Опытное производство электроники за минимальный прайс
Привет, Хабр
Почитал я некоторые ранее опубликованные статьи о том, как жить славному молодцу, перед которым встала задача спаять 10–50–100 устройств из резисторов и микросхем, и взгрустнул, ибо во всех в них советы были даны если не вредные, то и не сильно полезные.
А вот, например, совет держать включённый паяльник за ручку — полезный!
В связи с этим хочу рассказать, как можно легко решить задачу, совершенно типичную для пары-тройки собравшихся вместе индивидуальных разработчиков-фрилансеров, небольшой компании по разработке электроники или опытного отдела в компании покрупнее:
- регулярно надо делать 5–10–50–100 плат с SMD-компонентами
- по возможности быстро
- по возможности дёшево
Если вы можете позволить себе — что по срокам, что по деньгам — услуги «Резонита» или «Компэла» (сотрудничающего, впрочем, с «Резонитом») по сборке модулей под ключ, то текст ниже в общем и целом не для вас. Однако, на практике даже в достаточно крупных компаниях люди, занимающиеся опытными образцами, часто собирают их сами — потому что это занимает пару дней вместо недели, потому что всегда можно на ходу что-то подправить, потому что не надо бегать между начальством и бухгалтерией со счетами и актами… В мелких же вопрос упирается попросту в деньги.
Тем более, что в наше время базовое оборудование, позволяющее делать подобные вещи достаточно быстро и достаточно дёшево, доступно даже любителю-одиночке.
Закупка компонентов
Компаниям, даже небольшим, это рассказывать, наверное не требуется, однако для тех, кто только начинает всерьёз заниматься электроникой, упомяну.
Важный для понимания момент: способы приобретения компонентов радиолюбителем Васей, компанией из десятка человек и компанией из пары тысяч человек — это три абсолютно разных, практически не пересекающихся способа.
В момент, когда вы становитесь ООО или хотя бы ИП, перед вами открываются двери контор, которые не работают с физлицами вообще или, в лучшем случае, имеют для них другой вход, работающий по другим правилам. Цены с чисто розничными компаниями (даже изображающими из себя оптовые, как, например, «Чип-и-дип») могут отличаться в разы, иногда — в десятки раз.
Как правило, большинство таких компаний не очень дружелюбны внешне, и для работы с ними желательно знать двух-трёх менеджеров оттуда, а при наличии интернет-магазина — регистрироваться в нём с предоставлением сведений о своём юрлице. Впрочем, если они почувствуют, что вы вменяемы и можете потом придти с хорошим заказом, они с удовольствием будут дружить с вами и сами.
Например, из тех, кем пользуемся мы (ниже привожу только регулярно используемых поставщиков, так что прошу прощения у тех, у кого что-то берём, но редко):
«Компэл», www.compel.ru — абсолютно крупнейший поставщик компонентов в странах СНГ, имеет огромный локальный склад и возможность поставки со складов как других крупных российских дистрибьюторов, так и зарубежных компаний. «Терраэлектроника», «ДКО Электронщик» и «Даджет» — его дочки для работы с физическими лицами по разным направлениям. Обладает лучшей системой заказа и лучшей логистикой среди всех российских поставщиков — на sds.compel.ru (доступен только для зарегистрированных юрлиц) живёт прайс и система заказа по локальным и удалённым складам с классификатором, фильтрами по параметрам, даташитами, загрузкой компонентов списком из файла, автоматическим подбором аналогов и чёртом в ступе. Общение с менеджерами не требуется вообще, срок поставки с локального склада по Москве — всегда ровно три дня, включая день заказа и оплаты, для людей с медленной бухгалтерией есть либо действующее по умолчанию резервирование выбранного товара на неделю, либо кредитная линия на несколько сотен долларов.
При этом Компэл весьма демократичен, и любые товары с локального склада можно покупать в количестве от одной штуки (даже SMD-резисторы!).
