淺析車燈電子單元成本優(yōu)化方向及方法

王艷光

摘 要：近幾年汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，汽車電子單元在汽車上的比重越來越大，車燈零部件也是如此，而且其成本價格也是一直高居不下。作為一名非電子專業(yè)的優(yōu)化工程師，如何進行電子設計優(yōu)化，如何做好電子方面的降本工作，也成為工作中的重中之重。在保證電子原理設計滿足客戶的前提下，單從電子單元本身可視化的角度進行降本也是行之有效的降本方式，本文我們就從電子單元組件優(yōu)化方向及方法做出簡要概述。

關鍵詞：電子組件;拼版利用率;銅層增厚法;單元功能板拼湊法

一般電子組件都是由布置好線路的PCB加上后續(xù)貼片的電子器件組成，如果因為應用環(huán)境的特殊要求，還可能有導熱膠，散熱片等其他輔助零部件。電子組件的成本除了本身所占用的材料價值，還有就是為其生產(chǎn)的設備投資。我們先從材料本身分析其成本優(yōu)化的方向和方法。

1PCB 基材及銅層增厚法

1.1 PCB基材在車燈中的應用

PCB即Printed Circuit Board 的簡寫，中文名稱為印制電路板，又稱印刷電路板。通常按板子應用來分類有單面板、雙面板、多層板。

單面板是最基本的PCB，其導線及貼片零件集中在單面，由于單面板在設計上受到面積的限制，因此多半僅能用于簡單的線路，車燈的電子線路板很少使用這種板子。如果客戶要求不是很苛刻，尾燈位置功能板，我們可以考慮使用單面板來降低電子成本。

雙面板則是上下兩層都有導線，之間是透過導通孔來使上下層的導線得以相互連接。因此同樣尺寸的雙面板，會比單面板多了一倍的導線設計面積，也可解決單面板中因為導線交錯而產(chǎn)生較多電磁干擾的難題，因此適合于較復雜的電路設計使用。雙層板是車燈線路板應用的主流，幾乎全部的尾燈及前燈上的信號燈都使用此板。我們后面都是以雙面板為例來說明各種優(yōu)化方式。

多層板則是將單、雙面板結合在一起使用，可增加更多的布線面積。車燈中較多驅(qū)動板或者是遠近光功能板會使用到此類型的板子。

另外依照軟硬度來分類，則是可以分為硬性電路板、軟性電路板、軟硬結合板。硬性電路板的厚度通常由0.2mm一直到2.0mm不等，而軟性電路板則通常為0.2mm。軟性電路板的出現(xiàn)，主要在于空間的復雜而且有限，因此需使用可彎折的PCB方可達成空間的要求，隨著主機廠越來越酷炫的信號燈造型，軟板的應用在未來也會越來越多。但是因為軟板的成本比硬板高出很多，為了控制電子成本，應盡量使用硬性PCB為主。

1.2 銅層增厚法

硬性電路板的材料在車燈中的應用主要有FR4（玻璃纖維環(huán)氧樹脂覆銅板），IMS（鋁基板），銅基板及銅-FR4，選擇哪種電路板，主要取決于客戶的對燈內(nèi)和燈外的溫度要求。因為貼片在PCB上的LED對熱非常敏感，當工況下的PCB或周邊的溫度高于LED的結溫時，LED的性能會急劇地下降，為了保證LED光學性能的穩(wěn)定輸出，我們必須在承載LED的PCB上做好熱傳遞的設計。不同基材的PCB本身傳遞熱量的速度不一樣，如果實驗要求苛刻，我們還附加導熱膠和散熱片與PCBA一起來降低LED附近的溫度。才能滿足客戶的要求。現(xiàn)以某車型位置燈功能為例，使用最普通的FR4兩層板加導熱膠和散熱片來分析銅層增厚法對成本的影響，如下圖所示：

最開始設計定義銅層厚度為35um的FR4兩層板，附加80克的壓鑄式散熱片。結果經(jīng)過成本核算后我們發(fā)現(xiàn)整個PCB的成本占到了此功能的總成本的60%左右，整個功能成本也超出項目預算20%， 經(jīng)過我們的分析，我們從如下方向給出建議：

