回路基板設計、電子ハードウェア製品の試作設計

回路基板設計、電子ハードウェア製品の試作設計

製品の電子部品のプロトタイプをどのように開始するかは、答えたい質問によって異なります。 新しいプロトタイプを作成するたびに、プロトタイプが答えるべき質問を明確に定義する必要があります。 製品が機能するかどうか、または予想される問題を解決するかどうかについて幅広い質問がある場合は、開発スイートの以前の同様の作品 (Arduino や Raspberry Pi など) に基づいたプロトタイプの使用を開始する必要があります。

製品の機能に大きな問題がない場合は、カスタム PCB を直接設計することをお勧めします。 製品を開発するほとんどの大企業は、カスタマイズされた PCB から始めます。 これは、最も安価ではないかもしれませんが、市場への最速の方法です。 カスタマイズされた PCB のプロトタイプ設計には、ベア PCB の製造とすべてのコンポーネントの溶接という 2 つのステップが含まれます。 各プロセスについて個別に説明します。

家庭用の PCB 技術はありますが、単純な設計に限定されます。 そのため、PCB プロトタイプの生産を外部委託する必要がある場合があります。 独自の PCB を製造して組み立てないと仮定すると、同じプロセスを使用してプロトタイプ ボードを作成し、ボードを大量生産します。

PCB の製造は、次の手順に要約できます。

このプロセスは、ガラスエポキシ樹脂を編んだ積層コアから始まります。 導電層間の絶縁体として使用され、回路基板の物理的強度を提供します。

単一のパネルは、積層コアと片面の銅層で構成されています。 両面パネルは、両面に銅層を備えた積層コアで構成されています。 多層基板は、交互の銅層と積層コア層で構成されています。 ほとんどのボードは、2、4、6、または 8 つの導電層を使用します。

各導体銅層のレイアウト設計がレーザーでフィルムに描かれ、感光性ケミカル「レジスト」が塗布されます。 次に、銅層は、膜を透過する高強度の紫外線にさらされます。 この光は、銅配線とパッド上のレジスト層を硬化させます。

次に、銅層を化学溶液で処理して、紫外線によって硬化しないレジスト層をすべて除去します。 これにより、必要な銅配線とパッドに硬化した腐食防止材料のみが残ります。 レジストで覆われていない露出した銅は、別の化学薬品で除去されます。 その後、硬化したレジスト層が除去され、トレースとパッドの形成に必要な銅のみが残ります。

次に、積層プロセスを使用してすべての層を結合し、スタックされた PCB を形成します。

PCB スタックに穴を開けて、異なる層の信号を接続するためのスルー ホールを形成します。 スルー ホール アセンブリの穴も開けられます。 ただし、溶接コストを最小限に抑えるには、通常、表面実装技術 (SMT) コンポーネントのみを使用するのが最善です。

次に、穴の内壁を含むすべての露出した金属表面に銅が堆積します。 すべての露出した銅表面に追加の銅がメッキされます。

ベア PCB が完成したので、次のステップはすべての電子部品を配置して溶接することです。 ピックアップおよびプレーサーとして知られるロボット機器は、真空システムを使用してコンポーネントをピックアップし、PCB 上に正確に配置します。 はんだペースト（はんだとフラックスの粘性混合物）は、部品を一時的に固定するために使用されます。

最後に、回路基板はリフロー炉を通してはんだペーストを溶かし、コンポーネントと PCB パッドの間に恒久的な電気接続を形成します。 回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーは、電子ハードウェア製品の回路基板設計および試作品設計の基本的なガイドラインを説明しています。

エンジニアリングプロトタイプ

エンジニアリングプロトタイプ（類似作品の外観プロトタイプと呼ばれることもある）は、最初にプロトタイプで外観と機能を組み合わせたものです。 エンジニアリング プロトタイプが完成したら、最終的に顧客や投資家に見せるのに十分な品質のものを手に入れることができます。

今こそ、より実践的になるために外部投資家を探す時です。 この段階までに、エンジニアリングおよび製造上のリスクのほとんどを克服しています。 投資家は明らかにこのリスク削減を気に入っています。

私自身のハードウェア製品については、この段階で私自身が製品開発に資金を提供しました。 私は自分のプロトタイプを使用して、全国規模の大手小売業者に私の製品に関心を持ってもらいました。 そこから、この成功を利用して、残りのプロトタイプ段階に資金を提供してくれるメーカーを見つけました。