«Элитан», www.elitan.ru — агрегатор поставщиков, от российских (включая тот же «Компэл») до зарубежных (Digikey и т.п.). Имеет плохо поддерживаемый каталог, поэтому для поиска нужно знать более-менее точное название компонента. Цены и сроки поставки доступны всем желающим, реальный срок поставки немного больше, так как указываемый не включает в себя отправку товара из офиса «Элитана» к вам.
«МТ-Системс», www.mt-system.ru — более молодой и менее крупный дистрибьютор, чем «Компэл», но зато с куда более интересными ценами, например, на всю линейку модулей связи Simcom, на некоторые антенны и т.п. К сожалению, не публикует цены на сайте, но на запросы по почте отвечают быстро.
«Радиотех-трейд», www.rct.ru — практически любые разъёмы, слоты и клеммы, корпуса Gainta и Sanhe и другие компоненты. Имеют свой склад в Москве, на сайте прямо указано наличие на нём и цены. Не очень любят продавать в количествах, не кратных целой упаковке. Доступны также через «Компэл» и «Элитан» со сроком поставки в несколько рабочих дней и ценой, не сильно отличающейся от родной.
«Екомп», e-components.ru, ранее известный как «Элтех» — там мы берём кварцевые резонаторы NDK (а с хорошими и недорогими кварцами на российском рынке вообще как-то не очень), и иногда различные разъёмы. На сайте доступен каталог с наличием и ценами.
«СМП», www.smd.ru — уникальное место, где можно купить SMD-пассивку практически любых номиналов без регистрации и SMS, то есть — в том числе физлицам и в том числе за наличные, причём — то ли от 10, то ли от 30 штук и по вполне разумным ценам (выше, чем у «Компэла», но тех, кто привык к «Чип-и-дипу», прайс СМП заставит плакать дня два или три). Цены доступны на сайте после быстрой регистрации.
«Ультран», www.ultran.ru — сюда мы ходим за nRF52, когда кому-то опять нужна партия BLE-биконов с перламутровыми пуговицами, а также модулями связи U-blox. На сайте есть цены и наличие, но неточные — висящая в состоянии «на складе» партия в десяток тысяч штук может быть уже целиком зарезервирована под чужой проект.
И так далее, и тому подобное. Хотя в России очень много компаний, не имеющих ничего, кроме офиса с сейлзами, и готовых таскать вам с чужих зарубежных складов всё, что там есть, но втридорога, не сильно меньше и реальных поставщиков компонентов, а также адекватных агрегаторов, работа с которыми доступна только юрлицам — и которые на порядок выгоднее, чем типичные розничные магазины типа «ЧиД», «Вольмастер» или «Кварц». При этом многие из них совершенно не требуют муторной переписки с менеджерами по каждому чиху, а обладают вполне себе развитыми системами заказа.
Если вы начали заниматься электроникой на продажу и имеете юрлицо или ИП — с этими компаниями вам необходимо ознакомиться.
P.S. Я специально не буду говорить о том, как закупаться в Китае, а также как оптимизировать BoM. Первого в профессиональной области лучше вообще не делать, если вы не знаете точно, на что идёте, а можно ли все резисторы на плате поменять на три номинала 1–10–100К, или 0,1-процентные Yageo RT0603 лучше оставить как есть, даже если и придётся доплатить — вам виднее самим.
Печатные платы
Здесь, если честно, сказать нечего, мы заказываем всё у «Резонита», из российских производителей у них оптимальное сочетание сроков, цены и качества. Двуслойная плата небольшого размера в партии 10–20 штук со сроком изготовления 4–5 дней обойдётся вам в 3–4 тысяч рублей за партию.
На данный момент лично у меня там 177 выполненных заказов и один — в процессе. Минимальная партия из того, что мы там заказывали, составляла 1 штуку, максимальная — несколько тысяч штук.
Для оценки стоимости изготовления есть калькулятор, по сути ничем не отличающийся от обычной формы заказа плат в личном кабинете — ну, кроме возможности подгрузить файлы и отправить на завод.
Монтаж
И вот тут, конечно, начинается самое интересное — платы есть, компоненты есть, дальше-то что?
Главный тезис: современные платы паяльником вручную не собирают.
