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论设计和制造的关系 ——美国卫星电视公司DISH Technology工程师Les Beller访谈录

六月 27, 2018 | Barry Matties, I-Connect007
论设计和制造的关系 ——美国卫星电视公司DISH Technology工程师Les Beller访谈录

最近,我采访了DISH Technology公司的制造工程师Les Beller,他曾经长期担任PCB设计师。我们讨论了公司在应对5G和流媒体时的转变,以及这种转变对于设计团队的挑战。他还阐述了在HDI和更高频率下面临的最大挑战,以及设计人员了解制造工艺和DFM工具的重要性。

Barry Matties:能为我们的读者简单介绍一下你的背景吗?

Beller:我是DISH Technology公司的一名制造工程师。DISH Technology公司以前的名称是EchoStar Technology,被DISH并购后,公司名称改为DISH Technologies。此前,我是一名质量工程师,更早的时候,我是一名PCB设计师,做了大约30年,那时还用的是胶带和聚酯薄膜。所以,设计和制造我都做过,现在,我是制造工程师,所以有时两端都要管!

Matties:两端之间的所有事情都要管,对吧。那我们先谈谈设计吧。我认为设计是你所做一切的基础。你在审查设计时,会给你留下较深印象的是什么?

Beller:当我审查目前的设计时,首先审查他们如何利用电路板的空间,同时也需要考虑到它是批量产品还是多品种/小批量产品。我会从设计师和组装的两个角度来看待这些特征,以及它们是如何互连/封装该PCB的。设计是否稳健?这些产品在实际使用中寿命如何?设计师设计的板子是否易于制造且成本合理?我偶尔会进行拆解,所以会对产品的可维修性设计感到非常惊讶,有些非常好,而有一些非常差。

Matties:你刚刚提到了HDI,这是DISH涉足的新领域吗?

Beller:是的。以前,我们设计的都是卫星电视机顶盒产品,其中使用了层数尽可能少的PCB,以降低价格。过去,我们只有两三个HDI设计。现在正在向着付费电视服务方向进行调整——流媒体现在越来越流行。我们必须将我们的服务范围从只有卫星产品转向OTT类型的流媒体产品,并且还必须学会为需要此类产品的其他OEM做委托制造。我们最新的小众产品之一是多摄像机流媒体视频制作市场SlingStudio,它与付费电视不太一样。我们未来的新产品将会是5G IoT类型产品。我们已经从FCC申请到了频段,我们将在此频段上建立我们的5G网络,然后为客户设计所有类型号的窄带物联网产品。有些物联网产品已经确定并正在进行中,但大家都在涌入这个新市场,所以可能利润也会被压缩。

Matties:你们使用HDI的原因只是纯粹因为空间吗?

Beller:主要是这个原因。我们仍然会使用各种不同的电路板技术。某些芯片架构和器件封装必须用

到HDI。如果采用超细间距的器件,我们将不得不使用HDI。当然这是基于假设很大一部分新产品将会是紧凑型产品的基础上。只要有可能,我们就会让产品采用相应的技术以节省成本。这是我们的宗旨!

Matties:有关HDI能降低成本的话题很热门,不过在实际使用中,真的更能节省成本吗?

Beller:工程师往往会认为HDI能立刻降低成本,因为尺寸会小得多,但这种情况很少见。这需要PCB设计人员更加聪明,挑战并验证最终产品工业设计(ID)是否需要做到这么小。最好为通孔预留更多空间,不要只是为了设计更容易,就强迫制造商投入更多的劳动力,或迫使他们采用低良率的工艺。应该多着眼于在制板利用率、使用替代材料或叠层。这些习惯将能够为您节省成本,并打开与供应商的协商窗口。我相信,推动HDI的主要因素是产品尺寸(如手机或便携式设备),然后是功能(处理速度),这些将会推动HDI的要求和成本。当然,还有中间市场,在这个市场中,尺寸对产品来说并不重要。一些公司倾向于过度设计,以快速将产品推向市场,然后也不会像我们那样重新设计以节省成本。这是要由管理层在上市时间还是成本之间做出决定。有很多设计师,包括我们自己在内,随着技术的不断前进,正在更多地了解HDI。

Matties:我之前与一个设计师聊天时,他说:“我们绝不会使用无连接盘的导通孔,因为标准里面没有。”

Beller:客户们最关心可靠性。制造商喜欢HDI,是因为它解决了一些对准问题,而现在的东西都越来越小。有人告诉我们,他们会在未来产品中使用无连接的导通孔;只要对使用寿命来说是好消息的话,在某些情况下就会有所帮助。

Matties:如果能省掉孔环的话,就能节省很多空间,对吧?

