電路板設(shè)計、電子硬件產(chǎn)品原型設(shè)計

如何開始對產(chǎn)品的電子元件進行原型設(shè)計取決于您想要回答的問題。 每次創(chuàng)建新原型時，您都應(yīng)該明確定義原型應(yīng)回答的問題。 如果您對您的產(chǎn)品是否有效，或者是否能解決預(yù)期問題有廣泛的疑問，您應(yīng)該開始使用基于開發(fā)套件早期類似作品（例如 Arduino 或 Raspberry Pi）的原型。

如果您的產(chǎn)品功能沒有大問題，您可能想直接設(shè)計定制PCB。 大多數(shù)開發(fā)產(chǎn)品的大公司都是從定制 PCB 開始的。 這是最快的上市方式，盡管它可能不是最便宜的。 定制PCB的原型設(shè)計包括兩個步驟：制作裸PCB和焊接所有元件。 我們將分別討論每個過程。

盡管有用于家庭生產(chǎn)的PCB技術(shù)，但它們僅限于簡單的設(shè)計。 因此，您可能需要外包PCB原型生產(chǎn)。 假設(shè)您不制造和組裝自己的 PCB，您將使用相同的流程來生產(chǎn)原型板并批量生產(chǎn)您的板。

PCB生產(chǎn)可概括為以下步驟：

該過程從由玻璃纖維環(huán)氧樹脂制成的疊片鐵芯開始。 它用作導(dǎo)電層之間的絕緣體，并為電路板提供物理強度。

單面板由疊片芯和一側(cè)的銅層組成。 雙面面板由每面都有銅層的疊片芯組成。 多層板由交替的銅層和疊片芯層組成。 大多數(shù)電路板將使用兩個、四個、六個或八個導(dǎo)電層。

通過激光在薄膜上繪制每個導(dǎo)電銅層的布局設(shè)計，并應(yīng)用光敏化學(xué)“抗蝕劑”。 然后將銅層暴露于穿透薄膜的高強度紫外線下。 該光使焊盤上的所有銅跡線和抗蝕劑層變硬。

然后用化學(xué)溶液處理銅層，以去除任何未被紫外線硬化的抗蝕劑層。 這僅在所需的銅跡線和焊盤上留下硬化的腐蝕抑制劑材料。 然后用另一種化學(xué)品去除未被抗蝕劑覆蓋的任何暴露的銅。 然后去除硬化的抗蝕劑層，僅留下形成跡線和焊盤所需的銅。

接下來，使用層壓工藝將所有層粘合在一起形成堆疊 PCB。

在 PCB 疊層上鉆孔，形成通孔，用于連接不同層上的信號。 通孔組件中的所有孔也需要鉆孔。 然而，通常最好僅使用表面貼裝技術(shù) (SMT) 組件，以最大限度地降低焊接成本。

然后，銅沉積在所有暴露的金屬表面上，包括任何孔的內(nèi)壁。 所有裸露的銅表面均鍍有額外的銅。

現(xiàn)在裸PCB已經(jīng)完成，下一步是放置和焊接所有電子元件。 機器人設(shè)備（稱為拾取和貼裝機）使用真空系統(tǒng)拾取元件并將其精確地放置在 PCB 上。 焊膏（焊料和助焊劑的粘性混合物）用于臨時固定零件。

最后，電路板通過回流爐熔化焊膏，在元件和PCB焊盤之間形成永久的電氣連接。 電路板組裝和電路板加工制造商講解電子硬件產(chǎn)品電路板設(shè)計和原型設(shè)計的基本準(zhǔn)則。

工程樣機

工程樣機（有時也稱為類似工程的外觀樣機）是第一次將外觀與功能結(jié)合在樣機中。 一旦你有了工程原型，你最終將擁有足夠品質(zhì)的東西來展示給客戶和投資者。

現(xiàn)在是尋求外部投資者變得更加務(wù)實的時候了。 到此階段，您已經(jīng)克服了大部分工程和制造風(fēng)險。 投資者顯然喜歡這種風(fēng)險降低。

對于我自己的硬件產(chǎn)品，現(xiàn)階段的產(chǎn)品開發(fā)都是我自己出資的。 我用我的原型讓一家大型全國零售商對我的產(chǎn)品感興趣。 從那時起，我利用這一成功找到了愿意為剩余原型階段提供資金的制造商。

