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印制電路板成本控制必要性和實現方法

作者:陳國斌時間:2015-11-16 10:18:19 來源:www.6scc.cn 閱讀次數:964次 ]

【文章摘要】

現代科技產品日新月異，新產品、新設計層出不窮。而這些新產品、新設計的核心就在于印制電路板（PCB， Printed Circuit Board）。隨著市場競爭的激烈化，產品的價格競爭變得非常重要。作為產品核心部件的印制電路板，如何才能最優化設計來將成本控制到最少，變得非常重要。設計忽視或者考慮不周帶來的哪怕一點點的單價的升高，經過物量映射后，都會帶來很高的額外的采購開支。這會削弱產品的價格競爭力，影響產品的市場占有率。Option 設計、部品封裝選擇、材質選擇等一系列的優化方案可以很好的實現這一思想。

【關鍵詞】

印制電路板；成本控制；FR-4 ； Silkless

1 印制電路板尺寸優化

一般來講，印制電路板的尺寸越小，成本越低，但并非絕對的線性關系。這跟印制電路板制造時的切割工藝有一定關系，所以在設計前進行預估印制電路板尺寸選取時，需要首先跟采購部門確認各尺寸的價格，然后預選取一個滿足需要的最經濟尺寸。

開始進行印制電路板布線設計時，除去根據功能設計要求進行架構設計外，為了進行成本上的節儉，還需要著手考慮以下幾個方面：

2 考慮同一份電路圖設計同時對應多款相似產品

很多時候，相似的產品，由于產品尺寸、販賣地域、功能以及產品檔次定位等方面的不同，而需要不同或者相似的設計。如果因為少量的差異而進行兩款印制電路板布線設計的話，首先，需要申請兩張或者兩張以上印制電路板的設計，這樣會額外產生一筆設計費用；其次，印制電路板設計完成后，為保證產品質量，每一張印制電路板都需要進行信賴性實驗以及電性能實驗測試，試驗投入樣機以及實驗本身都需要額外產生費用；另外，一般來說，電子產品投放市場，需要進行EMC 認證、HDMI 認證、MHL 認證以及其它方面的功能性認證，而往往，這些認證是跟印制電路板關聯的，不同編號的印制電路板，需要取得特定的認證號或者經過獨立的認證測試才能使用，多一張印制電路板，就會多出一定的認證成本。在印制電路板尺寸選定的情況下，把相似產品的不同點做成Option 選項設計，原理圖上整合在一起，然后相似產品使用同一份電路圖的話，可以共用一張印制電路板，從而在印制電路板設計、實驗測試檢討以及各項認證等方面都可以盡可能的減少開支。另外相似產品使用同一張印制電路板的話，可以增大對該印制電路板的量產需求，這樣，采購部門可以根據更大的物量需求而跟印制電路板生產企業協商進一步壓低印制電路板單價。

3 元器件封裝優化

這可以通過兩種方式來做到。第一，相似電氣特性的元器件，根據實際需求選擇封裝更小一些的。例如對于貼片電阻，R1[100ohm,1%,1/6W,3216], R2[100ohm,1%,1/10W,1608]，如果實際電阻上功耗遠低于1/10W 或者可以忽略不計的話，那么選擇R2 的話，即能滿足電路需求，又可以占用更小的印制電路板空間。對于貼片電容、電感、IC 等同樣道理。第二，對電路中屬性相似的元器件進行整合。例如數字電路中，存在著大量的上拉、下拉電阻。其中大部分電阻，阻值、精度、封裝等屬性是一樣的，而且它們作用的位置經常是相同或者是相近的。這種情況下，可以考慮使用同值阻排來替代單個電阻。例如對應同樣的阻值，阻排（等效為四個獨立的電阻）占用的空間為2.0mm*1.0mm，單個電阻占用的空間為1.0mm*0.5mm，不過四個電阻之間，因為貼片工藝的要求，必須保持一定的間隔，至少為一個電阻寬度(0.5mm)，所以實際四個電阻占用的空間，至少為1.0mm*0.5mm*7。這樣一來，通過把大量的上拉、下拉同值電阻替換成同值阻排，可以進一步增加印制電路板元器件擺放的緊湊性，避免了印制電路板不必要的空間浪費。

4 電路功能實現方案優化選擇

主板上，對于各個功能通常對應著各自的電路模塊。而這其中，最典型的代表就是電源轉換相關的電路模塊。對于電壓轉換電路的設計，一般來說，重點考慮的是輸出電壓電流能否滿足帶載要求，紋波是否滿足終端芯片的設計規格。其次，會平衡一下電壓轉換效率以及電路本身的成本。例如5V 轉換為3.3V 的電路設計，可以有兩種備選方案，DCDC（直流變直流）轉換器或者LDO（低壓差線性穩壓器）。兩個方案都可以完美的達到輸出設計要求。DCDC 轉換器，周邊需要匹配去耦電容、電感器、濾波電容、反饋電路、相位調節電路以及Softstart 電路等，另外，電路板上還需要考慮GND 環路連接，這些因素導致了DCDC 轉換器需要占用大量的印制電路板空間。但是對于LDO 而言，它的主要功能都可以在LDO 內部實現，需要的外接元器件很少，通常只需要一兩個旁路電容做一下濾波或者去耦就可以，也沒有特殊的GND 設計要求，而且本身LDO 芯片和DCDC 芯片從封裝上來講占用空間相差不大，這樣選用LDO 的話，可以大大減少對印制電路板空間的需求。