Beller:的确是这样。

Matties我之前还不知道很多人会用它。其实我不明白为什么。

Beller:当讨论新的技术时,应该纵观全局。这对以前从未考虑过它的人来说是新的。在便携设备中使用无连接盘的导通孔,我第一个想到的问题是产品的稳定性。接下来,就是在制造过程中,有哪些合适的层压板不会在Z轴方向过度扩展,使得孔壁互连处有被拉伸的风险?同时,它也没有焊盘可以旋转。仍然需要考虑哪些情况合适,哪些情况不合适。

Matties:看起来如果希望在现有空间中添加更多功能,就必须走这条路。

Beller:比如说电源应用。如今的开关电源和处理器运行时发热非常厉害,以至于产品的热循环会严重破坏该区域的电路板。这就是为什么这些数据对于这类技术来说至关重要。

Matties:在你现在的职位上,与供应商打交道时,遇到的最大挑战是什么?

Beller:这个问题问得太好了。确实有几个挑战。我面临的最大挑战是让供应商使用并维护统计工艺控制(SPC)来控制板上的重要信号。我们会长久合作的供应商都会通过数据分析、工艺/质量改进和工艺开发,在我们的初始开发和样品开发基础上继续改进。他们已经认识到,在某些领域,使用SPC也是一项要求。许多专业人士表示,他们使用了这些步骤,并且最喜欢在有人参观的时候让大家看墙上的图表,但只有一些能从长期数据采集中受益。比如有些数据会指明钻孔的位置,以及在哪些地方可以节省劳动力。我的意思是,许多供应商使用SPC来追踪工艺窗口,但他们并不完全了解如何利用这些数据来提高良率,以及让他们能够生产更高规格的产品。

USB线或HDMI线就是一个很好的例子。就算某些线路上的阻抗不匹配,对用户来说也不是很明显。设计许多设备时都考虑到了一些差异(比如线缆损耗)。如果供应商在这些类型信号的工艺控制上有所偏移,它可能也不会像WiFi或蓝牙(RF)那样出现大问题。如果是蓝牙或WiFi的话,就会影响覆盖范围,或者续航时间(电池电量消耗更快)。作为供应商,不能仅仅只有一个全球高速规则,在5G时代,这将成为一个挑战。我在技术会议上都会花很大一部分时间来解释这为什么对于制造商客户来说至关重要。虽然我得到了他们的积极回应,但这种情况还是没有改变。这是到目前为止,我与消费品供应商打交道时遇到的最大挑战。

Matties:对于设计师来说,让他们负责信号完整性还是个新事物,对吧?

Beller:并不完全是。如今,做到这一点比以前更重要。集成已经解决了大部分这类问题,但是现在,一块板子中会集成更多的子系统,所以需要追踪更多的关键项目。在过去,设计师只需要同时关注一两块电路板,完成后才会进行到后面的一两个关键布局。在布局中和布局后,都是由工程师负责所有的SI功能。如今,一块主板上会包含多个子系统,这就造成系统的整体完整性变得复杂。噪声和较低的信号电平使得系统余量被消耗殆尽。如今,设计师的体验比以前好了太多。这些工具提高了复杂设计中的并行性,这样就能让追踪变得更加容易。

我们有时候会遇到的另一个挑战是板上可能有3个或4个不同的100欧姆线对。所有这些都需要达到差分100欧姆,但有些电路工程师为了节省时间,坚持不与其他工程师一同标准化其结构。这样的工程师可能会认为这种情况无关紧要,所以我们将供应商的IPQC(过程质量控制)阻抗检查量提高了3倍,因为在阻抗建模和调整中,可能出错的地方实在太多了。如果给他们机会的话,他们肯定会略过这些额外的检查!我相信这是当今设计师的责任:他们只需要动动手,就可以抓住提高可制造性的机会,从而提高产品的质量和良率。

Matties:我一直听说设计师和制造商之间的沟通不是特别好。对设计师来说,真正了解制造过程有多重要?