（1）保持原來PCB板不動，改用沖壓式散熱器與PCB一起輔助散熱。

（2）保持PCB兩層板，增加板內(nèi)銅層的厚度到70um/105um，取消散熱片。

（3） 保持PCB兩層板，增加板內(nèi)銅層的厚度到105um，取消散熱片。

（4）由兩層板增加到四層板，取消散熱片。

圖表如下：

很明顯，想法4不滿足我們的降本要求，直接取消。然后把其他想法發(fā)送給對應部門去做結構變動分析和熱模擬分析。最終評定結果是增加銅厚厚度到70?m附加沖壓式散熱片，既符合要求并且也實現(xiàn)了降本的目的。

銅層增厚法在切換壓鑄式散熱片到?jīng)_壓式散熱片時是一個比價有價值且切實可行的方法。PCB成本看似有略微增加，但是從整體的PCBA組件來講，成本是下降的。

2 PCB 拼板利用率及形狀優(yōu)化

2.1 大小拼板利用率概念及計算公式

拼板利用率就是拼板的有效面積占使用面積的百分比。這里我們賦予拼板尺寸來定義PCB拼板的計算公式。設定大板的尺寸為XY，小板的尺寸為xy，單元功能板為ab。

大拼板利用率= 單個小拼板有效面積xy*在大拼板內(nèi)的個數(shù)N/大拼板使用面積XY

小拼板利用率=單元功能板有效面積ab*單元功能板在小拼板內(nèi)的個數(shù)n/小拼板使用面積xy

通常大拼板XY的尺寸在市場上是固定的，常規(guī)尺寸有914*1219，1016*1219，1066*1219。特殊尺寸的大拼板，我們這里不做介紹，因為特殊要求的板材尺寸會涉及到PCB供應商要按照這個特殊的尺寸去重新為客戶定義分割時的固定夾具及人工調(diào)整工時。產(chǎn)生的額外成本基本上對于我們通用的案例來講是得不償失的。小拼板的尺寸xy由我們來定， xy的尺寸決定了小拼板在大拼板的數(shù)量N。

2.2 如何提高小拼板在大拼板的利用率

通過大板的常規(guī)尺寸，我們知道，大板的寬度X是固定的，長度Y 是可變的，因此小板寬度x或者y的尺寸定義滿足在大拼板X方向的百分百利用是最好的。如圖左側(cè)的小拼板布置后，大拼板右側(cè)會有浪費的面積，這部分被浪費掉的地方，PCB廠家是不會自己買單，這部分錢就會被平攤到每張小板上，這樣每張PCB板子價格就會上去。但是如圖右側(cè)兩種排布，一種是如果大板X的尺寸不變，我們微調(diào)減小小拼板寬度x的值，適當增加打拼Y方向的長度。另一種是旋轉(zhuǎn)調(diào)整小拼板放置。適當減少加大拼板Y方向的數(shù)值，我們都能得到較好的拼板利用率。

上述是小板和大板之間利用率的優(yōu)化方式。這種方式的關鍵在于大拼板X與小拼板x的設定。根據(jù)經(jīng)驗，通常預定義小拼板的寬度x的尺寸為248mm既有利于生產(chǎn)，還可以得到比較優(yōu)化的大拼板利用率。

2.3 如何提高單元功能板在小拼板上的利用率

2.3.1 單元功能板尺寸微調(diào)優(yōu)化

單元功能板和小拼板的形狀不同，小拼板都是規(guī)則的四邊形，而單元功能板即我們每個車燈里面被賦予各個功能的光學驅(qū)動單元。都是根據(jù)客戶的造型及要求來設計每個功能板的形狀及尺寸。這里面因為每個設計者的想法不同，功能板的大小和形狀就會有千差萬別的不同。例如某功能電子拼板設定如圖所示：

