Разработка современной электроники с прицелом на массовый выпуск.Как? На чём? Почём?Семинар 1. Как?Основные вопросы организации. Риски. Типовые ошибки и заблуждения.

Цикл семинаров

• 1. "Как?"

Основные вопросы организации. Риски. Типовые ошибки и заблуждения.

• 2. "На чём?"

Выбор комплектующих и связанные с ним вопросы.

• 3. "Почём?"

Экономические вопросы на всех этапах жизненного цикла электронного изделия.

Семинар 1."Как?"Основные вопросы организации. Риски. Типовые ошибки и заблуждения.

• Краткое содержание• Представление

• Введение

• Аппаратное vs. Программное

• Особенности разработки под MP

• Современные аппаратно-программные решения

• Мировой технологический уровень

• Виды ПП, характеристики

• Комплектующие, корпуса комплектующих

• Необходимая документация для производства и монтажа

• Некоторые рекомендации

• Рождение продукта

• Риски и ошибки

• А кто работать будет?

• Варианты оптимизации

• Заключение

• Глоссарий

Представление…

• Антон Востриков

• ASK Lab (ООО "АСК Лаборатория"), www.ask-lab.com

• Генеральный директор, соучредитель

• Доцент кафедры Вычислительных машин и сетей СПбГУАП

• Зам. руководителя Лаборатории Информационно-Управляющих систем НИУ ИТМО

• ASK Lab - более 15 лет:

• разработка, производство аппаратно-программных систем, комплексов;

• создание изделий электроники на основе самой современной элементной базы;

• Разработка ПО;

• Разработка и производство СТС (лицензия ФСБ);

• Подготовка массового производства;

• Менеджмент и сопровождение массового производства.

• ASK Lab - партнёр Центра прототипированияТехнопарка Санкт-Петербурга

ВведениеАппаратное vs. Программное

• Традиционно противопоставляются программные и аппаратные решения;

• Программы выполняются на аппаратуре, Аппаратура почти никогда не бывает без программ;

• НО! "Программные" решения используют готовую "универсальную" аппаратную основу. Универсальность – в применении широко распространенного оборудования с известной архитектурой и базовым ПО (ОС, API, …);

• => в «Программных» решениях самим существованием аппаратуры, неустойчивостью её работы, сбоями и отказами пренебрегают!

• Напротив в «Аппаратных» решениях с создания аппаратуры, с борьбы с неустойчивостью её работы, со сбоев и отказов всё только начинается!

• «Аппаратные начинания» чаще проваливаются не из-за того, что продукт не работает, а из-за того, что продукт работает неудовлетворительным для пользователя образом.

ВведениеОбщие особенности разработки под MP

• Если не прицеливаемся на MP, а создаём единицы, десятки (иногда – сотни) единиц продукта, то доля разработки в структуре цены будет составлять существенную часть.

• Если не прицеливаемся на MP, то не думаем:

• Об оптимизации себестоимости;

• Будут ли доступны комплектующие, когда мы закончим разработку;

• Какое время они будут доступны на рынке;

• Технологичны ли наши аппаратные решения для массового рынка;

• О технологической оснастке для производства, тестирования и контроля качества.

• Какую партию считать «массовой»?

ВведениеСовременные аппаратно-программные решения

• В чём "СОВРЕМЕННОСТЬ"

• Расстущая производительность;

• Высокая степень интеграции;

• Миниатюризация;

• Сокращение энергопотребления;

• Использование распространенных интерфейсов;

• Применение молодых технологий.

• За счёт чего:

• Уменьшение технологического процесса и объединение на одном кристалле (SoC);

• Многослойные печатные платы (rigid PCB), гибкие (flex. PCB) и гибко-жесткие (rig.-flex. PCB), на алюминиевой основе (см. изображения далее);

• Монтаж высокой степени интеграции (High Density Interconnection – HDI).