工程原型接近批量生產(chǎn)原型，但尚未經(jīng)過測試或準(zhǔn)備批量生產(chǎn)。

預(yù)生產(chǎn)原型

這是外觀相似的原型，已針對制造進行了優(yōu)化。 這非常接近您的客戶將看到的最終產(chǎn)品。 在大多數(shù)情況下，如果產(chǎn)品將通過零售店銷售，則還應(yīng)包括零售包裝。

盡管預(yù)生產(chǎn)原型的外觀和功能可能與類似作品非常相似，但關(guān)鍵的區(qū)別在于可制造性。 在產(chǎn)品開發(fā)過程中，許多企業(yè)家低估了從原型遷移到可高效制造的產(chǎn)品所需的工作量。 制造多個原型與制造數(shù)百萬臺有很大不同。 在大多數(shù)情況下，需要大量額外的設(shè)計工作來準(zhǔn)備大規(guī)模制造的設(shè)計。

例如，在制作產(chǎn)品外殼原型時通常會使用3D打印或CNC加工。 對于大規(guī)模制造，將采用高壓注射成型來生產(chǎn)外殼。

3D打印和CNC加工是非常寬容的技術(shù)。 您可以制作幾乎任何可以想象到的塑料形狀的原型。 注射成型則不是這種情況。 注塑成型有非常嚴(yán)格的生產(chǎn)要求。 完成3D打印原型后，需要進一步升級注塑設(shè)計。

注塑成型：3D打印非常適合生產(chǎn)數(shù)十個零件。 然而，生產(chǎn)數(shù)百個零件是不切實際的。 最后，注塑成型對于產(chǎn)品外殼的批量生產(chǎn)是必要的。 毫不奇怪，注塑工藝從模具的創(chuàng)建開始。 模具是由金屬制成的，金屬的硬度決定了模具的使用壽命和成本。

對于原型設(shè)計或早期生產(chǎn)，鋁模具通常是最佳選擇。 鋁模具通常成本數(shù)千美元，最多可生產(chǎn)約 10000 個零件。 當(dāng)熱熔融塑料在高壓下注入模具時，模具形成兩半。 為了在零件中產(chǎn)生精細(xì)的細(xì)節(jié)，需要高壓。 塑料冷卻并固化后，打開模具并取出零件。

大多數(shù)設(shè)計都需要進行重大修改才能為注塑成型做好準(zhǔn)備。 確保設(shè)計你的外殼的人了解注塑成型，否則你最終可能會得到一個可以是原型但無法批量生產(chǎn)的產(chǎn)品。 擁有一個功能齊全、工作正常、外觀相似的原型機是一項偉大的成就，所以一旦你達到了這個里程碑，請拍拍自己的背！

但不要太興奮......從原型到大規(guī)模制造的轉(zhuǎn)變是將新硬件產(chǎn)品推向市場的最被低估的步驟之一。

工程驗證測試（EVT）

完成項目原型后，您可以開始測試它以驗證它是否完全按照指定方式工作。

該測試的第一階段稱為工程驗證測試（EVT）。 此測試階段重點關(guān)注電子產(chǎn)品。 EVT 期間通常會測試 10-50 臺設(shè)備。 EVT將包括測試基本功能，同時也會進行各種壓力測試，以確保不存在隱藏問題。 這包括功率、熱和 EMI 測試。 EVT 的目標(biāo)是驗證您的原型是否滿足功能、性能和可靠性規(guī)范。

設(shè)計驗證測試（DVT）

設(shè)計驗證測試 (DVT) 是最復(fù)雜的階段之一。 目的是確保產(chǎn)品符合任何必要的外觀和環(huán)境規(guī)范。 與EVT階段相比，所需的單元數(shù)量要多得多，通常為50-200單元。 這些設(shè)備將接受非常嚴(yán)格的測試，包括跌落、防火和防水測試。 設(shè)計驗證測試的主要目標(biāo)之一是驗證產(chǎn)品是否足夠耐用以承受日常使用。 這通常也是獲得電氣認(rèn)證的階段。 這包括 FCC、CE、UL 和 RoHS 認(rèn)證。