小拼板上一共可以放置4個單元功能板，小拼板的尺寸是250*218，通過上面的分析我們知道，當小拼板的寬度尺寸超過248時，它在大拼板上的利用率就會變得很低，從數(shù)據(jù)上看，小拼板的寬度尺寸超出不多，那么我們就應該考慮是否可以優(yōu)化此功能板，結構與實際和電子的協(xié)調(diào)溝通，我們微切了功能板的上下左右板材，優(yōu)化了單元功能板的尺寸，讓小拼板的寬度尺寸控制在了248mm。優(yōu)化結果如下：

此方法最大的局限在于PCB的大致形狀和面積都很難大改動，因為形狀由車燈的內(nèi)部空間及光學造型限定。而功能板的面積大小又跟熱學息息相關。所以更多時候的微調(diào)都是在尺寸相差不是太大的時候才有機會得以實現(xiàn)。但是微調(diào)的意義很大，往往只是幾毫米或者十幾毫米的形狀尺寸就對利用率成本產(chǎn)生較大的影響。所以在PCB成本優(yōu)化流程中，這一步一定要進行尺寸模擬，是不可缺少的環(huán)節(jié)。

2.3.2 不同單元功能板拼湊法

當單功能板的形狀非常不規(guī)則，如果優(yōu)化和布置都不能在小拼板上得到較高的利用率時，我們就要考慮不同功能板拼湊優(yōu)化方法。拼湊法的前提是PCB的基材相同。然后把幾種不同的板子拼湊在一起來提高小拼板利用率的一種方法。如某兩個車型尾燈，分別有3-4塊不同功能的PCB 單元，形狀各異，最開始我們將每個單元單獨放在小板上，經(jīng)過多輪優(yōu)化，得到的利用率都很低，后來我們改用拼湊優(yōu)化方式，得到了很好利用率。如圖所示。

拼湊法是我們在尾燈PCB生產(chǎn)時提高利用率比較有效的一種方法。這種方法的好處不僅僅是提高利用率，同時也節(jié)約了生產(chǎn)PCB單元的設備投資。我們都知道，一個單功能板在小拼板上的布置，就意味著生產(chǎn)的時候都要對應的夾具和測試設備，四個功能，就需要投資4套對應的設備，可是如果我們把四個功能板布置在一個小拼板的時候，我們只需要投資一套輔助生產(chǎn)設備，大大節(jié)約了項目的一次性投資成本。

3 PCB設計優(yōu)化降本

3.1 同功能車燈左右PCB共用法

常規(guī)設計，左右側(cè)燈里面的零件都是對稱的（mirror），PCB 也不另外。左右對稱的PCB，設計可以不需要額外計算工時，但是生產(chǎn)PCBA 時的測試所需要的工裝夾具都需要雙倍投資。因此如果PCBA 設計可以左右共用，我們可以節(jié)約這一部分投資。為了滿足上述的要求，需要我們在設計的過程中對PCB的形狀，以及LED光源的位置定義，以及固定PCB板時的螺釘位置對內(nèi)部線路的影響都要做出相應的設計。

4 總結

銅層增厚法，雖然PCB成本略有提高，但是取消了散熱片，整體成本是下降的;小拼板寬度x固定，長度y隨機調(diào)整提高大拼板利用率需要客戶與供應商的協(xié)調(diào)溝通;PCB外形微調(diào)整比較適合正好利用率在關鍵微小尺寸的時候。如果可以優(yōu)化，提高利用率的效果比較明顯;不同PCB拼湊法提高利用率適用于形狀各異的功能板，雖然拼湊時工作量比較大，但是對整燈的所以功能板提高利用率的效果較為突出，而且對降低一次性設備投資非常有效。同功能左右燈PCB共用方法。設計前就需要考慮好形狀，固定方式。如果可以實現(xiàn)，對設計周期和一次性設備投資都有較好的降本效果。綜上這些方法雖然都不是很專業(yè)的電路設計優(yōu)化，但是對電子降本都有比較明顯的效果，尤其對不懂電路設計專業(yè)知識的人員都可以熟練掌握和使用。設計優(yōu)化，不僅僅是設計細節(jié)和概念的優(yōu)化，還要考慮在其生產(chǎn)中的各種可能。不管怎么樣，優(yōu)化降本是我們一直要持續(xù)下去不可缺少的流程。希望本文的介紹能為降本貢獻個人力量。