5 各元器件間距最小化以及滿足信號完整性前提下的線寬、線間距最小化

通常來講，元器件的相互擺放位置，存在電路設計要求以及生產工藝要求兩個方面。電路設計要求一般側重于元器件間距對于電性能方面的影響，例如去耦電容要離芯片輸入端足夠近；防靜電器件要離接口足夠近；晶振要離芯片足夠近，而離模擬信號或者模擬元器件足夠安全的距離等等。生產工藝要求一般側重于元器件間距對于生產貼片不良控制以及售后返工維修的方便性方面。例如兩個接口元器件之間的間距，需要考慮貼片自動化時避免接口碰撞的最小間距；其它貼片類元器件相互間距足以可以完成維修或者返工操作等等。實際印制電路板元器件擺放設計時，需要綜合考慮上面兩個因素，在盡可能滿足電性能以及生產工藝要求的情況下，元器件擺放距離最小化。當然，如果實際擺放時，完全遵循生產工藝要求會造成很大空間浪費的話，可以對違背生產貼片工藝要求的事項進行進一步評估，檢驗風險性是否嚴重，或者是否有其它的補救、改善措施。生產貼片工藝要求的制定，通常伴隨著一定的余量管理，很多時候，余量的不足并非一定會提高出現問題的概率。

6 印制電路板制造相關屬性優化

一張印制電路板設計完成后，需要生成很多相關的屬性文件，用來提供給印制電路板生產企業進行加工制作使用。這些屬性文件，包含了印制電路板的幾乎所有的信息。大部分屬性是必要的，但也有一些屬性可有可無。例如對于兩面板，通常是Top 面擺放元器件，Bottom 面走線，但是由于一些手插元器件的存在，導致了背面會存在一些Silk（手插元器件的pin 腳會從Top 面穿透到Bottom 面，除了Top 面有一些相關的Pin 腳定義或者Pin 序標示

外，為了方面測試，通常Bottom 面也會相應的增加一些對應的標示）。為了印刷這些Silk，需要單獨制作一張膠片。而實際上，這些Silk 僅僅為了提示，方便測試或者查找使用，量產階段生產時，這方面的信息時可有可無的。這時，可以silkless 處理，刪除這些silk。這樣減少了一份膠片的制作，PCB 加工成本也可以適當減少。又例如，有時為了節省Top 面的空間，會把一些只開發階段使用而量產階段不用的元器件，擺放在Bottom 面。這些元器件的存在，會使印制電路板自動生成一份MetalMask_B，而量產時，這些元器件是不貼的，所以這份屬性也不是必要的，可以在制作PCB 文件時刪除。針對不擺放元器件的那一面的屬性進行診斷，盡可能的刪除量產不需要的屬性，這樣一來，可以節省印制電路板制造費用，從而進一步壓低單價。

7 印制電路板使用材質選取。

印制電路板材質按檔次級別從低到高劃分如下：

94HB/94VO/22F/CEM-1/CEM-3/ FR-4

詳細介紹如下：

94HB ：普通紙板，不防火（最低檔的材料，模沖孔，不能做電源板）

94VO ：阻燃紙板（模沖孔）

22F ：單面半玻纖板（模沖孔）

CEM-1 ：單面玻纖板（必須要電腦鉆孔，不能模沖）

CEM-3 ：雙面半玻纖板（除雙面紙板外屬于雙面板最低端的材料，簡單的雙面板可以用這種材料，比FR-4 會便宜5~10 元/ 平米）

FR-4 ：雙面玻纖板

一般說來，不同的產品，因為功能的不同或者用途的不同而會選擇不同材質的印制電路板。以電視為例，電視的主板，因為涉及到高速信號傳輸、復雜的功能以及繁多的元器件的連線，所以一般采用FR-4 材質的印制電路板，以保證足夠理想的信號完整性。但是，如果功能相對簡單，或者對布線要求不是那么嚴格的話，CEM-3 也是可以考慮的。例如對于顯示器而言，由于集成化程度較高，絕大部分的數據處理都直接在主芯片內部完成，主板上需要的元器件數量相對較少，所以對于元器件擺放或者布線的限制都相對較少，這種情況下，采用CEM-3 材質的印制電路板同樣可以實現想要的功能。又例如，對于電視主板來說，如果走線和電源Pattern 不是很復雜的話可以嘗試調整信號走線以及電源Pattern 排布，使信號走線和電源Pattern 完全能夠只在Top 面和Bottom 面排布，這樣的話，該主板也可以從FR-4 材質的四層印制電路板變更為CEM-3 材質的兩層印制電路板。