Les prototypes de circuits imprimés sont généralement fabriqués en petites quantités afin de valider une conception avant de passer à une production à plus grande échelle.
Une commande de prototypes ne peut contenir que :
- 5 planches
- 10 planches
- 20 planches
- 50 planches
Pourtant, le processus de fabrication nécessite encore bon nombre des mêmes étapes de préparation que celles utilisées pour les commandes de production plus importantes.
C'est pourquoi le prix unitaire d'un prototype peut paraître étonnamment élevé.
Le devis d'un prototype de circuit imprimé peut inclure les coûts liés aux éléments suivants :
- Préparation technique
- Matériau
- Nombre de couches
- Forage
- Placage
- Lamination
- Finition de la surface
- Essais électriques
- Outillage
- Taux d'utilisation des panneaux
- Production accélérée
Ce qu'il faut retenir, c'est que Le coût du prototype et le coût de production évoluent différemment.
Tenter d'évaluer un prototype de cinq cartes en appliquant la même logique qu'à une commande de production de 5 000 cartes peut conduire à des conclusions trompeuses.
Table des matières
Pourquoi les prototypes de circuits imprimés coûtent-ils plus cher à l'unité ?
La raison principale tient à la répartition des coûts fixes.
Supposons qu'une opération de fabrication entraîne un coût de préparation fixe.
Avec 10 cartes, ce coût est réparti sur 10 unités.
Avec 1 000 cartes, ce même coût est réparti sur 1 000 unités.
Le coût unitaire varie donc considérablement, même si le circuit imprimé lui-même n'a pas changé.
Voici à quoi ressemble un modèle simplifié :
Prototype unit cost = fixed setup cost ÷ quantity + variable PCB cost
Il ne s'agit pas d'une formule de tarification à proprement parler, mais cela explique pourquoi les commandes de faible volume ont des prix unitaires plus élevés.
Quels sont les éléments inclus dans le coût d'un prototype de circuit imprimé ?
Un devis type peut comporter plusieurs éléments de coût différents.
Préparation technique
Avant le début de la fabrication, il peut s'avérer nécessaire de vérifier et de préparer les données de fabrication.
Cela peut notamment inclure :
- Vérification Gerber
- Révision du dossier d'exercices
- Analyse de la configuration
- Contrôles des règles de fabrication
- Préparation des panneaux
L'ampleur des travaux d'ingénierie dépend de la conception.
Matériaux
Le coût des matériaux dépend des éléments suivants :
- Dimensions du circuit imprimé
- Nombre de couches
- Stratifié
- Poids du cuivre
- Épaisseur
Le coût des matériaux d'un simple prototype FR-4 à deux couches sera généralement différent de celui d'une carte haute vitesse à dix couches.
Fabrication
La fabrication comprend les opérations proprement dites de fabrication des circuits imprimés :
- Imagerie
- Gravure
- Lamination
- Forage
- Placage
- Masque de soudure
- Finition de la surface
Plus la structure est complexe, plus le processus comporte d'étapes.
Le nombre de couches a une forte influence
Un prototype ne coûte pas cher simplement parce que c'est un prototype.
La fabrication de la planche reste l'un des principaux facteurs de coût.
Par exemple, a :
est généralement plus simple qu'un :
ce qui est plus simple qu'un :
et ainsi de suite.
Un nombre plus élevé de couches nécessite davantage de matériaux et de processus de fabrication.
Cependant, réduire le nombre de couches dans le seul but de réduire le coût des prototypes n'est pas toujours judicieux.
Si le prototype est destiné à valider la conception finale, modifier la fabrication du circuit imprimé dans le seul but de réduire son coût peut rendre ce prototype moins représentatif du produit de série.
Dimensions de la planche
Les cartes de plus grande taille nécessitent davantage de matériaux et occupent généralement une plus grande surface de panneau de production.
Toutefois, le prix des prototypes dépend également de l'efficacité avec laquelle les cartes peuvent être disposées sur le panneau.
Une petite planche peut parfois présenter un coût de matière moins élevé, mais son prix unitaire reste néanmoins relativement élevé, car seules quelques pièces sont commandées.
C'est pourquoi il convient d'examiner conjointement la taille et la quantité des planches.
Sélection des matériaux
Le FR-4 standard est couramment utilisé pour les prototypes de circuits imprimés.
Selon l'application, les prototypes peuvent également nécessiter :
- FR-4 à haute Tg
- Matériau à faibles pertes
- Stratifié haute fréquence
- Matériau souple
- Construction rigide-flexible
Il est souvent préférable d'utiliser le matériau de série pour le prototype lorsque les propriétés du matériau ont une incidence importante sur le comportement du produit.
Par exemple, un circuit à haute vitesse ne doit pas nécessairement faire l'objet d'un prototypage avec un système diélectrique totalement différent simplement parce que cela revient moins cher.
Finition de la surface
La finition de surface constitue un autre élément de coût.
Parmi les options courantes, on trouve :
- HASL
- HASL sans plomb
- ENIG
- OSP
- Argent d'immersion
Pour des prototypes simples, le langage HASL peut s'avérer suffisant.