エンジニアリング プロトタイプは、大量生産のプロトタイプに近いものですが、まだテストされておらず、大量生産の準備も整っていません。

試作前の試作品

これは、製造用に最適化された同様の外観のプロトタイプです。 これは、顧客が目にする最終製品に非常に近いものです。 ほとんどの場合、製品が小売店で販売される場合は、小売用パッケージも含める必要があります。

生産前のプロトタイプの外観と機能は、同様の作品のものと非常に似ているかもしれませんが、重要な違いは製造可能性です。 製品開発の過程で、多くの起業家はプロトタイプから効率的に製造できる製品に移行するために必要な作業を過小評価しています。 試作品を何個も作るのと、何百万個も作るのは全く違います。 ほとんどの場合、大量生産の設計を準備するには、大量の追加設計作業が必要です。

たとえば、製品シェルのプロトタイプを作成する場合、通常は 3D プリントまたは CNC 加工が使用されます。 大規模な製造では、高圧射出成形を使用してシェルを製造します。

3D プリントと CNC 加工は非常に寛容な技術です。 想像できるほぼすべてのプラスチック形状のプロトタイプを作成できます。 これは射出成形には当てはまりません。 射出成形には非常に厳しい生産要件があります。 3D プリントのプロトタイプが完成したら、射出成形の設計をさらに改良する必要があります。

射出成形: 3D プリントは、多数の部品を製造するのに非常に適しています。 しかし、何百もの部品を生産することは現実的ではありません。 最後に、製品シェルの大量生産には射出成形が必要です。 当然のことながら、射出成形プロセスは金型の作成から始まります。 金型は金属でできており、金属の硬度が金型の寿命とコストを決定します。

プロトタイピングまたは初期の生産には、通常、アルミニウム ダイが最適です。 アルミニウムの金型は通常、数千ドルの費用がかかり、最大約 10,000 個の部品を製造できます。 高温の溶融プラスチックが高圧下で金型に射出されると、金型は 2 つの半分に成形されます。 パーツに細かいディテールを作成するには、高圧が必要です。 プラスチックが冷えて硬化したら、金型を開いて部品を取り出します。

ほとんどの設計では、射出成形用に準備するために大幅な変更が必要です。 シェルを設計した人が射出成形を理解していることを確認してください。そうしないと、試作はできても大量生産できない製品になってしまう可能性があります。 完全な機能、通常の動作、および同様の外観を備えたプロトタイプを作成できることは大きな成果です。このマイルストーンに到達したら、自分自身を後押ししてください。

しかし、あまり興奮しないでください... プロトタイプから大量生産への移行は、新しいハードウェア製品を市場に投入するための最も過小評価されているステップの 1 つです。

技術検証試験 (EVT)

プロジェクトのプロトタイプが完成したら、テストを開始して、仕様どおりに機能することを確認できます。

このテストの第 1 段階は、Engineering VerifICation Test (EVT) と呼ばれます。 このテスト フェーズは、エレクトロニクスに焦点を当てています。 通常、EVT では 10 ～ 50 ユニットがテストされます。 EVT には、基本的な機能のテストだけでなく、隠れた問題がないことを確認するためのさまざまなストレス テストも含まれます。 これには、電力、熱、および EMI テストが含まれます。 EVT の目的は、プロトタイプが機能、性能、および信頼性の仕様を満たしていることを確認することです。

設計検証テスト (DVT)

設計検証テスト (DVT) は、最も複雑なフェーズの 1 つです。 目的は、製品が必要な外観および環境仕様に準拠していることを確認することです。 EVT フェーズと比較して、必要なユニットの数ははるかに多く、通常は 50 ～ 200 ユニットです。 これらのデバイスは、落下、耐火、耐水性のテストなど、非常に厳しいテストを受けます。 設計検証試験の主な目的の 1 つは、製品が日常の使用に耐えられる耐久性があるかどうかを検証することです。 これは通常、電気認証を取得する段階でもあります。 これには、FCC、CE、UL、および RoHS 認定が含まれます。 必要な電気認証を取得するのに必要な費用と時間がかかるため、通常、プロセスは DVT 段階まで遅れます。 これは、認定試験の開始後に他の設計変更が不要であることを確認するためです。 もちろん、認定試験中に問題が見つかった場合は、設計を修正して修正する必要があります。 回路基板アセンブリおよび回路基板処理メーカーは、電子ハードウェア製品の回路基板設計および試作品設計の基本的なガイドラインを説明しています。