Инженерное обеспечение в области компонентов при разработке электронных изделий

При проектировании и производстве изделий электроники возникает широкий круг технических вопросов по поводу используемых электронных компонентов. Техническая поддержка в области компонентов, хорошо известная на Западе как Component Engineering, является неотъемлемой частью процесса разработки и изготовления любого электронного изделия и включает ряд важнейших услуг:

• помощь разработчикам изделий в правильном и обоснованном выборе компонентов, начиная с ранней стадии создания изделия;
• проверка статуса компонентов и их спецификаций (datasheets);
• содействие в поиске эквивалентных компонентов от других изготовителей;
• проверка используемых компонентов на их соответствие требованиям международных стандартов;
• проверка правильности применения компонентов на соответствие требованиям современной технологии;
• создание и техническое поддержание базы данных (каталога) предприятия по всем используемым компонентам с обеспечением их необходимой технической документацией;
• обеспечение оперативной информацией о прекращении производства тех или иных компонентов и решение связанных с этим проблем по поиску замены;
• помощь в снижении стоимости изделия посредством поиска эквивалентных компонентов альтернативных изготовителей;
• профессиональные консультации и помощь различным подразделениям предприятия (проектным и инженерным отделам, отделам закупок, входного контроля и надежности, производству и т. д.) в решении любых проблем, связанных с электронными компонентами;
• участие в разработке технической политики предприятия в области применения новейших компонентов и технологий.

Ни одна более или менее серьезная фирма на Западе не представляет возможной разработку электронных изделий без непосредственного участия в ней инженеров по компонентам, причем в крупных фирмах и концернах число таких специалистов достигает десятков и даже сотен человек.

Инженер по компонентам (Component Engineer) в западных электронных фирмах является весьма востребованным специалистом и зачастую очень дефицитным, поскольку их не готовит ни один университет или иное учебное заведение. Ими становятся профессиональные инженеры, накопившие многолетний опыт практической работы с электронными компонентами. Объем знаний и информации, которыми должен обладать инженер по компонентам, чрезвычайно велик и далеко выходит за рамки общих теоретических знаний в области электроники. Инженер по компонентам должен быть хорошо знаком с продукцией большинства ведущих мировых изготовителей электронных компонентов всех типов, легко ориентироваться в их каталогах и технических спецификациях, а также владеть дополнительной информацией, помогающей принять оптимальное решение при выборе того или иного компонента с учетом области применения разрабатываемого изделия, действующих стандартов и передовой технологии.

В повседневной работе инженер по компонентам должен быть задействован на всех стадиях разработки и изготовления изделия для оказания помощи не только техническому персоналу, занимающемуся непосредственно проектированием, но и подразделениям по обеспечению качества, логистики, закупки компонентов и т. д. Особое внимание должно быть уделено своевременному и тщательному анализу перечня компонентов — BOM (Bill Of Materials). Обязательным условием эффективного анализа является то, что он должен осуществляться перед разводкой печатных плат, что позволяет провести своевременную корректировку с устранением допущенных ранее ошибок и возможного ущерба, а также осуществить оптимизацию, суть которой подробно изложена ниже.

Проверка и анализ BOM включают следующие работы:

• Проверка всех «партномеров» изготовителей компонентов в перечне на предмет их правильности и комплектности (полноты).
• Проверка активного статуса всех компонентов и их спецификаций (Data Sheets), что чрезвычайно важно на заключительной стадии дизайна, так как за время проектирования изделия могли произойти существенные изменения в документации изготовителей компонентов, включая изменения в окончательной версии Data Sheet и его действующего статуса. При этом необходимо помнить, что опасность для подготавливаемого к производству изделия могут представлять как статусы, предшествующие массовому изготовлению компонента (Advance Information и Preliminary), так и статусы, определяющие конечные стадии его жизненного цикла (NRND — Not Recommended for New Designs, и Obsolete — прекращение производства). Выявление статусов NRND и Obsolete требует дополнительных усилий, поскольку о статусе NRND компонента его изготовитель зачастую «сообщает» пассивным способом, исключая Data Sheet из сайта. Что же касается статуса Obsolete, своевременные извещения (PCN — Product Change Notification) о прекращении производства изготовители направляют лишь известным им заказчикам, использующим данный компонент, а это возможно только, если заказчик приобретал компонент у самого изготовителя или у его полномочных дистрибьюторов.

