電路板設計、電子硬件產品原型設計

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

如果您的產品功能沒有大問題，您可能想直接設計定制PCB。 大多數開發產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的PCB技術，但它們僅限于簡單的設計。 因此，您可能需要外包PCB原型生產。 假設您不制造和組裝自己的 PCB，您將使用相同的流程來生產原型板并批量生產您的板。

PCB生產可概括為以下步驟：

該過程從由玻璃纖維環氧樹脂制成的疊片鐵芯開始。 它用作導電層之間的絕緣體，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。 大多數電路板將使用兩個、四個、六個或八個導電層。

通過激光在薄膜上繪制每個導電銅層的布局設計，并應用光敏化學“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 (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，包括任何孔的內壁。 所有裸露的銅表面均鍍有額外的銅。

現在裸PCB已經完成，下一步是放置和焊接所有電子元件。 機器人設備（稱為拾取和貼裝機）使用真空系統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品電路板設計和原型設計的基本準則。

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合在樣機中。 一旦你有了工程原型，你最終將擁有足夠品質的東西來展示給客戶和投資者。

現在是尋求外部投資者變得更加務實的時候了。 到此階段，您已經克服了大部分工程和制造風險。 投資者顯然喜歡這種風險降低。

對于我自己的硬件產品，現階段的產品開發都是我自己出資的。 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原型，但尚未經過測試或準備批量生產。

預生產原型

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

盡管預生產原型的外觀和功能可能與類似作品非常相似，但關鍵的區別在于可制造性。 在產品開發過程中，許多企業家低估了從原型遷移到可高效制造的產品所需的工作量。 制造多個原型與制造數百萬臺有很大不同。 在大多數情況下，需要大量額外的設計工作來準備大規模制造的設計。

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

3D打印和CNC加工是非常寬容的技術。 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。 注塑成型有非常嚴格的生產要求。 完成3D打印原型后，需要進一步升級注塑設計。

注塑成型：3D打印非常適合生產數十個零件。 然而，生產數百個零件是不切實際的。 最后，注塑成型對于產品外殼的批量生產是必要的。 毫不奇怪，注塑工藝從模具的創建開始。 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。

對于原型設計或早期生產，鋁模具通常是最佳選擇。 鋁模具通常成本數千美元，最多可生產約 10000 個零件。 當熱熔融塑料在高壓下注入模具時，模具形成兩半。 為了在零件中產生精細的細節，需要高壓。 塑料冷卻并固化后，打開模具并取出零件。

大多數設計都需要進行重大修改才能為注塑成型做好準備。 確保設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的產品。 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......從原型到大規模制造的轉變是將新硬件產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）。 此測試階段重點關注電子產品。 EVT 期間通常會測試 10-50 臺設備。 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 的目標是驗證您的原型是否滿足功能、性能和可靠性規范。

設計驗證測試（DVT）

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