Beller:这么说吧,我总是建议PCB设计人员去线路板工厂前端和车间里都待一段时间。采购电路板和检查电路板质量的人员了解供应商的能力是非常重要的,但同时也必须了解供应商为了满足所有要求遇到的困难(使用标准化的材料,将层压板的性能数据包含到建模中,并了解一阶、二阶和三阶挑战之间的差异)。我的亲身体验是,看到这些线路板工厂为了满足设计师所需要规格所面临的如此之多的挑战,让我非常吃惊。了解这一点肯定会让设计师的工作质量高很多。工程方面与供应商方面同样重要。

Matties:采购电路板或聘请设计师时,应该问他们哪些问题?

Beller:如果是我招聘设计师的话,首先会问他们以下问题:解释一下这些术语;你对这个元件有什么了解?你对这种层压板有什么了解?如果供应商在生产过程中采用其他配比的树脂、改变层压板或更换半固化片以节省成本,会发生什么?如果我在不同的层上指定太多阻抗,会有什么挑战?我真的希望设计师们有这些经验,因为我们的行业在不断发展,频率也会越来越高。很久以前,过孔短柱(stub)并不是什么问题。现在,人们会进行背钻以缩短过孔短柱。5GHz?没什么问题,但在接下来的几年中,就会出现25GHz甚至频率更高的一些应用。这需要设计师们明白他们在干什么。

在采购线路板时,一定要对工厂进行审核,并在方便时采用突击审查。使用参考或经验基础以及成本来选择供应商。从当前客户那里获取参考资料并询问质量。谨慎购买合同制造商选择的电路板。合同制造商与供应商实际情况如何没有太大联系,但与成本联系密切。确保您的合同制造商审计供应商的频率合理。参与到质量报告中,不要害怕加入一些自己的要求,以监测正在制造的PCB质量数据。如果可以的话,保留两个供应商,让他们彼此竞标。

Matties:似乎北美的设计师老龄化比较严重。我认为,电气工程师也会开始做电路设计。因为你刚刚提到的原因,他们可能不会购买设计工具后马上就开始设计。

Beller:我认为这跟我们这几年讨论的人口老龄化问题是一样的。我们现在就是人口老龄化的一部分。如果新进的年轻设计师没有好的指导,或者不接受经验丰富的设计师的培训,就会出问题。我们需要找到一种更好的方式将高速、阻抗、射频、材料和工艺方面的专家,以及许多其他经验丰富并且极具天赋的人员的经验传授给这些年轻设计师,不管是通过展会、在线培训还是正式的课堂。针对如今的年轻专业人士,需要用上一些特殊的培训规则。我们整个行业都需要关注这个问题。

Matties:我们对于年轻的设计师如何进行培训,以保证推陈出新?

Beller:我认为,只有知道了如何种植玫瑰以后,才知道怎么样去掉花瓣会使它看起来更漂亮,对吧?劳动力中年龄较大的部分始终会存在,我有时也会发现自己说:“我们以前从来没有这样做过。”这并不总是正确的答案。事实上,这很少是正确答案。我认为,新旧混合会一直存在,因为20年的工作经历中学到的大量信息至关重要。如何将这些信息传授给快速行动、快速学习、习惯了在线培训的千禧一代?我认为,像设计师指南这样的产品即将推出,其中会有简短的文章,是非常好的移动培训方式和良好的信息来源。我也会把文章打印出来,或者转发到我的手机上,这样,在我的空闲时间或感觉能够集中精神阅读和学习的时候就能阅读它们。

Matties:那些工具本身呢?它们是否发展到了可以从中学到经验教训?例如自动化功能和设计规则检查。

Beller:我没有接触过现在的很多不同的设计工具。我们使用的是Mentor工具,并在需要时共享数据库。到设计这,就需要有足够的耐心了!我们使用的能让管理更方便的功能是让多个设计人员在同一个数据库中同时工作。我们认为这很有价值,它能设置板的权限区域,让设计师在各自领域中工作。这样使我们的设计能够更快进入市场。但是,现在看来,如果不购买第三方极其昂贵的解决方案,我们内部仍然没有全面的DFM工具。对于量大的设计部门来说,Valor是一个很好的工具,但我们需要的是费用不那么高的DFM工具。我们的组织决定不购买Valor,因为它需要我们增加一个劳动力,让他接受培训,只为了运行Valor,并且Valor的维护成本很高;对于量不大的设计部门来说,这是一个很高的入门成本。我们现在还是使用清单进行手动检查。我们有经验丰富的人员在设计周期中和完成设计后进行检查,但有时我们仍然会漏掉一些东西。虽然是手动的,但它基本上能达到目的。

Matties:做出这个决定的原因是你们的设计量不大还是其他因素?

