בניית אב טיפוס למערכות אלקטרוניות מורכבות

בניית אב טיפוס למערכות אלקטרוניות מורכבות מצליחה כשהחיווט, ההרכבה והבדיקות מתוכננים יחד עם הלוח כבר מהגרסה הראשונה, ולא נוספים אחריו.
לוח מודפס שעובד על השולחן הוא רק חלק מהתשובה: מערכת שלמה כוללת גם רתמות כבלים, מחברים, מארז, ספק כוח ותוכנה, והתקלות הקשות מתגלות בדרך כלל בנקודות החיבור ביניהם.
הדרך הבטוחה היא לבנות בסבבים, להקפיא ממשקים לפני שמזמינים חלקים, לתעד כל שינוי ולבדוק בכל סבב מול דרישות כתובות.

ק.א.א הוקמה ב-1989 על ידי אמיל קמיע, מעסיקה כ-25 עובדים ומספקת פתרונות Full Turnkey לתעשיות ביטחוניות, רפואיות ואזרחיות.
במאמר נעבור על מה שמייחד פרויקט מורכב, על תכנון חיווט והרכבה, על הבדיקות שמאשרות את הדגם ועל המעבר לייצור סדרתי.
ביצוע חיווט, הרכבת מעגלים מודפסים והרכבות אלקטרו-מכניות אצל גורם אחד מקצר את התיאום בין התחומים, ולכן אפשר לפנות אלינו כבר בשלב התכנון.
יש לכם פרויקט על השולחן?
צרו קשר ונעבור על הדרישות יחד.

מה שונה בבניית אב טיפוס כשהמערכת מורכבת?

במוצר פשוט יש לוח אחד וכמה רכיבים.
במערכת מורכבת יש כמה לוחות, רתמות, מכלולים מכניים ומקורות מתח, וכל חיבור ביניהם הוא ממשק: מחבר, פרוטוקול תקשורת או רמת מתח.
כל ממשק הוא נקודת כשל אפשרית, ולכן ההבדל המרכזי הוא בכמות ההנחות שצריך לאמת.

ההבדל השני הוא התלות בין התחומים.
הזזת מחבר בשני סנטימטרים על הלוח משנה את אורך הכבל, את רדיוס הכיפוף ואת ההתאמה למארז.
לכן מהנדס האלקטרוניקה, איש המכניקה ומי שמרכיב בפועל צריכים לראות את הדגם לפני שהוא ננעל.

את השלבים הכלליים בדרך לדגם עובד תוכלו למצוא במאמר שלנו על בניית אב טיפוס למוצר טכנולוגי: השלבים בדרך לדגם עובד.
כאן נתמקד במה שנוסף כשהמערכת גדלה.
מערכת כזו כמעט אף פעם לא נבנית בסבב אחד, והטבלה מציגה שלוש רמות נפוצות של דגם:

לא כל פרויקט עובר דרך שלושתם.
מה שחשוב הוא להחליט מראש מה כל סבב אמור להוכיח, כדי שלא יתבקש מדגם ראשוני לענות גם על שאלות של ייצור.

איך מתכננים חיווט והרכבה כבר בשלב הראשון?

הכלי המרכזי במערכת מורכבת הוא "רתמת חיווט", כלומר אוסף חוטים וכבלים שמכינים מראש ומקבצים לפי נתיב, עם מחברים בקצוות, כך שאפשר להתקין אותה במערכת כיחידה אחת.
רתמה שתוכננה היטב חוסכת זמן הרכבה ומפחיתה את הסיכון לטעויות.
רתמה שנבנתה "לפי מה שיש" בשלב הדגם נוטה להפתיע בייצור הסדרתי.

כדי שהחיווט יהיה ניתן לשחזור, כדאי להגדיר מראש כמה פרטים:

• רשימת חיבורים מלאה: מאיזה פין לאיזה פין, ובאיזה צבע או סימון.
• סוג החוט, חתך החוט (AWG) וסוג הבידוד, לפי זרם, מתח וסביבת העבודה.
• מחברים וכלי הלחיצה (crimp) המתאימים להם, כי לחיצה לא נכונה היא מקור תקלות נפוץ.
• אורכי כבלים, רדיוסי כיפוף ונקודות עיגון בתוך המארז.
• שיטת סימון וזיהוי, שתאפשר לעקוב אחר כל רתמה גם בסדרה.

