浅析车灯电子单元成本优化方向及方法

王艳光

摘 要：近几年汽车行业迅猛发展，汽车电子单元在汽车上的比重越来越大，车灯零部件也是如此，而且其成本价格也是一直高居不下。作为一名非电子专业的优化工程师，如何进行电子设计优化，如何做好电子方面的降本工作，也成为工作中的重中之重。在保证电子原理设计满足客户的前提下，单从电子单元本身可视化的角度进行降本也是行之有效的降本方式，本文我们就从电子单元组件优化方向及方法做出简要概述。

关键词：电子组件;拼版利用率;铜层增厚法;单元功能板拼凑法

一般电子组件都是由布置好线路的PCB加上后续贴片的电子器件组成，如果因为应用环境的特殊要求，还可能有导热胶，散热片等其他辅助零部件。电子组件的成本除了本身所占用的材料价值，还有就是为其生产的设备投资。我们先从材料本身分析其成本优化的方向和方法。

1PCB 基材及铜层增厚法

1.1 PCB基材在车灯中的应用

PCB即Printed Circuit Board 的简写，中文名称为印制电路板，又称印刷电路板。通常按板子应用来分类有单面板、双面板、多层板。

单面板是最基本的PCB，其导线及贴片零件集中在单面，由于单面板在设计上受到面积的限制，因此多半仅能用于简单的线路，车灯的电子线路板很少使用这种板子。如果客户要求不是很苛刻，尾灯位置功能板，我们可以考虑使用单面板来降低电子成本。

双面板则是上下两层都有导线，之间是透过导通孔来使上下层的导线得以相互连接。因此同样尺寸的双面板，会比单面板多了一倍的导线设计面积，也可解决单面板中因为导线交错而产生较多电磁干扰的难题，因此适合于较复杂的电路设计使用。双层板是车灯线路板应用的主流，几乎全部的尾灯及前灯上的信号灯都使用此板。我们后面都是以双面板为例来说明各种优化方式。

多层板则是将单、双面板结合在一起使用，可增加更多的布线面积。车灯中较多驱动板或者是远近光功能板会使用到此类型的板子。

另外依照软硬度来分类，则是可以分为硬性电路板、软性电路板、软硬结合板。硬性电路板的厚度通常由0.2mm一直到2.0mm不等，而软性电路板则通常为0.2mm。软性电路板的出现，主要在于空间的复杂而且有限，因此需使用可弯折的PCB方可达成空间的要求，随着主机厂越来越酷炫的信号灯造型，软板的应用在未来也会越来越多。但是因为软板的成本比硬板高出很多，为了控制电子成本，应尽量使用硬性PCB为主。

1.2 铜层增厚法

硬性电路板的材料在车灯中的应用主要有FR4（玻璃纤维环氧树脂覆铜板），IMS（铝基板），铜基板及铜-FR4，选择哪种电路板，主要取决于客户的对灯内和灯外的温度要求。因为贴片在PCB上的LED对热非常敏感，当工况下的PCB或周边的温度高于LED的结温时，LED的性能会急剧地下降，为了保证LED光学性能的稳定输出，我们必须在承载LED的PCB上做好热传递的设计。不同基材的PCB本身传递热量的速度不一样，如果实验要求苛刻，我们还附加导热胶和散热片与PCBA一起来降低LED附近的温度。才能满足客户的要求。现以某车型位置灯功能为例，使用最普通的FR4两层板加导热胶和散热片来分析铜层增厚法对成本的影响，如下图所示：

最开始设计定义铜层厚度为35um的FR4两层板，附加80克的压铸式散热片。结果经过成本核算后我们发现整个PCB的成本占到了此功能的总成本的60%左右，整个功能成本也超出项目预算20%， 经过我们的分析，我们从如下方向给出建议：

（1）保持原来PCB板不动，改用冲压式散热器与PCB一起辅助散热。

（2）保持PCB两层板，增加板内铜层的厚度到70um/105um，取消散热片。

（3） 保持PCB两层板，增加板内铜层的厚度到105um，取消散热片。

（4）由两层板增加到四层板，取消散热片。

图表如下：

很明显，想法4不满足我们的降本要求，直接取消。然后把其他想法发送给对应部门去做结构变动分析和热模拟分析。最终评定结果是增加铜厚厚度到70?m附加冲压式散热片，既符合要求并且也实现了降本的目的。

铜层增厚法在切换压铸式散热片到冲压式散热片时是一个比价有价值且切实可行的方法。PCB成本看似有略微增加，但是从整体的PCBA组件来讲，成本是下降的。

2 PCB 拼板利用率及形状优化

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积占使用面积的百分比。这里我们赋予拼板尺寸来定义PCB拼板的计算公式。设定大板的尺寸为XY，小板的尺寸为xy，单元功能板为ab。

大拼板利用率= 单个小拼板有效面积xy*在大拼板内的个数N/大拼板使用面积XY

小拼板利用率=单元功能板有效面积ab*单元功能板在小拼板内的个数n/小拼板使用面积xy

通常大拼板XY的尺寸在市场上是固定的，常规尺寸有914*1219，1016*1219，1066*1219。特殊尺寸的大拼板，我们这里不做介绍，因为特殊要求的板材尺寸会涉及到PCB供应商要按照这个特殊的尺寸去重新为客户定义分割时的固定夹具及人工调整工时。产生的额外成本基本上对于我们通用的案例来讲是得不偿失的。小拼板的尺寸xy由我们来定， xy的尺寸决定了小拼板在大拼板的数量N。

