprimer complexité de fabrication inutile tout en conservant les exigences qui ont une incidence réelle sur les performances du produit.

Commencez par définir les exigences relatives au circuit imprimé, et non par le prix

Avant d'essayer de réduire les coûts, classez les exigences en trois catégories.

Exigences non négociables

Il peut s'agir notamment :

• Capacité actuelle
• Température de fonctionnement
• Impédance requise
• Dimensions mécaniques
• Exigences de sécurité
• Objectifs de fiabilité

Celles-ci doivent rester inchangées, sauf en cas de modification du cahier des charges du produit.

Exigences pouvant faire l'objet d'une optimisation

On peut citer par exemple :

• Nombre de couches
• Empilement
• Contour du tableau
• Via la structure
• Réseau de distribution en cuivre
• Finition de la surface

C'est souvent là que l'on peut réaliser des économies substantielles.

Exigences qui pourraient s'avérer superflues

On peut citer par exemple :

• Des tolérances extrêmement serrées sans justification fonctionnelle
• Matériaux spéciaux utilisés par défaut
• Fonctionnalités HDI non requises
• Poids excessif en cuivre
• Finitions de surface trop détaillées

Cette classification permet d'aborder la réduction des coûts de manière beaucoup plus systématique.

1. Optimiser le nombre de calques

Le nombre de couches est l'un des premiers éléments à vérifier.

Un circuit imprimé à 6 couches n'offre pas automatiquement un meilleur rapport qualité-prix qu'un circuit imprimé à 4 couches.

De même, réduire une conception à 8 couches à 6 couches ne constitue pas nécessairement une économie si cela entraîne :

• Itinéraire plus difficile
• Plus de vias
• Problèmes d'intégrité du signal
• Dimensions de la planche plus grandes
• Itérations supplémentaires de conception

L'objectif est de trouver le nombre minimal de couches réalisable qui réponde à l'ensemble des exigences électriques et mécaniques.

Par exemple, une conception à 4 couches peut être idéale pour un contrôleur, tandis qu'une structure à 8 couches peut s'avérer plus adaptée à une carte à haute densité et à haute vitesse.

2. Vérifier l'empilement avant le détourage

Les décisions relatives à l'empilement prises à un stade avancé de la conception peuvent entraîner des coûts inutiles.

L'empilement a une incidence sur :

• Impédance
• Chemins de retour du signal
• Distribution d'électricité
• Épaisseur diélectrique
• Sélection des matériaux
• Réseau de distribution en cuivre

Pour les conceptions à haute vitesse, l'empilement doit être défini avant de commencer le routage détaillé.

Une superposition bien conçue peut parfois éviter d'avoir à recourir ultérieurement à des structures plus coûteuses.

Pour les aspects techniques de cette décision, voir Conception de l'empilement des couches d'un circuit imprimé.

3. Choisissez le bon matériau, et non le moins cher

Le FR-4 standard suffit souvent.

Cependant, certaines applications nécessitent réellement :

• Matériaux à haute température de transition vitreuse
• Stratifiés à faibles pertes
• Matériaux haute fréquence
• Matériaux à faible CTE

Une erreur serait de choisir un stratifié bon marché sans vérifier s'il est adapté.

L'autre extrême est également courant : choisir un matériau coûteux simplement parce que le produit est considéré comme « hautement performant ».

Le choix des matériaux doit se fonder sur :

• Température de fonctionnement
• Fréquence
• Perte de signal
• Exigences mécaniques
• Exigences en matière de fiabilité

Si le FR-4 standard répond aux spécifications requises, il n'y a peut-être pas grand intérêt à payer plus cher pour un matériau plus spécialisé.

4. Réduire les fonctionnalités HDI superflues

L'HDI permet de résoudre des problèmes de routage complexes, mais il ne faut pas l'utiliser systématiquement.