Beller:有两个因素:首先是这笔开销并不是必要的,其次是我们与一些服务机构不同,设计并不十分多。每月拥有20~30项设计的服务机构和大公司可以从Valor工具中受益,成本均摊下来也比较合理。

Matties:必须衡量自己的具体需求。但无论如何,还是必须要有某种类型的DFM。

Beller:那肯定的。我们通过制造业了解到了很多合同制造商的DFM规则列表也并不完美。我们把设计交给他们,他们用Valor来检查,然后我们仔细查看了Valor的检查结果。我们发现其中很多响应都非常机械化,而且,根据检查后的设计制造出来的板,还是会出现很多本该被发现的问题。DFM检查器不不一定比专业人员更好。

Matties:接下来我们聊聊最佳实践吧。正如Happy Holden所说“工具上应该有一个红灯,一个绿灯和一个黄灯。”最佳实践,绿色就会亮起来,表明你做得很好。红灯代表着“你到底在做什么?”但是好像没有几种工具是这样的。

Beller:是的,就像检查整个加工工艺过程的在线检查一样。

Matties:我觉得可能最佳实践仍然比较主观。

Beller:是的。它还取决于你的目标市场。如果生产的是大批量低速消费级产品、大批量少品种产品,你完全不需要什么最佳实践,只需要让一个人在生产线的末端来处理设计问题。如果设计的问题很大,就会增加人工成本。但是如果是高规格的板子,那么就需要设计没有任何问题,因为不允许进行返工。如今,在大多数设计中,不可能有六到八个修改版本的时间,这样上市时间太长,需要在2个版本之内搞定。我们以前会进行6~8个版本的电路板试生产再投入批量生产,但现在需要控制在2~3个版本之内。

Matties:Happy提出的另一个观点是我们需要预测工程。在设计之前,我们要能够预测。在某些情况下,即使使用DFM检查,也会出现需要重新设计的情况。

Beller:举个例子,我们的一家国际化合同制造商有一个设计指南,它是一个矩阵,其中包含了电阻到电阻、电阻到电容、IC到电阻等基本元件之间的间距要求,其中有最小值、标准值和最佳值。其中,最佳值是每个元件到其他元件的距离为十分之一英寸,以便进行“维修”。除了较大元件(CPU / Flash等)有可能会需要进行返工外,这类元件完全不太可能需要返工,而且不现实。其中一些数字如果放在20年前是很有用的,但如今不再是那样了。我们尽量满足他们的要求,但每次运行Valor后,合同制造商都会回复给一张超长DFM列表。我们尝试让他们做出调整,但是想对机械化和古老的规则文件进行适当的修改非常困难。

Matties:你们的产品有遇到什么热管理问题吗?

Beller:在我们大部分设计中,有两个主要问题。一个是热管理,另一个是信号完整性。热量已经造成了一些紧凑型产品上市时间推迟,这就需要我们想出很多非常规的方法来解决这些问题。我们必须彻底改变设计,才能将处理器产生的热量散发出去;有些人称它们为散热器或散热片,而这些东西大多数都是定制的。随着处理器越来越小、越来越复杂,产生的热量也越来越多。当我们提高开关电源的功率时,它们也会变得更热。在一款小巧紧凑的产品中,不会有很多空气流动,热量会一直累积,直到产品过热。像如今的很多手机一样,玩10分钟就能感觉到它在发热了。热管理是我们产品中的重大问题之一。

Matties:那你们是如何应对的呢?你们使用了预测工程吗?

