Wykorzystanie druku 3D w produkcji płytek drukowanych napędza rozwój elektroniki, dzięki niemu bowiem przejście od projektu do funkcjonalnego prototypu jest możliwe w ciągu nawet zaledwie kilku godzin. To radykalnie skraca cykl produkcyjny w porównaniu z tradycyjnym podejściem, w którym wykonanie prototypu PCB może zająć od kilku dni do nawet tygodni. Jest to szczególnie korzystne w przypadku projektów wymagających szybkiego wdrożenia wstępnej koncepcji i wielu iteracji w celu jej udoskonalenia, przy maksymalnym ograniczeniu kosztów prototypowania.
Druk 3D to metoda addytywna (przyrostowa). Oznacza to, że drukarka wykonuje płytkę warstwa po warstwie, selektywnie nakładając materiały przewodzące, aby uformować ścieżki oraz materiały izolacyjne, które tworzą podłoże. To odróżnia druk 3D od tradycyjnych metod subtraktywnych (ubytkowych), w których strukturę obwodu odwzorowuje się, trawiąc miedź na podłożu z materiału izolacyjnego. Technika przyrostowa ma w związku z tym liczne zalety.
Taką jest mniejsza ilość odpadów. W procesie addytywnym wykorzystuje się tylko tyle materiałów, ile jest niezbędnych do wykonania płytki, podczas gdy w metodzie ubytkowej ich nadmiar, który jest usuwany podczas trawienia miedzi czy wiercenia otworów w podłożu, marnuje się. Technika tradycyjna wymaga też w związku z tym wielu czasochłonnych etapów, główną zaletą prototypowania płytek przez wykonanie ich wydruku 3D jest natomiast szybkość. Metoda przyrostowa pozwala też na wykonywanie złożonych geometrii PCB, na przykład zakrzywionych, płytek elastycznych oraz wbudowywanie w PCB komponentów, co tradycyjnymi metodami jest trudne albo zbyt kosztowne w realizacji.
Z drugiej strony, druk 3D sprawdza się przede wszystkim w produkcji prototypów, od których nie wymaga się dużej trwałości mechanicznej, odporności termicznej ani niezawodnej integralności sygnałowej w szerokim zakresie częstotliwości. Pod tymi względami wydrukowane PCB ustępują tym wykonanym tradycyjnymi sposobami, przewyższając je z kolei pod kątem możliwości tańszego i szybszego przeanalizowania wielu wariantów projektu. To zwiększa tempo rozwoju produktu finalnego oraz zmniejsza ryzyko wystąpienia kosztownych błędów ujawnianych dopiero na etapie produkcji. Z kolei do ograniczeń druku 3D zalicza się też problemy z precyzję w zakresie realizacji bardzo wąskich ścieżek oraz trudności ze skalowaniem do produkcji masowej.
W prototypowaniu PCB wykorzystuje się różne techniki przyrostowe, na przykład stereolitografię i FDM (Fused Deposition Modeling), w której stopione tworzywo termoplastyczne jest tłoczone przez dyszę drukarki wzdłuż zaprogramowanej ścieżki. Ich uzupełnieniem jest nadruk tuszy przewodzących i techniki laserowe. Ważny jest też wybór materiałów do wykonania wydruku 3D, który wpływa na parametry i trwałość gotowej płytki. Popularne materiały, z których wykonuje się podłoża, to: polimery, w tym PLA albo PET, wybierane ze względu na elastyczność i łatwość drukowania, ale nieodporne na wysokie temperatury (maks. +80ºC), kompozyty z wypełniaczami z włókna szklanego albo z ceramiki, wyróżniające się stabilnością termiczną, temperaturami pracy do +150ºC i wytrzymałością mechaniczną, odpowiedniejsze do bardziej wymagających zastosowań oraz materiały na bazie poliimidu, popularne w wydrukach elastycznych płytek PCB, na przykład na potrzeby elektroniki noszonej. Materiały przewodzące, z których nadrukowuje się ścieżki, to z kolei m.in. tusze na bazie: srebra, szeroko wykorzystywane ze względu na wysoką przewodność, ale zarazem drogie i miedzi, które stanowią ekonomiczną alternatywę dla tych pierwszych.
