Разработка современной электроники (семинар первый)
TRANSCRIPT
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; [email protected]; [email protected]