Своевременное выявление этих статусов поможет избежать и дополнительных рисков приобретения контрафактных компонентов, так как наличие в перечне компонента, чье производство прекращено, приводит к необходимости искать его на свободном рынке.

• Поиск аналогов для максимально возможного числа различных компонентов в перечне. Такими аналогами должны являться полностью эквивалентные заменители (Substitute Parts) других изготовителей, не требующие никаких изменений в изделии и его печатных платах.
• Оптимизация перечня компонентов (BOM Optimization) является завершающей стадией его проверки и требует помощи специалистов с высокой инженерной квалификацией, включающей:
• знания и опыт разработки электронных изделий;
• обладание всесторонней информацией (технической и коммерческой) о различных типах электронных компонентов;
• детальное знание процессов производства и новейших технологий.

Для многих предприятий оптимизация ВОМ изделия становится в некотором смысле «роскошью» из-за отсутствия специалистов, способных выполнить данную проверку и представить квалифицированные и эффективные рекомендации, приводящие, как правило, к существенному снижению стоимости изделия, повышению эффективности процесса производства и к сокращению сроков поставки нужных компонентов.

Приведем несколько типовых примеров из реальных перечней компонентов, переданных фирме All4bom для проверки и рекомендаций по оптимизации:

1. Транзистор MOSFET STL8NH3LL — N‑канальный, Vds = 30 В, 8 A. Производство компонента фирмы STMicroelectronics в «экзотическом» 8‑выводном корпусе Chip Scale Package было прекращено в марте 2010 года, с рекомендацией замены на STL9N3LLH5 в том же корпусе. Но и выпуск данного компонента завершен в 2012 году, видимо, из-за малого спроса. Непонятно, с какой целью разработчик выбрал этот корпус, не имеющий аналогов у других изготовителей, так как при выборе стандартного корпуса SO‑8 можно было бы использовать STS10N3LH5 того же STMicroelectronics и сравнительно легко найти дополнительно несколько заменителей от других ведущих фирм — FDS8878 Fairchild Semiconductor; IRF8707PbF International Rectifier; Si4134DY-T1‑E3 Vishay Siliconix и NTMS4816NR2G ON Semiconductor. Излишне напоминать, что при таком разумном подходе к выбору компонента разработчик одновременно решил бы проблему возможных задержек в поставке и помог бы отделу закупок добиться существенного снижения стоимости данного транзистора.
2. Регулятор напряжения TPS799XX фирмы Texas Instruments. Компонент выпускается в трех типах корпусов: стандартном корпусе SOT23-5, а также в сравнительно редких WCSP (Wafer Chip Scale Package) и SON‑6 (Small Outline No-Lead). В данном случае разработчик выбрал SON‑6, пренебрегая рекомендацией рассматривать возможности альтернативных изготовителей при выборе корпуса компонента, что позволит при возникновении экстренной ситуации в будущем найти приемлемую замену без изменений в печатной плате.
3. Конденсаторы:
   • танталовый — 10 мкФ, 10 В, 10%, корпус A (1206) — 4 шт.;
   • танталовый — 10 мкФ, 16 В, 10%, корпус A (1206) — 2 шт.;
   • керамический — 10 мкФ, 10 В, 10%, Х5R 0805 — 1 шт.

Три указанных типа конденсаторов имеются в одном и том же перечне компонентов изделия. На естественный вопрос к разработчику, зачем он использует два типа танталовых конденсаторов (на 10 и 16 В), а не один 16‑В конденсатор, был дан ответ, что необходимо добиться экономии, так как по логике 16‑В конденсатор должен стоить дороже. На самом же деле цена любого стандартного компонента тем ниже, чем он более популярен, производится и продается в больших объемах. В случае с танталовым 16‑В конденсатором его цена близка к цене 10‑В конденсатора, а зачастую и ниже. Это объясняется тем, что он, имея тот же размер, является более востребованным, и поставщики именно его включают в свои складские запасы, предлагая одновременно заказчикам, использующим как 16‑В, так и 10‑В конденсаторы.