Produkcja krótkoseryjna ] Aby zwiększyć wydajność i obniżyć koszty montażu płytek drukowanych w krótkich seriach, należy zoptymalizować ich projekt pod kątem możliwości produkcji, stosując się do zasad podejścia DFM (Design For Manufacturing). Konieczność ta wynika stąd, że ze względu na ich specyfikę nawet najmniejszy detal może zaważyć na efektywności i opłacalności realizacji projektu. W odróżnieniu od produkcji wielkoseryjnej, w której korzyści skali amortyzują drobne błędy i niedoskonałości w projekcie, małe wolumeny wymagają dużej dyscypliny, przewidywalności i świadomego podejścia do każdego z jego elementów. Nawet bowiem pozornie niewielkie odstępstwa od dobrych praktyk mogą przełożyć się na rosnące koszty, opóźnienia i konieczność kosztownych poprawek. Dlatego tak istotne jest, aby już na wczesnym etapie stosować się do wytycznych, które ograniczają liczbę potencjalnych błędów, upraszczają proces montażu, skracają czas przygotowania do produkcji oraz zwiększają przewidywalność parametrów końcowych, zarazem bez kompromisów pod względem docelowej jakości, funkcjonalności i niezawodności gotowej PCB.
W praktyce stosowanie się do zasad DFM w produkcji krótkoseryjnej oznacza nie tylko eliminację oczywistych błędów projektowych, ale też systematyczne poszukiwanie sposobów na zwiększenie powtarzalności oraz usprawnienie całej ścieżki technologicznej, począwszy od zoptymalizowania rozmieszczenia komponentów na PCB, przez dobór materiałów jej wykonania i ograniczenie liczby wariantów wykorzystywanych podzespołów, po wyeliminowanie rozwiązań utrudniających montaż i zmniejszenie liczby wymaganych operacji. Dzięki temu można osiągnąć znaczące oszczędności, bez poświęcania funkcjonalności, parametrów elektrycznych i trwałości gotowej płytki drukowanej. Uwzględnienie zasad DFM to nie tylko sposób na uniknięcie kosztownych błędów w produkcji w krótkich seriach, ale też na opracowywanie bardziej przewidywalnych, skalowalnych i elastycznych projektów.
Wyzwania produkcji krótkoseryjnej
Montaż płytek PCB w produkcji krótkoseryjnej niesie ze sobą szereg specyficznych trudności, które o ile nie zostaną odpowiednio wcześniej przewidziane oraz rozwiązane, mogą znacząco zwiększyć nakłady finansowe na realizację projektu i ją wydłużyć. W przeciwieństwie do długich serii, w przypadku których koszt można rozłożyć na wiele tysięcy sztuk, ograniczone partie produkcyjne wymagają znacznie bardziej przemyślanego planowania oraz większej dbałości o detale techniczne. Jednym z pierwszych obszarów, w którym ujawniają się ograniczenia produkcji krótkoseryjnej, są koszty przygotowawcze. Każde skonfigurowanie linii montażowej, obejmujące przygotowanie oraz zaprogramowanie maszyn, wymaga określonych nakładów pracy i czasu, niezależnie od tego, czy montowanych będzie 20, czy 2000 płytek drukowanych. W przypadku krótkiej serii ten wymierny wysiłek rozkłada się jednak na niewielką liczbę PCB, przez co jest znacząco bardziej odczuwalny.
