Часть 1 – От концепции до прототипа
Решили впервые выйти на рынок с собственным электронным устройством? Хотите импортозаместить оборудование, но не знаете, с чего начать? Мы подготовили для вас пошаговый план, который кратко рассказывает обо всех этапах разработки и производства электроники и поможет сориентироваться в некоторых нюансах и технологических аспектах этого процесса.
Эта статья – первая часть нашего масштабного эссе. Здесь мы говорим обо всех шагах, которые предшествуют серийному производству электронных устройств, и о том, что необходимо помнить, готовясь к такому ответственному шагу, как выпуск своего продукта.
Формирование концепции продукта
Процесс разработки продукта начинается с формирования четкой концепции. Анализ рынка и конкурентов позволяет определить позиционирование продукта, выделить его уникальные преимущества и составить детальный портрет целевой аудитории. Это необходимо для того, чтобы создать продукт, который действительно будет востребован на рынке.
Важно помнить: Разработать, произвести и выпустить на рынок электронное устройство или программно-аппаратный комплекс без качественно проработанной концепции невозможно. Вся затея может обернуться зря потраченным временем и средствами.
Организация процесса
Если у вас нет своих производственных возможностей, то организовать полный цикл разработки и коммерческого выпуска электроники можно несколькими способами.
Вы можете выполнить проектирование прототипа самостоятельно или передать разработку на аутсорс, а затем найти площадки для дизайна и производства корпуса и изготовления плат. Организационные вопросы, коммуникация с подрядчиками, мероприятия, связанные с сертификацией и управление цепочками поставок ложатся на вас.
Есть и другой вариант: вы доверяете одной компании-подрядчику весь процесс от проектирования и подготовки конструкторской документации до упаковки, логистики и поставки готовых изделий.
Мы в КЕДР Solutions готовы помочь при любом выбранном вами варианте. Можем выполнить разработку аппаратной части и программного обеспечения, поможем в выборе производственных мощностей. Имеем налаженные связи с проверенными поставщиками электронных компонентов и много лет сотрудничаем с надежными производителями корпусов и электроники в России и Китае.
Мы можем взять на себя весь процесс от А до Я – от составления технического задания до доставки готовых изделий на ваш склад, – предоставив вам возможность сконцентрировать внимание и усилия на других аспектах бизнеса.
Важно помнить: Разработка электронного устройства по индивидуальным требованиям не может стоить дешево. Труд высококвалифицированных специалистов, изготовление и тестирование прототипов и единичных партий устройств – вот из чего складывается стоимость разработки. Потом, когда устройство выйдет в серию, фиксированные затраты на единицу продукции снизятся, но на этапе разработки и тестирования прототипов расходы могут быть достаточно высокими.
Регистрация товарного знака
Товарный знак (словесный, изобразительный и т.д.) нужен для того, чтобы индивидуализировать продукт, сделать его узнаваемым, повысить доверие пользователей и защититься от конкурентов. Если ваше электронное устройство будет выпускаться под новым названием, имеет смысл как можно раньше подумать о его регистрации в Роспатенте.
Процедура эта не обязательная, но очень важная, если вы хотите защитить свою интеллектуальную собственность и обеспечить долгосрочный успех своего электронного устройства на рынке. Так что лучше потратить на нее время и деньги.
Важно помнить:
- Товарный знак регистрируется на определенный класс товаров в соответствии с Международной классификацией товаров и услуг (МКТУ).
- Процедура регистрации бренда может занять некоторое время.
- Для регистрации необходимо провести тщательную проверку на сходство с уже зарегистрированными товарными знаками.
- Право на товарный знак действует 10 лет, после чего его нужно регистрировать повторно.
Формирование технического задания
Техническое задание (спецификация) содержит информацию о будущем устройстве, а именно:
- Функциональные требования поясняют, что должно делать устройство, для чего предназначено, в какой сфере и как будет использоваться. Описываются аналоги, и чем новое устройство будет отличаться от них.
- Нефункциональные требования не относятся к описанию набора опций устройства, но определяют его взаимодействие с внешней средой – способы передачи данных, необходимость дисплея, наличие периферии, тип источника питания, габариты и размеры платы и др.
- Эксплуатационные условия описывают значения температуры, влажности, давления, вибрации и характер среды (например, наличие агрессивных веществ), при которых устройство должно стабильно функционировать.
- Сертификационные требования задают жесткие рамки для разработки устройства, определяя его характеристики, состав компонентов и условия эксплуатации. Определение этих требований на ранней стадии проекта существенно сокращает риск того, что уже после начала разработки в конструкцию потребуется внести значительные изменения. Подробнее о сертификации расскажем далее.
Развернутая спецификация как часть проектной документации может включать в себя диаграмму Ганта с календарным планом, детальную оценку проекта в человеко-часах, соглашения, риски и результаты проекта.