Даже на опытном производстве. Даже десять штук. Это попросту муторно, долго, неэффективно и некачественно. Ручная пайка нарушает главный принцип эффективности работы — монотонность. Ручная пайка — это постоянная, ежесекундная смена инструментов в руках. Если провозиться подольше не является вашей целью, так делать нельзя.
На современных платах абсолютное большинство компонентов — SMD, и более того, когда вы попробуете минимально пристойные методики сборки, вы будете плакать каждый раз, когда будете вынуждены ставить THD-компонент.
SMD-компоненты паяются пастой — смесью из флюса и микронного размера шариков припоя (мы используем Multicore CR36, но это не обязательно).
Паста наносится строго на контактные площадки компонентов одним из двух способов:
- пневматическим — компрессором на 4–6 атмосфер (подойдёт любой с ресивером, чтобы обеспечить стабильность давления) и диспенсером типа такого. Диспенсер стоит у китайцев баксов сто и обеспечивает простую вещь — при нажатии педали подаёт в шприц с пастой воздух под заданным давлением в течение заданного времени, выжимая заданное количество пасты. Немного муторно, но среднего размера плату вы заплюёте минут за пятнадцать-двадцать, причём при определённой сноровке можно работать даже с компонентами 0402. Паста для диспенсеров продаётся уже в шприцах, мы используем EFD SolderPlus (точнее, почти не используем, ибо диспенсер минимум 364 дня в году просто покрывается пылью).
- по трафарету — листу стали или пластика с вырезанными в нём отверстиями контактных площадок, толщиной 100–125 мкм. Трафарет кладётся сверху на плату, на него вываливается шлепок паяльной пасты и размазывается шпателем или просто пластиковой карточкой. В идеале для этого процесса нужен ручной трафаретный принтер, обеспечивающий вертикальное поднимание и опускание трафарета, но в небольших масштабах можно просто закреплять плату и трафарет малярным скотчем на столе. Обработка одной платы занимает, очевидно, всего пару минут.
Всякие варианты с намазыванием зубочисткой, ручным давлением из шприца и т.п. забудьте сразу — вы повеситесь на первой же своей плате.
Данная часть была бы не столь весёлой — трафарет штука довольно дорогая — если бы не одно чудесное изобретение человечества: режущий плоттер Silhouette Curio, предназначенный для вырезания аппликаций для скрапбуков, но также прекрасно справляющийся с «прозрачками» для проекторов. Последние имеют толщину 100 мкм — думаете, это просто так, совпадение?
Плоттер принимает на вход файлы DXF (причём в бесплатной версии софта; платная добавляет поддержку очень нужного для скрапбуков SVG) и без проблем справляется с компонентами размером вниз до SOIC и 0603. Пассивка 0402 выходит похуже, но ещё приемлемо, а во всяких QFN приходится убирать отдельные ножки и делать сплошную прорезь.
Это, конечно, не трафарет для производства десяти тысяч устройств. Но возможность таки сделать трафарет, вполне себе подходящий для большинства несложных конструкций, на оборудовании за 14 тысяч рублей, без мокрой химии и вообще каких-либо значимых отходов, а также за пятнадцать-двадцать минут времени — бесценна.
После вырезания и намазывания идёт расстановка деталей.
Конечно, было бы хорошо иметь автоматический расстановщик, но, во-первых, штука это не совсем дешёвая, во-вторых, скажу вам по секрету, на партии в полсотни плат программирование расстановщика у вас займёт сильно больше времени, чем собственно расстановка.
Поэтому базовый вариант — расстановка вручную. Самый простой и дешёвый вариант — вакуумный пинцет типа такого, то есть, по сути, ручка с аквариумным компрессором. Ручка имеет сменную иглу на конце и дырку на боку, закрываете дырку пальцем — игла притягивает детали, отпускаете палец — воздух идёт через дырку, деталь отваливается.
