Bilancio Costi-Benefici di Produzione con PCB FR4

4x Panelized FR4 PCB with green solder mask

La mia natura parsimoniosa mi fa avere la tendenza ad essere un compratore lento. Non vado al centro commerciale troppo spesso, ma quando lo faccio, spendo molto tempo a ponderare sul costo ed i benefici di due diverse paia di jeans. Un tale comportamento nevrotico probabilmente seccherà il tuo coniuge, ma ripaga essere nevrotico quando stai discutendo su quale spessore del materiale e della scheda utilizzare nel tuo PCB.

Molti progettisti ritengono i costi di fabbricazione associati ai PCB con FR4, una considerazione piuttosto semplice. Se raddoppio lo spessore della mia basetta, idealmente dovrei raddoppiare i costi di fabbricazione. Ma una volta che cominci ad includere reali considerazioni di progetto, quest’idea del raddoppio non sempre è supportata.  

Quando si parla del produttore del tuo PCB, dovrai considerare molte sfaccettature del circuito stampato per essere sicuro che la tua maschera di saldatura, rame ed altri materiali siano applicati correttamente. Non tagliare i costi e l’efficacia della fabbricazione del tuo PCB a causa di mancanza di conoscenza, impara come fabbricare i tuoi circuiti stampati con i materiali che desideri. 

Costi di produzione con FR4 

I costi di produzione per schede con FR4 sono una funzione lineare dello spessore della basetta. Se aumenti lo spessore della basetta, generalmente aumenti i costi di fabbricazione in maniera proporzionale. Una volta che cominci a prendere in considerazione la presenza delle via nelle basette multistrato, il numero di strati presenti nel PCB, e i passi di fabbricazione, diventa più complicato fare affermazioni di questo tipo riguardo i costi di produzione.

Un rapporto di aspetto maggiore dei fori richiedono tempi di foratura più lunghi ed aumenta l’usura sulle punte di trapano. Anche i circuiti stampati, specialmente i PCB multistrato con aree più piccole, tendono a esigere che alcune via abbiano un diametro inferiore per soddisfare il numero di connessioni. 

Entrambi i fattori diminuiscono la produttività, cosa che aumenta i costi di produzione. Scegliendo una basetta generalmente meno spessa, diminuisce il rapporto di aspetto per una via di un dato diametro, e può diminuire i costi di produzione. Le basette più fini con routing HDI che sono utilizzate nei dispositivi mobili ad alta velocità, richiedono un gran numero di via. I costi di fabbricazione aumentano in maniera lineare con il numero di via nella scheda. 

Utilizzare una basetta meno spessa, può inoltre cambiare i costi di produzione poiché una macchina di produzione automatica potrebbe essere inutilizzabile con schede sottili. Alcune apparecchiature pick & place possono rompere queste basette che hanno grandi aree, e sarebbero necessari macchinari più specializzati da utilizzare con queste schede. Ciò potrebbe limitare le tue opzioni di fabbricazione, o potrebbe inoltre richiedere che le basette vengano spostate in giro per la struttura a mano, cosa che quindi aumenta i tuoi costi di produzione pre-scheda.

Green PCB on an automatic pick and place machine

Attrezzature Pick & place possono essere ottimizzate per il tuo processo di produzione 

Costi e “Pannellizzazione” (Panelization)

Il tuo produttore sta producendo basette multiple in pannelli, quindi i progettisti devono considerare le dimensioni delle loro schede e le loro capacità di produzione prima di progettare i propri PCB. Il costo per produrre un singolo pannello FR4 sarà stabilito dalla quantità di spessore e strati. Un giusto schema di pannellizzazione può aumentare il rendimento di una basetta, e quindi ridurre il costo per scheda. Considera il seguente semplice esempio:

Supponi che hai calcolato che la tua scheda abbia necessità di avere 12 pollici quadrati per far entrare tutti i tuoi componenti.  Il tuo produttore può lavorare con 16 x 20 pollici. Se crei una basetta da 2 x 6 pollici, puoi adattare un totale di 21 basette in ogni pannello. Ma se invece crei basette 3 x 4 pollici, puoi farci entrare 25 schede per pannello. Se i requisiti del tuo fattore di forma lo permettono, produrre schede da 3 x 4 pollici costerebbe meno.   


Panelized PCBs prepared for assembly

 PCB Pannelizzati preparati per l’assemblaggio

Se le dimensioni della scheda ed il fattore di forma sono requisiti molto severi, allora una scelta di progetto alternativa che ridurrebbe i costi nell’esempio precedente è di produrre schede più sottili da 2 x 6 pollici. Ciò potrebbe non essere un’opzione se il tuo circuito stampato è già molto sottile e perdi sui risparmi dei costi. Tenere a mente il potenziale dei tuoi materiali in relazione alla tua basetta ti assicurerà un’enorme consapevolezza di come indirizzare i tuoi costi di fabbricazione PCB. 

Altri elementi di progetto che influiscono sui costi: Alternative all’FR4 

La lista degli elementi di progetto che possono influire sui costi (con l’eccezione della leggenda della stampa) sono troppi da elencare. Brevemente, ogni aspetto di progetto ha un effetto sul costo. Gli elementi di progetto relativi specificatamente all’FR4 che influiscono sui costi di fabbricazione coinvolgono le proprietà dei materiali della stessa FR4. Dato il diffuso utilizzo di FR4, i produttori di materiali sanno come modificare alcune delle importanti proprietà del materiale dell’FR4, seppur con un certo costo per i progettisti di basette. 

Visto che l’FR4 può diventare elettricamente e meccanicamente instabile sopra la temperatura di transizione vetrosa, optare per una scheda più spessa fatta da FR4 in TG, potrebbe essere un’opzione migliore in dispositivi che gireranno ad alte temperature o che saranno sottoposte a cicli termici. I tuoi costi iniziali potrebbero essere più alti, ma i tuoi componenti elettronici ti ringrazieranno dopo.   

Le perdite di Radio Frequenze non sono notabili in FR4 finchè non inizi a lavorare in un range di frequenza di GHz. Ad alte frequenze (sopra i 2.4 GHz), l’FR4 diventa molto dispersivo ed è preferibile un materiale specifico per la basetta. Ovviamente, miscele specializzate FR4 sono più costose e potrebbero essere preferibili in basse e Radio Frequenze e applicazioni ad alta velocità.

Materiali alternativi che sono specializzati con alte temperature di transizione vetrosa e bassa perdita di Radio Frequenza sono disponibili, sebbene siano più costosi. Questi materiali specializzati possono costare attorno al 20% in più rispetto allo standard FR4, ma il costo del materiale potrebbe essere compensato usando una scheda più sottile. 

Selezionando lo spessore, la pila dei livelli, e lo schema di pannellizzazione per le tue schede FR4 crei una quantità di scambi di progetto. Ma se stai cercando uno schema per le tue basette FR4 che è compatibile con qualsiasi tua decisione e può permetterti di avere una comunicazione facile con il tuo produttore, allora considera Altium Designer. Altium Designer 18.1 ha potenti strumenti CAD e funzionalità di controllo delle regole che rendono facile progettare il tuo dispositivo sullo spessore giusto della basetta.

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