Pour les composants à pas fin ou les assemblages BGA, une finition plus lisse peut s'avérer plus appropriée.
La finition la moins chère n'est donc pas toujours le meilleur choix pour la validation d'un prototype.
Quantité et prix unitaire
La quantité de prototypes présente une relation intéressante avec le coût.
Commander un nombre trop faible de cartes peut entraîner un prix unitaire élevé.
Une augmentation de la quantité peut entraîner une baisse du prix unitaire, car les coûts fixes de mise en place sont répartis sur un plus grand nombre de cartes.
Mais cela ne signifie pas pour autant que commander la quantité maximale possible soit la bonne stratégie.
S'agissant d'un premier prototype, la conception est susceptible d'évoluer.
Voici un exemple de séquence de développement pratique :
Initial prototype → design correction → validation build → pilot production
Cette solution peut s'avérer plus économique que de commander un lot important de prototypes avant que la conception n'ait été testée.
Coût du prototype par rapport au coût de production
L'une des idées fausses les plus courantes consiste à comparer directement les prix des prototypes et ceux des unités de série.
Réfléchissez à ceci :
| Stade | Objectif type |
|---|---|
| Prototype | Vérifier la conception |
| Version d'ingénierie | Valider les performances |
| Production pilote | Valider la fabrication |
| Production en série | Réduire le coût unitaire |
Chaque étape a un objectif différent.
Un prototype n'est pas nécessairement conçu pour atteindre le coût unitaire le plus bas possible.
Son objectif est de répondre à des questions telles que :
- Le circuit fonctionne-t-il ?
- Le circuit imprimé s'adapte-t-il au boîtier ?
- Le BGA s'assemble-t-il correctement ?
- L'impédance est-elle correcte ?
- La carte résiste-t-elle aux essais thermiques ?
Une fois ces questions résolues, la production pourra se concentrer davantage sur la rentabilité par unité.
Guide pratique : réduire le coût des prototypes de circuits imprimés
Étape 1 : Commander la bonne quantité
Estimez le nombre de planches réellement nécessaires pour :
- Essais techniques
- Assemblée
- Essais destructifs
- Échantillons clients
- Unités de secours
Il peut être utile de commander une ou deux cartes supplémentaires.
Il n'est généralement pas d'usage de commander des centaines d'unités avant la validation de la conception.
Étape 2 : Éviter les traitements spéciaux inutiles
Vérifiez si le prototype a réellement besoin :
- Vias aveugles
- Vias enterrés
- Microvias
- Via intégrée au pad
- Cuivre épais
- Finitions de surface spéciales
Si la conception technique l'exige, ces éléments devront peut-être tout de même être intégrés au prototype.
L'objectif est de supprimer les fonctionnalités superflues, et non celles qui sont indispensables.
Étape 3 : Utilisez des matériaux standard dans la mesure du possible
Si l'application ne nécessite pas de stratifié spécialisé, l'utilisation d'un FR-4 standard peut faciliter l'approvisionnement.
Toutefois, pour les conceptions à haute fréquence ou présentant des exigences thermiques élevées, utilisez le matériau requis par l'application concernée.
Étape 4 : Vérifier les dimensions de la planche
Si la conception mécanique n'est pas encore définitive, demandez-vous s'il est possible d'optimiser son profil.
Cela peut permettre d'optimiser l'utilisation des matériaux et pourrait également simplifier la production par la suite.
Étape 5 : Éviter les procédures accélérées inutiles
Les prototypes réalisés dans des délais très courts peuvent s'avérer utiles lorsqu'un projet est bloqué par des problèmes de disponibilité du matériel.
Mais si le calendrier permet une production normale, éviter tout traitement urgent inutile peut permettre de réduire les coûts.
Le délai de livraison doit donc être considéré comme une variable relevant de la conception et de la gestion de projet, et non comme un simple paramètre d'achat.
Coût des prototypes de circuits imprimés multicouches
Les prototypes multicouches méritent une attention particulière.
Un prototype à 4 couches peut nécessiter :
- Matériaux à noyaux multiples et préimprégnés
- Imagerie des couches internes
- Lamination
- Forage
- Placage
Un prototype à 8 ou 10 couches présente une plus grande complexité.
Si la conception intègre la technologie HDI, le processus se complique à nouveau.
À titre de comparaison, voir Coût d'un circuit imprimé à 8 couches and Coût des circuits imprimés HDI.
C'est pourquoi les devis de prototypes doivent toujours préciser la structure complète du circuit imprimé, plutôt que de se contenter d'indiquer « circuit imprimé multicouche ».
Coût du prototype HDI
Les prototypes HDI peuvent être nettement plus coûteux que les prototypes multicouches classiques pour les raisons suivantes :
- Perçage au laser
- Microvias
- Laminage séquentiel
- Via le remplissage
- Traitement des lignes fines
Cependant, la même règle s'applique :
Ne supprimez pas une structure HDI si celle-ci est nécessaire pour valider la conception de production finale.