Kolejne wyzwanie to kwestia dostępności komponentów. Z powodu małej liczby poszczególnych podzespołów takie zamówienie dla ich dostawców nie jest priorytetem, czego konsekwencjami mogą być zarówno wyższe koszty jednostkowe, jak i konieczność dłuższego oczekiwania na dostawę. Będzie to tym bardziej odczuwalne, jeżeli projekt obejmuje niecieszące się dużą popularnością lub niestandardowe podzespoły, które nie są szeroko dostępne w magazynach dystrybutorów.
Wyzwanie stanowi również etap testowania. Automatyzacja procesów kontrolnych jest w małych partiach często nieopłacalna, co powoduje konieczność opierania się na czasochłonnych metodach manualnych. Opracowanie niestandardowych narzędzi testujących, wykonywanych specjalnie dla danej konstrukcji, także generuje dodatkowe koszty, które trudno uzasadnić w przypadku krótkiej serii.
Dodatkowym źródłem ryzyka są błędy projektowe. Wykrycie ich dopiero na etapie montażu albo testów może skutkować koniecznością kosztownych poprawek lub nawet ponownej produkcji całej partii, co w przypadku niewielkiej liczby płytek okazuje się wyjątkowo dotkliwe finansowo.
Drogie poprawki
Koszty poprawek w produkcji małoseryjnej często okazują się relatywnie wyższe niż w przypadku dużych wolumenów, choć intuicyjnie mogłoby się wydawać, że jest odwrotnie. Wynika to przede wszystkim z braku efektu skali oraz z charakteru samego procesu montażu, który, jak pisaliśmy, wymaga szeregu czynności przygotowawczych niezależnych od liczby wytwarzanych płytek. Każda konfiguracja linii SMT, przygotowanie szablonu pasty lutowniczej, opracowanie plików montażowych czy dostosowanie procedur testowych generują stałe koszty, które w przypadku dużych partii rozkładają się na setki lub tysiące sztuk, natomiast przy niewielkich wolumenach obciążają zaledwie kilka lub kilkanaście płytek. W efekcie każdy błąd projektowy wymuszający powtórzenie części procesu lub wykonanie nowej partii PCB staje się proporcjonalnie znacznie bardziej kosztowny.
Koszty poprawek w produkcji małoseryjnej często okazują się relatywnie wyższe niż w przypadku dużych wolumenów, choć intuicyjnie mogłoby się wydawać, że jest odwrotnie. Wynika to przede wszystkim z braku efektu skali oraz z charakteru samego procesu montażu, który, jak pisaliśmy, wymaga szeregu czynności przygotowawczych niezależnych od liczby wytwarzanych płytek. Każda konfiguracja linii SMT, przygotowanie szablonu pasty lutowniczej, opracowanie plików montażowych czy dostosowanie procedur testowych generują stałe koszty, które w przypadku dużych partii rozkładają się na setki lub tysiące sztuk, natomiast przy niewielkich wolumenach obciążają zaledwie kilka lub kilkanaście płytek. W efekcie każdy błąd projektowy wymuszający powtórzenie części procesu lub wykonanie nowej partii PCB staje się proporcjonalnie znacznie bardziej kosztowny.
Dodatkowo projekty realizowane w krótkich seriach rzadko korzystają z automatycznych systemów testujących, ponieważ przygotowanie dedykowanej infrastruktury kontrolnej jest zbyt drogie przy ograniczonej liczbie sztuk. Zamiast tego testuje się je ręcznie lub półautomatycznie, co oznacza większą zależność od pracy ludzkiej, dłuższy czas weryfikacji i większą podatność na błędy. Jeżeli po montażu okaże się, że projekt wymaga korekty, cały ten wysiłek musi zostać powtórzony, co także podnosi koszt jednostkowy.