Мировой технологический уровеньВиды ПП. Жесткие ПП

Жесткие ПП (rigid PCB) ПП на алюминиевой основе

Мировой технологический уровеньВиды ПП. Гибкие и гибко-жесткие ПП

Гибкие ПП (flex PCB) Гибко-жесткие PCB (rigid-flex PCB)

Мировой технологический уровеньПечатные платы. Характеристики

• Тип (rigid, flexible, rigid-flexible)

• Материал

• Слойность

• Точность изготовления (мин. зазор/проводник)

• Защитное покрытие

• Маркировка ("шелкография")

• Покрытие контактных площадок

• Типы переходных отверстий (сквозные, глухие, слепые, microVIA)

• Соединение в технологические сборки

Иллюстрация. Переходные отверстия

Пример технологической сборкиПример HDI компоновки

Мировой технологический уровеньПечатные платы. Процесс производства

• Производство шаблонов для засветки фоторезиста

• Для каждого слоя:

• Нанесение фоторезиста

• Засветка фоторезиста

• Смыв неотвердевшего материала

• Травление

• Смыв фоторезиста

• Склеивание слоёв (для МПП) *

• Сверление, фрезеровка *

• Металлизация *

• Нанесение защитного покрытия

• Покрытие контактных площадок

• Нанесение "шелкографии"

* - многократно, если есть глухие или слепые переходные отверстия

Мировой технологический уровеньПечатные платы. Монтаж

• Подготовка:

• Закупка комплектующих, Производство ПП, Производство трафарета

• Настройка установщика компонентов

• Загрузка установщика компонентов (загрузка, установка питателей)

• Нанесение паяльной пасты

• Установка компонентов

• Монтаж (пайка)

• Домонтаж (если необходимо)

• Отмывка

• Контроль (оптический, рентген, электрический, функциональный)

Необходимый и достаточный набор документов (файлов) для производства ПП

• Файлы с дизайном слоёв ПП и исходной информацией для сверловки в формате «Gerber» (Gerbers)

Примечание: Некоторые производители принимают файлы в исходном формате используемой системы проектирования (CAD) и генерируют Gerber-файлы самостоятельно. Некоторые не делают этого принципиально.

• Требования к ПП (необходимость и цвет нанесения «маски», «шелкографии», способ покрытия контактных площадок, способ соединения в технологические панели)

• Технологические характеристики изготавливаемых ПП (не обязательно, неленивый производитель сам их достанет из файлов с дизайном)

• Изображение или описание послойной структуры ПП (не всегда)

Для сложных плат особенно со скоростными интерфейсами и радиочастотной частью важно соблюдение характеристик слоёв ПП (толщина диэлектрика и «меди», порядок следования).

• Результат: изготовленные ПП (PCB)

Мировой технологический уровеньКорпуса электронных комплектующих

• Штыревые (through-hole)

• Планарные или Поверхностно монтируемые (SMD (SMT)

Surface Mounted Devices (Technologies) )

• С выводами (SMD, SOIC, …)

• С контактными площадками на корпусе (QFN, DFN, …)

• С выводами в виде шариков (BGA)

• Различная «экзотика»

• Кристаллы

Мировой технологический уровеньЭлектронные комплектующие

• Производители – сто компаний, сто стилей работы по поводу:

• Получения образцов;

• Получения документации;

• Получение технической поддержки;

• Закупка.

• Подробнее на Семинаре №2 – "На чём?".

Необходимый и достаточный набор документов (файлов) для монтажа ПП

• Файлы с дизайном слоёв ПП в формате «Gerber» (Gerbers) *

Необходимы для настройки установщика компонентов, изготовления трафаретов для нанесения паяльной пасты, автоматизированного контроля

• «Спецификация» - перечень наименований компонентов с указанием их позиционного обозначения (BOM – Bill Of Materials) *

• Файл с координатами компонентов для установщика (Pick and Place) *

• Сборочный чертёж – графическое изображение компонентов на ПП *

• Технологические требования и ограничения, если есть (например, тип используемого припоя – Pbfree, порядок сборки некоторых комплектующих, возможность применения отмывочных жидкостей и УЗ и прочее)

Требуется не всегда. В основном для визуального контроля корректности установки комплектующих.