Vérifiez si la conception nécessite réellement :

• Microvias
• Microvias empilés
• Vias aveugles
• Vias enterrés
• Via intégrée au pad
• Laminage séquentiel

Une structure à trous traversants classique est généralement plus simple à fabriquer.

Si un circuit imprimé peut être usiné avec succès sans HDI, il n'y a peut-être pas lieu d'introduire des étapes de fabrication supplémentaires.

En revanche, si un BGA à pas fin ou une enveloppe mécanique compacte nécessite réellement une technologie HDI, le fait de s'en passer risquerait simplement de déplacer le problème ailleurs.

Ce compromis est abordé plus en détail dans Coût des circuits imprimés HDI.

5. Passer en revue le plan du conseil d'administration

La taille du circuit imprimé a une incidence directe sur la consommation de matériaux, mais la forme du circuit imprimé joue également un rôle important.

Un panneau dont le contour est atypique peut générer davantage de déchets de matière lors de la découpe en panneaux.

Lorsque la conception mécanique offre une certaine souplesse, il convient de prendre en compte les éléments suivants :

• Bords droits
• Moins de découpes
• Des dimensions plus efficaces
• Meilleure utilisation des panneaux

Même un petit changement peut parfois permettre d'augmenter le nombre de cartes pouvant tenir sur un panneau de production.

Ce phénomène prend davantage d'importance à mesure que le volume de production augmente.

6. Améliorer l'utilisation des panneaux

La modularisation est l'un des aspects les plus faciles à négliger.

Imaginez un panneau de production capable d'accueillir :

8 planches

Une disposition optimisée pourrait convenir :

10 planches

Sur le plan électrique, le circuit imprimé n'a pas changé, mais la quantité de matériau utilisable par carte a augmenté.

L'utilisation des panneaux dépend des facteurs suivants :

• Dimensions de la planche
• Forme de la planche
• Rotation
• Rails d'outillage
• rainure en V
• Routage
• Exigences en matière d'espacement

Pour les projets de production, il convient donc d'envisager la modularisation avant de finaliser le schéma mécanique.

7. Évitez d'utiliser du cuivre inutilement épais

Le cuivre épais est utile lorsque la conception l'exige.

Parmi les raisons les plus courantes, on peut citer :

• Courant élevé
• Distribution d'électricité
• Gestion thermique
• Résistance réduite du conducteur

Mais l'application d'une épaisse couche de cuivre sur chaque couche peut entraîner un surcoût inutile en termes de matériaux et de fabrication.

Pour une carte à signaux mixtes, il peut être plus judicieux de n'utiliser du cuivre plus épais que là où la conception de l'alimentation l'exige, à condition que le procédé de fabrication et la structure en couches permettent ce type de construction.

8. Utilisez des largeurs et des espacements de pistes adaptés à la pratique

Une géométrie extrêmement fine peut accroître la difficulté de fabrication.

Si la conception utilise :

• Traces très étroites
• Espacement très réduit
• Petits anneaux

En l'absence de raison technique majeure, il serait peut-être possible de simplifier les exigences de fabrication.

Cela peut présenter deux avantages :

1. Réduction de la complexité de fabrication
2. Une meilleure fiabilité de la production

L'objectif n'est pas d'utiliser les traces les plus grandes possibles.

Le but est d'éviter de concevoir des pièces dont les tolérances se rapprochent inutilement des limites de fabrication.

9. Réexaminer les tolérances serrées

Les tolérances serrées sont utiles lorsqu'elles permettent de répondre à une exigence réelle du produit.

Mais toutes les cotes ne nécessitent pas la même tolérance.

Par exemple, une interface mécanique peut nécessiter une tolérance dimensionnelle stricte, tandis qu'une caractéristique interne offre une bien plus grande souplesse.

L'application d'une tolérance inutilement stricte sur l'ensemble du circuit imprimé peut compliquer la production.

Une meilleure approche consiste à déterminer quelles dimensions sont réellement importantes.