על ההיבטים האלה הרחבנו בעמודים שלנו בנושא חיווט תעשייתי, למשל במאמר 5 טעויות נפוצות בחיווט תעשייתי.
כדי שהדגם ישקף את הסדרה, כדאי לקבוע גם את רמת האיכות.
התקן IPC/WHMA-A-620 מגדיר דרישות וקריטריוני קבלה לרתמות וכבלים, והתקן IPC-A-610 עושה זאת להרכבות אלקטרוניות.
שניהם מבחינים בין שלוש מחלקות: מחלקה 1 למוצרי צריכה כלליים, מחלקה 2 למוצרים בשירות ייעודי ומחלקה 3 למוצרים עתירי אמינות.
הבחירה משפיעה על המחיר ועל בדיקות הקבלה, ועדיף לקבל אותה לפני הדגם הראשון.

בצד הלוח המודפס, שני מושגים משפיעים על ההצלחה. "תכנון לייצור" (DFM) הוא התאמת הלוח ליכולות קו ההרכבה, כמו מרווחים בין רכיבים ובחירת אריזות. "תכנון לבדיקה" (DFT) הוא הוספת נקודות מדידה וגישה לאותות, כדי שאפשר יהיה לבדוק את הלוח מהר ובלי אלתורים.
את עקרונות העיצוב אפשר לקרוא במאמר 5 קריטריונים לעיצוב PCB, ואת שלב ההרכבה בעמוד הרכבת מעגלים מודפסים.

בתחומים מוסדרים הדרישות מחמירות.
בחיווט תעופתי, בייצור כבלים צבאיים ובמכשור רפואי מצפים בדרך כלל לתיעוד מסודר ולעקיבות אחר רכיבים וחומרים.
אם המוצר שלכם ייכנס לאחד מהתחומים האלה, בנו את הדגם ההנדסי כבר בשיטת התיעוד שתידרש בסדרה.

הנקודה האחרונה היא רשימת הרכיבים, ה-BOM.
כל רכיב צריך מספר יצרן, ספק חלופי מאושר ובדיקה של זמני אספקה.
רכיב שהיצרן מפסיק לייצר (EOL) באמצע הפרויקט יכול לעצור סדרה שלמה, ובשלב הדגם עדיין זול להחליף אותו.

אילו בדיקות עושים על הדגם לפני שמאשרים אותו?

הבדיקות נבנות בשכבות, מהזול והמהיר ועד המורכב והמדויק:

• בדיקה חזותית לפי IPC-A-610 ו-IPC/WHMA-A-620: איכות הלחמות, לחיצות, סימון ויישור מחברים.
• בדיקת "המשכיות" על הרתמות, כלומר וידוא שכל חוט מחובר לפין הנכון ושאין קצר בין חוטים סמוכים.
• בדיקת בידוד ובדיקת "מתח גבוה" (Hi-Pot), שבודקת שהבידוד עומד במתח גבוה מהמתח הרגיל. היא נדרשת רק כשהמפרט דורש אותה.
• בדיקה פונקציונלית של המערכת כולה מול תרחישי שימוש אמיתיים, ולא רק מול כל לוח בנפרד.
• בדיקות סביבתיות כמו חום, לחות ורעידות, לפי תנאי העבודה של המוצר.

לדברי מהנדס בדיקות ותיק בתעשיית האלקטרוניקה, "תקלה שנמצאת על שולחן הבדיקה עולה שעת עבודה, ותקלה שנמצאת אצל הלקוח עולה את האמון בו".
המשמעות המעשית היא לא לדלג על בדיקות כדי להאיץ סבב, כי כל כשל שמתגלה מאוחר מחזיר את הפרויקט לשלב קודם.

נקודה שמתפספסת לעיתים קרובות: תיעוד התקלות.
כשמגלים כשל, לא מספיק לתקן אותו, צריך לרשום מה קרה, מה הייתה הסיבה ומה שונה בעקבותיה.
הרישום הזה הופך לבסיס של נוהל הבדיקה בסדרה, והוא מונע מהטעות לחזור בגרסה הבאה.

אם המוצר צפוי לעבור לייצור, כדאי לשקול כבר בשלב הזה מתקן בדיקה בסיסי, שמחבר את הרתמה או הלוח לנקודות מדידה ומריץ רצף בדיקות קבוע.
בעמוד ייצור ציוד בדיקה אפשר לקרוא על פתרונות כאלה.
מתקן שנבנה בשלב הדגם נבדק על יחידות ראשונות ומשתפר עד תחילת הסדרה.

איך עוברים מדגם עובד לייצור סדרתי?