• Результат: смонтированные печатные платы (PCBA или UNITS)

* - могут быть получены из исходных CAD-файлов

Некоторые рекомендации по составу BOMs

• Качество Спецификации (BOM) определяет скорость согласования при подготовке к Mass production, снижает риск ошибочных замен, упрощает контроль жизненного цикла комплектующих.

Типовой жизненный цикл. Этапы

MP

Из кейса

Рождение продуктаМатериализация…

Массовое производство

(MP - Mass production)

Идея,Исследования,

…

Макет(Model, Sample)

Действующий прототип(Mock-up)

Установочная партия

(Initial batch)

Золотой образец

(Golden sample)

Разработка, исследования, отладка(RnD – Research and Development)

Отладка, конструирование, разработка «оболочки» продукта (Industrial Engineering)

Подготовка к Mass Production (выбор производства, оптимизация себестоимости, согласование замен, взаимодействие с производством)

Производство(Manufacturing)

Рождение продуктаТехнология

Исследование рынка комплектующих, выбор

Приобретение оценочного

оборудования

Разработка и производство

собственной оценочной платы (СОП)

Проверка схемотехнических и

программных решений (на макетах или СОП)

Разработка «габаритных» модулей

В «простых» проектах исключают

Макеты = «негабаритные электронные модули»

Работа с промышленным дизайном (Industrial

Engineering)

Производство «габаритных» модулей

(желательно на целевом предприятии)

Сборка и проверка прототипа в сборе

Выбор производства, согласование условий

Согласование замен, организационных

деталей производства

Согласование технических вопросов MP, создание оснастки

Образцы корпусных элементов (Mock-Up)

Demo-boards, Evaluation и Reference boards и designs

Риски и ошибкиИзменение стоимости риска

• Стоимость риска меняется от этапа к этапу. До перехода к массовому производству как правило уменьшается, при приближении – вновь увеличивается

• Выбор комплектующих

• Разработка схем электрических

• Разработка печатных плат и конструкций

• Выбор массового производства

• Адаптация к массовому производству

• Подготовка и запуск массового производства

• Массовое производство как таковое

Стоимость риска

Этапы

Риски и ошибкиЭтап выбора комплектующих

• На Семинаре №2 – «На чём?».

Риски и ошибкиЭтап разработки электрических схем

• Главная потенциальная ошибка здесь – стремление к самостоятельности!

• Единственно правильное решение: максимальное использование «чужих» наработок. По возможности с точностью до наименования комплектующих.

• Чужой – не значит «запрещенный».

• Производители сами распространяют типовые варианты включения своих комплектующих: так называемые «Reference Designs» (как самостоятельные документы, в составе «Datasheets», или в составе «Reference Kit»)

Примечание: не все так делают… Почему – на Семинаре №2 – «На чём?».

• + форумы на сайтах производителей и инженерные форумы

• + Tech support от производителей

Риски и ошибкиРазработка печатных плат, конструкции

• Самостоятельность здесь тоже лишняя, но воспользоваться результатами чужого труда в этом случае гораздо сложнее.

• Отходить от рекомендаций производителя (если они есть) без идентичного опыта – означает практически гарантированную ещё одну итерацию.

• Автоматизированная «разводка» (разработка топологии) – основываясь на опыте «железячников» со стажем – больше минусов, чем плюсов.

• Работа рука об руку с «промышленным дизайном», но инженерия –первична!

• Поиск баланса:

• Миниатюрность vs. Сложность (=> стоимость);

• Миниатюрность vs. Тепловые режимы;

• Миниатюрность vs. Ремонтопригодность.

Риски и ошибкиПроизводство. Выбор

• Сотни и тысячи производств по всему миру

• Основная концентрация (по убыванию):

Китай (континентальный, Шеньчжень), Южная Корея, Тайвань

• Российское производство печатных плат

• Простые (класс точности до 4-го, слойность – до 4-х) – МНОГО

• Сложные (класс точности до 5-го, слойность – до 6-8-ми) – ЕСТЬ *

• На современном уровне (выше нашего класса 5, любая слойность) – НЕТ

• Российское контрактное (сборочное) производство

• Простые (не HDI, смешанные «экологические» технологии) – МНОГО *

• Сложные (любая плотность, двусторонний монтаж, …) – МАЛО *

* - стабильность качества - ???