W produkcji masowej ryzyko błędów łagodzi również wieloetapowe prototypowanie i weryfikacja fabryczna. W produkcji krótkoseryjnej takie rozbudowane podejście zwykle nie jest praktykowane ze względu na koszty i czasochłonność. Często prowadzi to do sytuacji, w której pierwsza gotowa partia jest jednocześnie partią prototypową, a wszelkie niedociągnięcia ujawniają się dopiero na etapie montażu lub co gorsza dopiero podczas testów gotowych płytek. Konieczność wprowadzenia poprawek w projekcie, ponownej konfiguracji linii technologicznych i powtórzenia montażu przy niewielkiej liczbie egzemplarzy powoduje, że z powodu nawet pojedynczego błędu projektowego inwestycja przestaje się całkowicie opłacać.
Właśnie dlatego podkreśla się, że poprawki w krótkich seriach są względnie droższe, choć sam koszt pracy i materiałów nie jest wyższy niż w produkcji masowej. Koszty stałe, brak amortyzacji przygotowania, ograniczona automatyzacja testów oraz ryzyko konieczności powtórzenia całego procesu sprawiają, że nawet drobne błędy mogą generować nieproporcjonalnie wysokie straty. Zrozumienie tej specyfiki ma kluczowe znaczenie przy projektowaniu płytek PCB przeznaczonych do produkcji krótkoseryjnej, gdyż uwidacznia, jak duży wpływ ma przemyślany projekt i staranne przygotowanie na końcową opłacalność przedsięwzięcia.
Przestrzeganie zasad projektowania pod kątem produkcji odgrywa kluczową rolę w ograniczeniu opisanych trudności. Właściwe podejście pozwala opracowywać konstrukcje zgodne z realnymi możliwościami technicznymi zakładów produkcyjnych, ograniczać liczbę potencjalnych błędów i upraszczać proces montażu.
Wytyczne DFM
Naczelną zasadą powinno być dążenie do uproszczenia projektu PCB. Jego nadmierna złożoność jest głównym powodem wyższych kosztów produkcji. W związku z tym w przypadku krótkich serii warto przede wszystkim ograniczyć liczbę warstw płytki drukowanej – 2-warstwowa PCB jest znacznie tańsza w produkcji niż płytka 6-warstwowa – o ile oczywiście jest to możliwe, biorąc pod uwagę wpływ wymaganej gęstości połączeń na integralność sygnałową. Kolejna zasada, której warto przestrzegać, to standaryzacja rozmiaru i kształtu PCB. Korzystając ze znormalizowanych paneli, można uniknąć dodatkowych kosztów cięcia lub obróbki, natomiast nietypowe kształty lub wymiary mogą zwiększyć koszty produkcji nawet o 20‒30%. Oprócz tego warto, gdzie to tylko możliwe, zwiększyć szerokość ścieżek i odstępów, gdyż w ten sposób można zmniejszyć ryzyko wystąpienia wad produkcyjnych. Poza tym trzymając się jednej wartości tych wielkości w obrębie całej PCB, można wpłynąć na zwiększenie wydajności produkcji.
Wybór komponentów i ich rozmieszczenie na płytce mają ogromny wpływ na koszty montażu. W związku z tym warto opierać się na popularnych podzespołach, na przykład wybierając oporniki o standardowej wartości rezystancji. Pozwala to uniknąć wysokich kosztów dostaw i wydłużonego czasu oczekiwania na ich realizację. Zaleca się też, by ograniczyć liczbę unikalnych komponentów. Jeżeli na przykład projekt wymaga 50 różnych oporników, warto sprawdzić, czy nie można ich pogrupować tak, aby trzeba było zamówić jedynie 10‒15 grup rezystorów różniących się wartościami oporu elektrycznego, bez wpływania na funkcjonalność urządzenia docelowego. To usprawni zarówno proces ich zamawiania, jak i montaż.
Ważne jest też rozmieszczenie podzespołów na PCB. Zaleca się, by grupować podobne komponenty, aby przyspieszyć montaż. Na przykład warto, jeżeli to możliwe, umieść wszystkie elementy do montażu powierzchniowego po jednej stronie płytki, by nie był potrzeby montaż dwustronny, który może zwiększyć koszty o 15‒25%.