2.2 如何提高小拼板在大拼板的利用率

通过大板的常规尺寸，我们知道，大板的宽度X是固定的，长度Y 是可变的，因此小板宽度x或者y的尺寸定义满足在大拼板X方向的百分百利用是最好的。如图左侧的小拼板布置后，大拼板右侧会有浪费的面积，这部分被浪费掉的地方，PCB厂家是不会自己买单，这部分钱就会被平摊到每张小板上，这样每张PCB板子价格就会上去。但是如图右侧两种排布，一种是如果大板X的尺寸不变，我们微调减小小拼板宽度x的值，适当增加打拼Y方向的长度。另一种是旋转调整小拼板放置。适当减少加大拼板Y方向的数值，我们都能得到较好的拼板利用率。

上述是小板和大板之间利用率的优化方式。这种方式的关键在于大拼板X与小拼板x的设定。根据经验，通常预定义小拼板的宽度x的尺寸为248mm既有利于生产，还可以得到比较优化的大拼板利用率。

2.3 如何提高单元功能板在小拼板上的利用率

2.3.1 单元功能板尺寸微调优化

單元功能板和小拼板的形状不同，小拼板都是规则的四边形，而单元功能板即我们每个车灯里面被赋予各个功能的光学驱动单元。都是根据客户的造型及要求来设计每个功能板的形状及尺寸。这里面因为每个设计者的想法不同，功能板的大小和形状就会有千差万别的不同。例如某功能电子拼板设定如图所示：

小拼板上一共可以放置4个单元功能板，小拼板的尺寸是250*218，通过上面的分析我们知道，当小拼板的宽度尺寸超过248时，它在大拼板上的利用率就会变得很低，从数据上看，小拼板的宽度尺寸超出不多，那么我们就应该考虑是否可以优化此功能板，结构与实际和电子的协调沟通，我们微切了功能板的上下左右板材，优化了单元功能板的尺寸，让小拼板的宽度尺寸控制在了248mm。优化结果如下：

此方法最大的局限在于PCB的大致形状和面积都很难大改动，因为形状由车灯的内部空间及光学造型限定。而功能板的面积大小又跟热学息息相关。所以更多时候的微调都是在尺寸相差不是太大的时候才有机会得以实现。但是微调的意义很大，往往只是几毫米或者十几毫米的形状尺寸就对利用率成本产生较大的影响。所以在PCB成本优化流程中，这一步一定要进行尺寸模拟，是不可缺少的环节。

2.3.2 不同单元功能板拼凑法

当单功能板的形状非常不规则，如果优化和布置都不能在小拼板上得到较高的利用率时，我们就要考虑不同功能板拼凑优化方法。拼凑法的前提是PCB的基材相同。然后把几种不同的板子拼凑在一起来提高小拼板利用率的一种方法。如某两个车型尾灯，分别有3-4块不同功能的PCB 单元，形状各异，最开始我们将每个单元单独放在小板上，经过多轮优化，得到的利用率都很低，后来我们改用拼凑优化方式，得到了很好利用率。如图所示。

拼凑法是我们在尾灯PCB生产时提高利用率比较有效的一种方法。这种方法的好处不仅仅是提高利用率，同时也节约了生产PCB单元的设备投资。我们都知道，一个单功能板在小拼板上的布置，就意味着生产的时候都要对应的夹具和测试设备，四个功能，就需要投资4套对应的设备，可是如果我们把四个功能板布置在一个小拼板的时候，我们只需要投资一套辅助生产设备，大大节约了项目的一次性投资成本。

3 PCB设计优化降本

3.1 同功能车灯左右PCB共用法

常规设计，左右侧灯里面的零件都是对称的（mirror），PCB 也不另外。左右对称的PCB，设计可以不需要额外计算工时，但是生产PCBA 时的测试所需要的工装夹具都需要双倍投资。因此如果PCBA 设计可以左右共用，我们可以节约这一部分投资。为了满足上述的要求，需要我们在设计的过程中对PCB的形状，以及LED光源的位置定义，以及固定PCB板时的螺钉位置对内部线路的影响都要做出相应的设计。

4 总结

铜层增厚法，虽然PCB成本略有提高，但是取消了散热片，整体成本是下降的;小拼板宽度x固定，长度y随机调整提高大拼板利用率需要客户与供应商的协调沟通;PCB外形微调整比较适合正好利用率在关键微小尺寸的时候。如果可以优化，提高利用率的效果比较明显;不同PCB拼凑法提高利用率适用于形状各异的功能板，虽然拼凑时工作量比较大，但是对整灯的所以功能板提高利用率的效果较为突出，而且对降低一次性设备投资非常有效。同功能左右灯PCB共用方法。设计前就需要考虑好形状，固定方式。如果可以实现，对设计周期和一次性设备投资都有较好的降本效果。综上这些方法虽然都不是很专业的电路设计优化，但是对电子降本都有比较明显的效果，尤其对不懂电路设计专业知识的人员都可以熟练掌握和使用。设计优化，不仅仅是设计细节和概念的优化，还要考虑在其生产中的各种可能。不管怎么样，优化降本是我们一直要持续下去不可缺少的流程。希望本文的介绍能为降本贡献个人力量。