Риски и ошибкиПроизводство. Контроль качества

• Различные подходы в зависимости от уверенности производителя в стабильности технологии, степени ответственности и опыта:

• Выборочный контроль («один из» …из 10 …из 100);

• Тотальный контроль (каждый экземпляр изделия);

• Тотальный контроль с выводом изделий из зоны «ранних отказов». (!)

• При стабильности технологии и уровня брака электроконтроль и ремонт негодной электронной начинки не практикуется (только настройка и функциональное тестирование).

А кто работать будет? (Разработка)Сам (Сами)

• (+): максимальная экономия ресурсов;

• (+): исчерпывающее постижение тонкостей на всех этапах разработки => наработка опыта, который может быть применён в будущем;

• (+): абсолютный контроль всех этапов;

• (+): оперативное принятие технических решений на основе наиболее актуальной информации;

• (-): «…опыт – сын ошибок трудных…» (с) А.С. Пушкин => увеличенное время и неоправданные финансовые затраты;

• (-): «выпадение» из других областей развития Дела из-за необходимости фокусировки в разработке.

А кто работать будет? (Разработка)Собрать команду

• (+): участие во всех этапах разработки => наработка опыта, который может быть применён в будущем;

• (+): контроль всех этапов;

• (+): оперативное принятие технических решений на основе наиболее актуальной информации;

• (-): сработанная команда = 6-12 месяцев ресурсоёмких проектов, которые фактически скорее учебные, т.е. «в корзину»;

• (-): существенный риск: команда скорее всего будет небольшой => высокая ценность каждого сотрудника, отсутствие резервирования;

• (-): мотивация – как? (самое ценное – «доли», но работают слабо – см. опыт).

А кто работать будет? (Разработка)Контрактный разработчик

• (+): сработанная команда профессионалов;

• (+): контрактник управление процессами и все риски возьмёт на себя;

• (+): освобождается время на развитие проекта;

• (-): дополнительные финансовые затраты (накладные расходы и прибыль компании-Исполнителя);

• (-): необходимость найти взаимопонимание для принятия технических решений без регулярного контроля.

А кто работать будет? (Производство)Своё производство

• Более или менее целесообразно для «простых» «аппаратных» проектов и только на этапе макетирования и прототипирования.

• Т.е. если возможен «ручной» монтаж, что определяется сложностью (плотностью) размещения электронных комплектующих и сложностью корпусов электронных комплектующих с точки зрения монтажа.

• Автоматический и полуавтоматический монтаж потребует создания производственной линии. Пусть даже в упрощенном варианте.

• => минимальная стоимость не очень современной линии, не пригодной для MP, = 2.5 млн. руб. Плюс расходники.

• => необходимость решения технологических вопросов, увеличивающих непрерывные затраты в дальнейшем.

...далее, в основном, всё про «сложные» аппаратные проекты

А кто работать будет? (Производство)Контрактное производство в России

• Российское контрактное (сборочное) производство

• Центры прототипирования и Центры коллективного пользования ; (!)

• «Чистые» «контрактники» (контрактные производства); (!)

• Производственные «ветки» научно-производственных предприятий;

• Производственные отделы научно-производственных предприятий.

• Российское контрактное производство. Плюсы и минусы

• Сборка макетов и образцов – не все берутся, дорого, часто срывают сроки; но если берутся и верим – то лучший вариант;

• Мелкие серии – почти все берутся; по стоимости сопоставимо с «Востоком»;

• Средние серии – все берутся, но надо изучать их действительные возможности и производительность линий по отношению к вашим запросам.

• Что у нас считается «интересной» партией для «контрактников»?

А кто работать будет? (Производство)Контрактное производство на Западе

• Производство на Западе

• В общем-то это экзотика;

• Западные производственные линии для электроники – в основном, под свои нужды;

• Редко на Западе «полный цикл» от комплектования до монтажа ПП и узлового монтажа – жесткая конкуренция с Востоком;

• Зато они оснащены на уровне самых лучших производств мира;

• В основном, узловая сборка с электронными модулями, полученными с Востока.