10. Choisissez la finition de surface adaptée à l'application

Le choix du traitement de surface doit être déterminé en fonction des exigences en matière d'assemblage et de fiabilité.

Parmi les options courantes, on trouve :

• HASL
• HASL sans plomb
• ENIG
• OSP
• Argent d'immersion

Pour une planche classique, une finition moins coûteuse peut tout à fait convenir.

Pour les composants à pas fin, les boîtiers BGA ou certaines exigences environnementales spécifiques, le recours à l'ENIG ou à une autre finition peut se justifier.

L'essentiel est d'éviter de choisir la finition par simple habitude.

11. Ne supprimez pas les tests indispensables

Les tests constituent un domaine dans lequel la réduction des coûts peut s'avérer contre-productive.

En fonction de l'application, les essais peuvent inclure :

• Essais électriques
• AOI
• Test d'impédance
• Rayons X
• Tests de fiabilité

Un prototype destiné au grand public et une carte de commande automobile ne nécessitent pas forcément la même stratégie d'inspection.

La bonne approche consiste à adapter les tests au niveau de risque du produit.

Supprimer un test nécessaire dans le seul but de réaliser une petite économie peut entraîner des coûts bien plus importants si des cartes défectueuses parviennent jusqu'à la chaîne d'assemblage ou sont mises en service.

12. Optimiser la quantité produite

La quantité a une incidence directe sur le prix unitaire, car les coûts fixes sont répartis sur un plus grand nombre de cartes.

Mais le prix unitaire le plus bas n'entraîne pas nécessairement le coût total le plus bas.

Par exemple :

1,000 boards × low unit price

peut sembler attrayant.

Mais si la conception change après la production de 300 unités, le stock restant devient un coût.

Pour les nouveaux produits, une stratégie de production par étapes peut parfois s'avérer plus pratique :

prototype → engineering validation → small production → volume production

Cela permet de réduire le risque de produire une grande quantité avant que la conception ne soit finalisée.

Guide pratique : comment réduire les coûts des circuits imprimés avant de passer commande

Une révision pratique peut se dérouler en plusieurs étapes.

Étape 1 : Vérifier le nombre de calques

Demander :

La carte peut-elle répondre aux exigences en matière de routage et de signaux avec moins de couches ?

Si oui, évaluez l'autre configuration.

Ne réduisez pas automatiquement les calques.

Étape 2 : Réviser la matière

Demander :

Ce modèle nécessite-t-il réellement un stratifié spécifique ?

Si le FR-4 standard répond aux exigences, comparez-le au matériau actuel.

Étape 3 : Vérification de la structure des vias

Rechercher :

• Vias aveugles
• Vias enterrés
• Microvias
• Microvias empilés
• Via intégrée au pad

Déterminez quelles structures sont indispensables.

Étape 4 : Vérifier le poids du cuivre

Déterminez les besoins réels actuels pour chaque couche.

Évitez d'utiliser du cuivre épais lorsque cela n'apporte aucun avantage électrique.

Étape 5 : Vérification des dimensions de la planche

Vérifiez si une légère modification du contour de la carte pourrait améliorer le taux d'utilisation des panneaux.

Étape 6 : Vérification de la finition de surface

Vérifiez que la finition sélectionnée est requise par le processus d'assemblage.

Étape 7 : Vérification des tolérances

Distinguez les cotes véritablement critiques des spécifications pouvant faire l'objet de tolérances standard.

Étape 8 : Comparer les devis complets

Lorsque vous comparez des devis, utilisez les mêmes critères :

• Matériau
• Nombre de couches
• Poids du cuivre
• Finition de la surface
• Quantité
• Essais
• Délai de livraison

Sinon, un devis moins élevé peut tout simplement reposer sur un cahier des charges différent.

Quels éléments ne faut-il jamais supprimer dans le seul but de réduire le coût des circuits imprimés ?