Beller:在过去的五年里,我们在预测方面有了长足进步。我们安装了热管理建模软件,然后输入产品中所有芯片的尺寸和温度范围。软件内置了层压板等其他材料的所有热特性。所有数据都输入后,我们就能看到哪些地方会出现热管理问题。我们使用这些数据来改变机箱通风、增加一个风扇(最坏的情况),或者使用一个更大的散热器来散发热量。

Matties:材料方面您有什么看法吗?现在关于铜箔市场的讨论很热烈,电池市场在大量消耗铜箔。电池用的铜箔标准较低,所以对供应商来说也更方便。

Beller:那我们来谈谈铜吧。这很简单。在过去一年中,铜价大幅上涨,几乎每个月都在创新高。我关心的是长期走势,而不仅仅是今年明年。如果我的理解没错的话,我得到的信息是采矿业会发生一些变化,供应链可能会出现滞后,导致铜短缺。这个问题会变得越来越严重,尤其是在中国转向电动汽车之后。加利福尼亚州已经在讨论要出台新的电动汽车要求了。电池用量会变得越来越大,采购人员们必须清楚这个情况。如果没有其他电池技术替代的话,一定会严重影响行业发展。到目前为止,我们还能保证层压板的供货,也没有严重的交货延迟现象。每季度的商业评论都会提到,铜箔价格将上涨5%~7%。现在,这还只是一个成本问题。幸运的是,我们的层压板生产商比其他供应商价格更好,所以价格提高不是特别明显。

Matties:最终还是用户来买单。

Beller:我们不能总是提高卖给客户的产品价格。

Matties:你们从卫星市场的转型很有意思,据我所知,现在很少有人安装卫星电视天线了。

Beller:是的,的确是这样。我们意识到了这块业务不断下滑,因为如今,在线内容之多,令人惊叹。我会观看很多在线视频,同时,还有一套卫星系统,两者都利用到了。我们知道它正在走下坡路,所以将很多技术投入到了Sling TV中。我们的产品涵盖了最成功的3款流媒体产品之一。在这方面我们已经做得很好了,现在我们将使用FCC授权的频率进入5G市场。我们计划与数家非常知名的合作伙伴共同开展基础设施建设工作,帮助我们建立一个能够支持我们正在设计的物联网产品的网络,其中,有一些已经在进行了。人们希望能够更快、更轻松、更便宜地获取互联网上的内容。我们将继续推进这项技术。

Matties:那真是太好了。采访的最后,你有什么建议想告诉年轻的设计师们的吗?

Beller:如果是我的话,我会尝试进入大公司或设计服务机构,在这些地方能够学到很多不同的设计经验。在我的经历中,这对我有很大的帮助。因为需要与许多不同的公司合作,我必须成为多面手,每天都不断学习新的东西,并与许多不同的工程师一起工作,采用各种不同的技术。尽可能加入拥有各种电源产品、高速产品的公司,其设计服务机构在这方面都做得非常不错。与其加入稍小的公司,每天接触到的都是同一类型的产品设计,还不如多花点时间找大公司并接受培训。网上有很多关于布局和设计的知识,可以先自学起来。获得你的CID评分,尽可能多获取多种工具的演示版本并熟练掌握,分析并了解不同工具的优势和劣势。如果仅会操作工具A,一旦你必须离开一家公司时而另一家公司使用的是工具B,如果你对工具B不熟悉的话,你成功的几率就会低很多。

Matties:有什么我们没有谈到的,而你觉得应该与行业分享的?

Beller:我与供应商合作,了解他们电路板制程能力的时间大概占整个工作时间的25%。我们不得不取消一些供应商的资格,因为他们不愿意按照我们的建议改进他们工厂的各种特性。我想说的是,不要觉得你的供应商只在幕后,要让他们知道如何做到最好。使用可以在网上找到的基本信息来审计供应商。开发一个专注于基本质量点,并确保供应商使用了SPC的PCB审厂计划。替他们着想,花些时间到他们的工厂里看看他们内部审核的内容。

供应链人员需要与供应商协同工作,如果你所在公司的供应链人员没有技术基础,那就和他一起去吧。一定要做到这一点,这样才能协助供应链人员,同时做到合作伙伴应该做的事情。要非常清楚你的供应商如何使用层压板、建模,以及他们对关键环节所做的工作。如今的设计师需要参与到制造商的整个前端流程中,这是非常重要的。

Matties:很好的建议。Les,非常感谢,今天非常高兴能采访到你。

Beller:谢谢你,Barry。

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#制造工艺与管理  #产品设计  #可制造性 

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