А кто работать будет? (Производство)Контрактное производство на Востоке

• БЕЗУМНОЕ количество. Особенно в Шеньчжене (континентальный Китай). Каждый скажет, что сделает всё из вами перечисленного, что бы вы не перечислили.

• OEM и ODM.

• Выбирать по переписке, телефонным, скайп-разговорам – чистый авантюризм.

• Выходы:

• Пользоваться российскими компаниями, осуществляющими менеджмент и контроль производства;

• Пользоваться проверенными доверенными источниками;

• Самостоятельно ехать, смотреть и устанавливать связи (наилучший, но самый дорогой и длительный выход).

• С чего начать? - Запросить оценку стоимости экземпляра при партии в N штук.

А кто работать будет? (Производство)Восток – дело комплексное

• Сосредоточение предприятий различной специализации в регионе при взаимодействии с ответственным и развитым производством даёт возможность получить продукт в «коробке» при массовом производстве по наименьшей цене в мире!

• Изготовление на Востоке электроники, затем узловая сборка и «упаковка» на территории РФ не позволит получить выигрыш в цене, но при этом оставит все риски, связанные с качеством.

• Одно «Но!» для Востока – контроль, контроль, контроль с тем самым «золотым образцом» (Golden Sample):

• Свой представитель на стороне производителя;

• Ответственный русскоговорящий представитель на стороне производителя;

• Периодические контрольные визиты.

А кто работать будет? (Производство)Восток – практические рекомендации

• Про аксессуары беспокоиться нет смысла: кабели, разъемы, заглушки и т.д. доступны на стороне производителя в большом количестве и по копеечной цене. Однако (!) стоит согласовать конкретный набор, проверить и оснастить им Золотой образец (Golden Sample).

• После получения «интересной» оценки стоимости единицы продукта при заданной партии (FOB price) обязательно уточнить и затем закрепить на бумаге, входит ли в FOB price: подготовка предприятия к производству (включая создание необходимой оснастки, процедур контроля качества), тестирование продукции, упаковка, аксессуары.

• Определить предлагаемые способы тестирования, уровни допустимого брака, предложения по пост-продажному сопровождению продукции (гарантийный, пост-гарантийный ремонт).

А кто работать будет? (Производство)И кейса…

Варианты оптимизации времени.Что потенциально можно распараллелить

• Несвязанные и слабосвязанные процессы – всегда можно распараллелить, но их в данном случае мало.

• Связанные процессы – нужно стараться распараллелить. Но! Надо ожидать «рваный» режим останова-запуска таких процессов и, как следствие, «рваное» отвлечение людей, вовлеченных в проект. Отсутствие непрерывности в исполнении одной обязанности требует введения поправочных коэффициентов во временные оценки.

• Например, очевидным вариантом одновременного выполнения являются: разработка топологии (и конструкции) печатных плат и разработка корпусных элементов. Необходимость взаимной синхронизации будет отрицательно влиять на скорость выполнения обоих процессов.

Варианты оптимизации времени.Как оптимизировать разработку

• Из опыта (по поводу разработки аппаратного обеспечения):

• При разработке одноплатной конструкции (на одной ПП) увеличение количества сотрудников, работающих над электронным модулем слабо увеличивает скорость разработки, а на некотором уровне – резко сокращает (проблема количества коммуникаций между людьми – см. «Мифический человеко-месяц» Брукса).

• Из опыта (по поводу разработки встроенного программного обеспечения):

• Бессмысленно разработчику встроенного программного обеспечения (firmware) начинать разработку без наличия какого-либо варианта «аппаратуры» (даже если в среде разработки поддерживаются какие-либо варианты симуляции работы);

• Позволяет несколько сократить время разработки firmware (начать до появления целевой электроники) использование оценочных комплектов от производителей комплектующих;

• В «сложных» проектах существенно ускоряет разработку firmware создание собственной отладочной платы до появления «габаритных» модулей, задержка с появлением которых также сопряжена с необходимостью выполнения задач промышленного дизайна.