Korzystne jest uwzględnienie wymagań automatycznych maszyn do montażu typu pick-and-place. Na przykład warto zadbać o zapewnienie właściwej orientacji komponentów, ustawiając je w tym samym kierunku. Uprości to programowanie automatów. Powinno się również unikać zbyt gęstego upakowania podzespołów, które sprzyja błędom montażu – warto zachować przynajmniej określony minimalny odstęp między komponentami. Korzystne jest także umieszczanie na PCB znaczników orientacyjnych – obecność punktów odniesienia może poprawić dokładność montażu i zmniejszyć liczbę defektów nawet o 10%.
W przypadku produkcji krótkoseryjnej ręczny montaż i testy mogą znacznie zwiększyć koszty ze względu na związane z nimi nakłady pracy. W związku z tym, by ograniczyć manualną ingerencję, należy: korzystać z komponentów kompatybilnych z automatami do lutowania, aby wyeliminować konieczność lutowania ręcznego, zmniejszyć liczbę kroków w montażu, na przykład zastępując śruby złączami zatrzaskowymi, umieszczać punkty testowe tak, by zapewnić do nich łatwy dostęp podczas kontroli jakości.
Ponadto projektując PCB, warto nawiązać kontakt z jej wykonawcą. Wiele korzyści może przynieść udostępnienie mu plików projektu z wyprzedzeniem, z prośbą o opinię na temat potencjalnych problemów w jego realizacji, takich jak za małe odstępy między ścieżkami czy rozmiary przelotek nieodpowiednie w stosunku do możliwości maszyn, jakimi dysponuje. Na przykład, jeżeli dany producent może standardowo wiercić przelotki o średnicach nieprzekraczających określonej wartości, projektowanie PCB z mniejszymi otworami skutkować będzie opóźnieniami lub wyższymi kosztami związanymi z jego dostosowaniem się do realizacji takiego zlecenia. Wielu wykonawców oferuje takie bezpłatne konsultacje w celu wczesnej identyfikacji problemów, jeszcze przed rozpoczęciem produkcji. Z wykonawcą warto też omówić jego możliwości w zakresie panelizacji.
Dodatkowe wytyczne
Poza wytycznymi podejścia DFM pod uwagę warto wziąć dodatkowe zalecania w zakresie redukcji kosztów dostosowane do specyfiki montażu PCB w krótkich seriach. Koncentrują się one na zrównoważeniu jakości i przystępności cenowej, przy jednoczesnym zachowaniu płynnego procesu produkcji.
Jedno z nich dotyczy wyboru materiałów wykonania płytki drukowanej, który znacząco wpływa na koszty produkcji. Przykładowo warto opierać się na standardowych materiałach, jak FR-4, zamiast specjalistycznych podłożach, o ile konkretny projekt nie ma szczególnych wymagań ze względu na wysokie częstotliwości pracy lub silne nagrzewanie się. Opłacalne są także ekonomiczne techniki wykończenia powierzchni, takie jak HASL (Hot Air Solder Leveling), czyli wyrównywanie lutu gorącym powietrzem, zamiast droższych opcji, takich jak ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), czyli bezprądowe niklowanie zanurzeniowe, jeśli to nie wpłynie na funkcjonalność ani trwałość urządzenia. Przykładowo wybierając wykończenie HASL, można obniżyć koszty produkcji nawet o 30%.
Ponadto w przypadku produkcji krótkoseryjnej prototypowanie wiąże się ze znacznymi wydatkami – każda zmiana projektu zwiększa koszty i opóźnia realizację projektu. Dlatego warto ograniczyć liczbę iteracji, rezygnując z prototypowania na rzecz korzystania z narzędzi symulacyjnych. Poza tym, nawet w przypadku produkcji krótkich serii, grupowanie wielu projektów w ramach jednego zlecenia montażu może obniżyć koszt jednostkowy.
Monika Jaworowska