Certaines spécifications sont directement liées aux performances ou à la fiabilité du produit.

Faites particulièrement attention à ne pas réduire :

Épaisseur du cuivre

Si la conception électrique nécessite une capacité de courant spécifique, la réduction de la quantité de cuivre peut entraîner une augmentation de la résistance et de l'échauffement.

Exigences en matière de placage

Un placage insuffisant des vias peut nuire à la fiabilité à long terme.

Performances des matériaux

L'utilisation d'un stratifié inadapté peut entraîner des problèmes thermiques ou liés à l'intégrité du signal.

Tests obligatoires

La suppression des contrôles appropriés peut accroître le risque que des cartes défectueuses soient intégrées à la chaîne d'assemblage.

Tolérances critiques

Si une interface mécanique ou électrique nécessite réellement une tolérance, le fait de l'assouplir peut entraîner des défaillances en aval.

L'optimisation des coûts doit s'articuler autour de ces exigences, et non pas consister à simplement les supprimer.

Un exemple concret d'optimisation des coûts des circuits imprimés

Prenons l'exemple d'un circuit imprimé à 8 couches comportant :

• Matériau à haute Tg
• 2 oz de cuivre sur chaque couche
• ENIG
• Microvias
• Via intégrée au pad
• Espacement réduit entre les pistes
• Tolérances dimensionnelles très strictes

La première réaction pourrait être de chercher un fabricant de circuits imprimés moins cher.

Une meilleure approche consiste à revoir la conception.

Supposons que l'examen technique révèle que :

• Seules deux couches nécessitent en réalité 2 oz de cuivre
• Le FR-4 standard répond aux exigences thermiques
• Plusieurs microvias peuvent être remplacées par des vias à trou traversant
• Le « via-in-pad » n'est nécessaire que sous un seul BGA
• Certaines tolérances dimensionnelles peuvent utiliser des valeurs standard

La conception révisée pourrait présenter une complexité de fabrication nettement moindre.

Ces économies proviennent de optimisation de la conception, et non pas en compromettant la qualité du circuit imprimé fini.

Coût du circuit imprimé par rapport au coût total du produit

Un circuit imprimé ne constitue qu'une partie du produit électronique fini.

Un circuit imprimé légèrement moins cher peut finir par coûter plus cher s'il entraîne :

• Défauts de montage en surface (SMT)
• Retouche
• Temps d'assemblage plus long
• Débogage des signaux
• Problèmes thermiques
• Pannes sur site

C'est pourquoi le coût des circuits imprimés doit être évalué en tenant compte des éléments suivants :

fabrication + assemblage + essais + gestion des stocks + fiabilité

Cela revêt une importance particulière lorsque le circuit imprimé est utilisé dans des produits industriels ou destinés à une longue durée de vie.

FAQ

Conclusion

Les réductions de coûts les plus efficaces concernant les circuits imprimés interviennent généralement avant le lancement de la commande de production.

Au lieu de vous demander uniquement comment obtenir un prix unitaire plus bas, examinez la conception afin de repérer toute complexité de fabrication superflue.

Les domaines les plus utiles à examiner sont les suivants :

• Nombre de couches
• Empilement
• Matériau
• Poids du cuivre
• Via la structure
• Dimensions de la planche
• Taux d'utilisation des panneaux
• Géométrie de tracé
• Tolérances
• Finition de la surface
• Quantité produite

L'objectif est simple :

éliminer les coûts superflus, pas la qualité.

Un circuit imprimé bien optimisé doit être simple à fabriquer, répondre aux exigences électriques et mécaniques, et éviter les processus qui n'existent que parce qu'ils ont été spécifiés sans raison technique claire.

Pour les projets pris en charge par TOPFAST, cette même analyse peut être réalisée avant la fabrication, afin d'identifier les facteurs susceptibles d'entraîner une augmentation des coûts tant qu'il est encore possible d'apporter des modifications.