Un prototype utilisant une structure de vias totalement différente peut ne pas refléter fidèlement les performances en conditions de production.
La question qu'il convient plutôt de se poser est de savoir si chaque fonctionnalité HDI intégrée à la conception est réellement nécessaire.
La qualité des prototypes doit-elle être équivalente à celle de la production ?
Pour de nombreux paramètres techniques, oui.
Un prototype a pour but de fournir des informations techniques utiles.
Si le circuit imprimé de série utilisera :
- Un stratifié spécifique
- Impédance contrôlée
- Une épaisseur de cuivre donnée
- Une finition de surface spécifique
Or, modifier ces caractéristiques pour le prototype peut rendre les résultats des essais moins représentatifs.
Une certaine souplesse est possible en ce qui concerne les détails de fabrication non critiques, mais les paramètres ayant une incidence sur les performances électriques, thermiques, mécaniques et de fiabilité doivent rester constants.
Quels éléments peut-on optimiser en toute sécurité ?
Il existe plusieurs domaines dans lesquels il est souvent possible de réduire les coûts sans modifier la conception de base.
Nombre de cartes
Commandez une quantité suffisante pour permettre la validation sans créer de stocks superflus.
Panelisation
Améliorer la disposition des cartes en vue de leur fabrication.
Dimensions standard
Évitez les dimensions inhabituelles lorsque la conception mécanique offre une certaine souplesse.
Règles de fabrication standard
Utilisez des largeurs de pistes, des espacements, des diamètres de trous et des tolérances adaptés à la pratique lorsque la conception le permet.
Finition de la surface
Faites votre choix en fonction des exigences de montage.
Délai d'exécution
Évitez de recourir à une production accélérée lorsque le calendrier ne l'exige pas.
Qu'est-ce qu'il ne faut pas réduire simplement pour faire des économies sur le coût des prototypes ?
Faites attention à :
- Propriétés diélectriques requises
- Épaisseur de cuivre requise
- Impédance critique
- Structure des vias minimales
- Exigences thermiques
- Tolérances mécaniques
- Exigences en matière de fiabilité
Réaliser une petite économie sur le prototype ne sert à rien si cela empêche l'équipe d'ingénieurs d'obtenir des résultats de test valables.
Évolution du coût des prototypes au cours du développement d'un produit
La stratégie la plus économique consiste généralement à ne pas traiter toutes les séries de circuits imprimés de la même manière.
Premier prototype
À la une :
- Fonctionnalités de base
- Ajustement mécanique
- Problèmes majeurs de routage
Validation technique
À la une :
- Performance électrique
- Comportement thermique
- Intégrité du signal
- Assemblée
Version pilote
À la une :
- Répétabilité de la fabrication
- Rendement
- Processus d'assemblage
- Essais
Production en série
À la une :
- Coût unitaire
- Taux d'utilisation des panneaux
- Efficacité de la production
- Planification des approvisionnements
Les priorités en matière de coûts évoluent à mesure que le produit gagne en maturité.
FAQ
R : Parce que les coûts fixes liés à l'ingénierie, à la mise en place, à l'outillage et à la fabrication sont répartis sur un petit nombre de cartes.
R : Cela dépend du plan de validation. Il faut tenir compte du nombre d'unités nécessaires pour l'assemblage, les essais électriques, les essais mécaniques, les essais destructifs et les unités de secours.
R : Le prix unitaire peut baisser à mesure que la quantité augmente, mais il n'est judicieux de commander davantage de cartes que si celles-ci sont susceptibles d'être utilisées avant que la conception ne change.
R : Lorsque les propriétés d'un matériau ont une incidence sur ses performances électriques, thermiques ou mécaniques, il est généralement préférable d'utiliser le matériau de production prévu.
R : Uniquement si la modification des spécifications n'affecte pas la finalité du prototype. Les caractéristiques électriques, thermiques, mécaniques et de fiabilité essentielles doivent rester représentatives de la production.
Conclusion
Le coût d'un prototype de circuit imprimé dépend à la fois de la conception physique de la carte et du faible nombre d'exemplaires produits.
Parmi les principaux facteurs, on peut citer :
- Nombre de couches
- Dimensions de la planche
- Matériau
- Poids du cuivre
- Via la structure
- Finition de la surface
- Préparation technique
- Essais
- Quantité
- Délai de livraison
Le moyen le plus efficace de réduire le coût des prototypes n'est pas de supprimer les spécifications nécessaires, mais d'éviter toute complexité superflue et de commander une quantité appropriée au bon stade du développement du produit.
Un prototype doit permettre de répondre à des questions d'ingénierie.
Si la réduction du devis empêche le prototype de refléter fidèlement le produit final, l'économie réalisée n'en vaut généralement pas la peine.
Pour les projets passant du stade du prototype à celui de la production, il est également utile de revoir la conception avant la prochaine phase de fabrication. Chez TOPFAST, ce type de révision permet d’identifier les spécifications du prototype qui doivent rester inchangées et les détails de fabrication qui peuvent être simplifiés à mesure que le projet évolue vers la production en série.
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