В отличие от обычных пинцетов, эта штука позволяет брать компоненты любой формы и с любой поверхности, в том числе прямо из лент, а в отличие от механических вакуумных пинцетов с кнопкой и резиновой грушей внутри, не даёт рывка при отпускании детали. Стоит такой пинцет копейки — меньше 1500 рублей у китайцев, а при желании можно сделать и самому натурально из аквариумного воздушного компрессора. Иголки со временем забиваются паяльной пастой, но без проблем покупаются отдельно, как наборами разного диаметра, так и пакетами одного диаметра по 10–20–50–100 штук.
Обычным пинцетом останется расставить только самые крупные компоненты, вроде процессоров в LQFP-корпусах.
В этот момент вы почувствуете всю прелесть такого подхода к монтажу. Сравните — паяльник:
- в правую руку паяльник, в левую — припой
- поставить каплю припоя на одну площадку резистора
- отложить припой, отложить паяльник
- вытряхнуть резистор из ленты, перевернуть маркировкой вверх
- в левую руку пинцет, взять резистор пинцетом, поставить на плату
- не отпуская резистор, взять в правую руку паяльник, прихватить ту площадку, на которую был нанесён припой
- отложить пинцет, взять припой
- прихватить вторую площадку
- повторить для остальных 146 компонентов
Паста:
- намазать всю плату пастой
- взять вакуумный пинцет, расставить все компоненты прямо из лент и поддонов
- сунуть плату в печку
О, да. После того, как вы расставили компоненты (ставить надо с небольшим усилием, чтобы они впечатались в пасту), приходит пора печки.
Задача печки — нагреть пасту с заданной скоростью до 140–160 градусов (температура активации и испарения флюса), потом до 220–230 (плавление припоя), подержать недолго и охладить.
Строго говоря, на совсем штучных изделиях можно прогревать пасту феном, но это годится только буквально на 5–10 экземпляров, а также подвергает компоненты серьёзному стрессу из-за больших градиентов температур. Печка же греет равномеро и плавно.
Опять же, что очень радует — хотя китайцы делают вполне себе недорогие печки, совсем самодельную можно сделать из совершенно грошовой электродуховки (я не рекомендую данную конкретную модель, это просто ссылка) или аэрогриля, добавив к ним сделанный хоть на Arduino контроллер температуры, выдерживающий нужный профиль по градусам и по минутам. Стоимость такого решения в наколенном варианте будет меньше 5 тысяч рублей за всё в сумме.
Собственно, всё. После запекания остаётся на компонентах с мелким шагом проверить ножки на предмет возможных залипаний (вопреки утверждениям в многочисленных руководствах — нет, паяльная паста далеко не всегда сама идеально собирается точно на ножке, если её чуть больше, чем надо, или размазана она сильнее, чем надо — поверхностного натяжения не хватит, чтобы разорвать перемычку между соседними ножками), всё найденное убрать обычным паяльником, на чипах с длинными ногами и мелким шагом, вроде LQFP или TSSOP с шагом 0,5 мм, — с оплёткой для выпайки.
Ну и, собственно, всё. Изделия смонтированы.
Посчитаем?
- режущий плоттер для трафаретов — 14000 руб.
- прозрачная плёнка — 500 рублей за 50 листов
- баночка Multicore CR36 — 500–800 рублей за 30 г (для регулярной работы берите банки 500 г, это в районе 4500 руб. сейчас)
- вакуумный пинцет — 1500 руб.
- электродуховка — 3000 руб.
- ардуино, реле, термопара — пусть будет ещё 3000 руб.
Итого — 22 800 рублей за комплект оборудования и расходников, который позволит вам монтировать платы с SMD-компонентами в несколько раз быстрее чисто ручной работы паяльником. И более того — ещё и более качественно: если по результатам паяльника сразу видно, что плата была собрана вручную (характерные наплывы на ногах компонентов, с явным избытком припоя сверх действительно необходимого), то при минимальной сноровке даже такой примитивный набор позволяет делать изделия, с точки зрения непрофессионала внешне не отличающиеся от серийных.
И это — за сумму, которую многие могут себе позволить даже в рамках хобби.
А уж если ваша жена ещё и скрапбуками увлекается…