В результате объединения двух типов общее требуемое количество увеличивается и соответственно снижается их стоимость, но на этом экономия для заказчика не заканчивается. К сожалению, при подготовке перечня многие разработчики забывают, что следует помнить об оптимизации стоимости работ по изготовлению изделия, а не только о цене самих компонентов. В нашем случае при использовании одного конденсатора вместо двух потребуется лишь один фидер (feeder) для автоматической установки компонентов на плате и процесса их пайки, а также сократится общее время сборки, что дополнительно приведет к снижению стоимости контрактного производства изделия.

В данном примере можно продолжить оптимизацию BOM. Керамические конденсаторы с диэлектриком Х5R — привлекательная альтернатива танталовым конденсаторам, поскольку обладают многими преимуществами: отсутствие полярности, более широкий частотный диапазон, более низкие импеданс, ток утечки и паразитные параметры сопротивления и индуктивности.

Существенным преимуществом является и меньший размер керамического конденсатора, а также отсутствие необходимости выбирать более высокое номинальное напряжение конденсатора относительно требуемого рабочего напряжения схемы. С учетом этого керамический конденсатор 10 В вполне успешно заменит танталовый 16‑В конденсатор, a в оптимизированном перечне компонентов может быть применен только керамический конденсатор с одним фидером для сборки и общим количеством требуемых конденсаторов емкостью 10 мкФ (7 шт.).

В итоге предпринятая оптимизация не только приводит к снижению стоимости изделия, но и способствует облегчению процесса закупок (один тип компонента вместо трех), упрощению входного контроля и комплектации (кит) перечня, повышению эффективности производства, а также позволит добиться существенной миниатюризации печатной платы при использовании керамических конденсаторов с меньшими физическими размерами.

Можно привести еще несколько примеров оптимизации перечня, основанных на широко распространенных заблуждениях и ошибках при использовании пассивных компонентов.

Так, нередки случаи включения в ВОМ резисторов с одинаковым значением сопротивления, но различных размеров и с разной точностью (5 и 1%). Целесообразность такого многообразия требует тщательной проверки, и сокращение типов компонентов в перечне во многих случаях является оправданным, так как в конечном итоге приводит к упрощению логистики, повышению эффективности производства и снижению стоимости изделия.

Нелишне упомянуть и типичные ошибки разработчиков, возникающие при выборе размеров чипов керамических конденсаторов MLCC (Multilayer Chip Capacitors). Если для резисторов необходимость в большем размере чипа иногда (но далеко не всегда) оправдана требованиями более высокой мощности, то применение конденсатора в размере 1210 или 1206 при существовании значительно меньших размеров (0603 или 0402) с теми же параметрами является грубой ошибкой с нежелательными последствиями.

Следует помнить, что стоимость конденсатора MLCC зависит от размера, и чем он меньше, тем меньше керамического материала используется в конденсаторе и, соответственно, ниже его цена. Кроме того, меньший размер является более востребованным в связи с тенденцией к миниатюризации изделий, а следовательно, и выпускается промышленностью в значительно больших количествах, что также снижает его цену. Например, конденсатор 100 пФ, 50 В, 5% с диэлектриком C0G/NP0 в размере 0402 на 30–40% дешевле по сравнению с аналогичным конденсатором в размере 1206 или 1210.

Приведенные примеры наглядно показывают, что оптимальный выбор любого электронного компонента определяется не только его функциональными возможностями, но и дополнительными факторами: спецификой конкретного компонента, стандартными параметрами и корпусом, наличием данного компонента у нескольких ведущих изготовителей, его стоимостью и доступностью с приемлемыми сроками поставки.

Накопленный опыт компании All4bom (www.all4bom.com) в проверке и оптимизации перечней компонентов для изделий различной сложности свидетельствует о том, что своевременная проверка перечня и его квалифицированная оптимизация, наряду с указанными выше дополнительными преимуществами по упрощению закупок, логистики, входного контроля и процесса производства, приводят и к существенному снижению стоимости изделий в пределах 15–25%.