מדגם שעבר בדיקות אפשר להתקדם לסדרה רק אחרי שמקפיאים את התכנון: גרסה סופית של סכמות, קבצי הלוח ורשימת הרכיבים, שרטוטי רתמות ומכלולים, הוראות הרכבה ונוהל בדיקה כתוב.
כל פריט חסר הופך להחלטה שמתקבלת באמצע הייצור, ושם היא כבר יקרה.

סדרת פיילוט קטנה בתהליך האמיתי נותנת מידע שדגם בודד אינו נותן: כמה זמן לוקחת הרכבה, אילו שלבים דורשים כלי או מתקן ייעודי, והאם הבדיקות עוברות באותה תוצאה מיחידה ליחידה.
ההחלטות הקשורות לאיכות, כולל מחלקת ה-IPC, צריכות להיות סגורות לפני הפיילוט ולא אחריו.

כאן שיטת Full Turnkey נותנת יתרון, כי אותו גורם שבנה את הדגם ממשיך לרכש, להרכבה, לבדיקות ולאספקה.
הידע על נקודות התורפה של הדגם לא הולך לאיבוד במעבר בין ספקים.
בנוסף, ק.א.א משמשת ספק STS (Ship To Stock) עבור לקוחותיה, כלומר מספקת מוצרים ישירות לקווי הייצור וההרכבה של הלקוח.
כשנדרש, אפשר גם להרכיב באתר הלקוח.

על המעבר מפיתוח לייצור קראו גם במאמר איך מקצרים את הדרך מפיתוח מוצר טכנולוגי לייצור סדרתי, ועל הצד המעשי של הדגם עצמו בעמוד ייצור אב טיפוס לחברות הייטק.
המטרה היא שהדגם האחרון לפני הסדרה לא יהיה ניסוי, אלא גרסה שכבר הוכיחה את התהליך.

שאלות נפוצות

כמה שאלות שמגיעות אלינו לפני תחילת פרויקט.

מה צריך להכין לפני פנייה ליצרן?

חומר ראשוני מספיק כדי להתחיל בהצעה: סכמה, קובצי הלוח אם כבר קיימים, רשימת רכיבים, שרטוטי מארז ורשימת חיבורים לרתמות.
כשחלק מהמסמכים חסר, אפשר להשלים אותם יחד, ובלבד שהדרישות ברורות.
כדאי להוסיף גם את הסביבה שבה המערכת תעבוד ואת הדרישות מתקנים.

האם אפשר להזמין כמות קטנה בלי להתחייב לסדרה?

כן, זו בדיוק מטרת הדגם.
עם זאת, כדאי לתכנן אותו בשיטות ובחומרים שמתאימים גם לסדרה, כדי שהמעבר ייעשה בלי תכנון מחדש.
הכמות והתמחור נקבעים בהצעה לפי המפרט.

האם דגם חייב לעמוד בכל התקנים של המוצר הסופי?

לא תמיד.
דגם הוכחת היתכנות אינו חייב להיות מאושר, אבל דגם הנדסי בתחום מוסדר, כמו רפואה, תעופה או ביטחון, כדאי שיעקוב אחר הדרישות הקריטיות כבר מההתחלה.
שינוי תכנון שנעשה אחרי אישורים עולה הרבה יותר מכוונון בשלב הדגם.

למה דגם ראשון כמעט תמיד מצריך תיקונים?

כי הדגם נועד לחשוף מה שהתכנון לא צפה: חריגות בגודל, חום מקומי, הפרעות בין כבלים או קושי בהרכבה.
תיקונים בגרסה הראשונה הם סימן שהתהליך עובד, בתנאי שהם מתועדים ומוטמעים בגרסה הבאה.

בניית אב טיפוס עם ק.א.א: מהחיווט ועד מוצר עובד

המסר החוזר במאמר פשוט: במערכת מורכבת, האיכות נקבעת בממשקים ובתכנון המשותף של לוח, חיווט, מכניקה ובדיקות.
כשמגדירים מראש מה כל סבב צריך להוכיח, כשמתעדים כל תקלה וכשמקבעים את הדרישות לפני הפיילוט, הדגם האחרון הוא גם הבסיס לייצור.

ק.א.א, שפועלת מאז 1989 ומחזיקה בהסמכות ותקנים בינלאומיים לניהול ובקרת איכות, מלווה פרויקטים מהחיווט וההרכבה ועד אספקה בשיטת Full Turnkey או STS.
אם אתם בוחנים בניית אב טיפוס למערכת אלקטרונית מורכבת, פנו אלינו עם החומר שיש לכם, ונתאם איך מתקדמים לשלב הבא.