• Немного о другом ещё на Семинаре №2 – «На чём?».

Варианты оптимизации времени.Как оптимизировать производство

• Производство включает в себя ряд относительно длительных, допускающих параллельное исполнение действий (особенно длительных при производстве на территории РФ):

• Закупка комплектующих: 2-6 недель; для позиций «под производство»: до 14-18 недель

• Изготовление и доставка печатных плат: «простые» – 2-7 дней, «сложные» – от 7 рабочих дней до 6 недель

• Поэтому при необходимости экономии времени для производства рекомендуется:

• Заранее определить «длинные позиции» и запустить их комплектование, как только подтвердится их выбор;

• При переходе к этапу разработки печатных плат запустить процесс приобретения и доставки основных комплектующих (к этому моменту BOM уже сформирован). Предполагая, однако, возможные незначительные изменения в BOM из-за выявления ошибок или по другим причинам.

КомплектованиеРазработка схем

Разработка ПП

Выбор комплектующих

Варианты оптимизации стоимости.При разработке

• Сокращение стоимости при разработке (другими словами, при создании интеллектуальной собственности) заключается в максимальном использовании чужой интеллектуальной собственности, цена за которую ниже цены её разработки.

• Образцы разработки (Reference Designs) – почти всегда нулевая цена;

• Свободно распространяемые бинарные (исполняемые) коды – от нулевой цены до выплаты роялти при производстве;

• Свободно распространяемые исходные коды – от нулевой цены до выплаты роялти при производстве;

• Реализуемые на рынке бинарные и исходные коды – от сотен USD до десятков тысяч USD и (реже, в основном IP для FPGA) до сотен тысяч USD.

• Дополнительно на Семинаре «Почём?».

Варианты оптимизации стоимости.При производстве

• В производственных процессах существенная часть финансовой нагрузки связана не столько с самим производством сколько с подготовкой к этому производству.

• Это касается всех производственных этапов: и изготовления ПП, и сборки, и изготовления упаковки, и контроля качества.

• Простые выводы:

• Чем меньше количество итераций (вынужденных изменений и неповторяющегося воспроизводства чего-либо), тем меньше затраты на проект. На количество вынужденных изменений наиболее существенно влияет ОПЫТ разработчиков;

• Чем больше тираж, тем меньше доля расходов на подготовку в каждом экземпляре => тем ниже себестоимость.

Заключение

• Технология создания инновационных продуктов с современной электронной начинкой освоена и многократно апробирована;

• На территории РФ, в том числе, на территории Санкт-Петербурга, присутствует близкое к мировому уровню техническое обеспечение;

• На данный момент, наиболее надёжными и эффективными способами создания продукта является использование локальных компаний контрактной разработки и производства;

• На этапе MP эффективнее выносить производство в специализирующиеся на этом регионы.

Глоссарий

• CAD – Computer Aided Design – здесь компьютерная среда разработки;

• Demo-board (demo-kit) – демонстрационная плата (набор);

• Firmware – встроенное программное обеспечения, «прошивка»;

• FOB – Free On Board – здесь стоимость продукта без учета логистики и доставки;

• FPGA – Field Programmable Gate Array –программируемая логическая интегральная схема;

• Golden Sample – золотой образец (образцовый комплект выпускаемого продукта);

• Hardware – аппаратное обеспечение;

• IP – Intellectual Property – Интеллектуальная собственность (здесь в отношении законченных

блоков для применения в разработках для FPGA);

• Mass Production – массовое производство;

• Mock-Up – здесь «действующий прототип», иногда только корпус действующего прототипа;

• Model – макет, модель;

• PCB – Printed Circuit Board – печатная плата;

• PCBA - Printed Circuit Board Assembled –смонтированная печатная плата (электронный модуль);

• Reference Design (Kit) – образец для разработки (набор);

• Sample – образец.

Спасибо за внимание!

(с) А.А. Востриков; vostrikov.anton@ask-lab.com; mail@ask-lab.com