Качество технического задания напрямую влияет на правильность оценки длительности и стоимости проекта и на результат разработки. Чем детальнее и точнее описаны требования к продукту, тем быстрее и эффективнее пройдет процесс создания решения и тем меньше расхождений будет плановых цифр с фактическими.
Если у вас есть четкое видение будущего продукта и технические знания, вы можете самостоятельно подготовить детальное ТЗ. Но разработчик все равно будет вносить необходимые коррективы и предлагать оптимальные технические решения, так как выбор программных инструментов, элементной базы происходит после получения ТЗ от заказчика.
Если у вас есть только концепция продукта и минимальное ТЗ, разработчики помогут сформировать полную и детальную спецификацию. Мы определим необходимые функциональные и нефункциональные требования, подберем оптимальные технологии и согласуем все детали с вами.
Для разработки некоторых устройств, скажем, медицинских приборов, нам требуется от заказчика тщательно подготовленный документ с описанием всего функционала устройства, касающегося медицинской части.
Важно помнить: В некоторых случаях, когда проект сложный, масштабный или предполагает доработку существующего решения, разработку устройства по образцу, этапу основного проектирования может предшествовать исследование. В ходе таких мероприятий определяются возможные подходы к разработке, подбираются наиболее подходящие компоненты.
Проектирование, подготовка конструкторской документации
Проектирование печатной платы, как правило, включает в себя следующие этапы:
- Подбор компонентов и формирование их перечня – bill of materials, или BoM. Разработка принципиальной схемы.
- Разработка топологии печатной платы – детальной визуализации электрической схемы, сделанной в программе САПР. На основе принципиальной схемы создается чертеж, определяющий точное расположение компонентов, токопроводящих дорожек, посадочных мест и переходных отверстий, при этом учитываются электромагнитная совместимость, терморегуляция, технологичность и надежность.
Иногда до проектирования печатной платы нам требуется создать макет, с помощью которого можно проверить концепцию, убедиться, что компонент или технология будут работать корректно. Время, потраченное на проверку гипотезы, всегда окупается, так как мы выявляем и устраняем различные проблемы до производства прототипа и можем избежать серьезных доработок.
После прохождения всех этапов проектирования и тщательной проверки, файлы печатной платы в формате Gerber направляются на производство, где изготавливают плату и монтируют электронные компоненты.
Чтобы прототип электронного устройства можно было производить серийно, разработчики электроники учитывают технологии производства и сборки уже на этапе проектирования, придерживаясь принципов Design for Manufacturing (DFM) и Design for Assembly (DFA).
Они включают в себя следующее:
- Учет производственных ограничений: Проектирование с учетом возможностей производственного оборудования и технологий.
- Снижение сложности: Упрощение конструкции, использование стандартных компонентов, модульность.
- Оптимизация материалов: Выбор доступных и легко обрабатываемых материалов.
- Улучшение сборки: Удобные соединения, логичная последовательность сборки.
- Повышение ремонтопригодности: Модульная конструкция, доступные запасные части.
- Улучшение тестируемости: Легкий доступ к контрольным точкам, самодиагностика.
При таком подходе не нужно тратить время и средства заказчика на адаптацию прототипа к производственным процессам. Это позволяет снизить себестоимость продукта, а также повысить его качество и ремонтопригодность.
Конструкторская документация (КД), которая готовится на этом этапе: принципиальная электрическая схема, трассировка платы и BoM.
Пока плату монтируют на фабрике, разработчики готовят план испытаний, который может включать подготовку тест-кейсов, выбор методов тестирования, изготовление испытательных стендов и написание специальной прошивки для тестирования.
Важно помнить: Разработка электронного устройства – довольно продолжительный процесс, особенно, если речь идет о сложной системе с множеством функций. Необходимо время на проектирование платы и создание ПО, на тестирование прототипа, даже есть качественно подготовленное ТЗ и, например, аналогичное решение.
Проектирование корпуса
Разработка электронного устройства – это не только проектирование печатной платы. Корпус играет не менее важную роль. Его размер, форма, материал влияют не только на внешний вид и удобство использования устройства, но и на его функциональность и надежность.
Материал корпуса должен обеспечивать эффективное отведение тепла, чтобы предотвратить перегрев электронных компонентов, а также не должен создавать помех для радиосигналов. Если корпус небольшого размера или сложной формы, то нужно потрудиться, чтобы разместить на плате все необходимые компоненты.
Поэтому оптимальным подходом является одновременное проектирование корпуса и платы. При этом следует начинать с определения требований к корпусу, таких как размеры, форма, материал, способ крепления и т.д. Затем, исходя из этих требований, проектируется печатная плата. Такой подход позволяет минимизировать количество переделок и получить устройство, которое соответствует всем заданным требованиям.
Важно помнить: В некоторых случаях мы придерживаемся иных подходов к разработке корпуса. Если его дизайн не столь важен и к нему предъявляются минимальные требования – форм-фактор, габариты и отведение тепла, то проектировать корпус можно начать после дизайна платы. Необходимость в корпусе может вообще отсутствовать, например, когда устройство является модулем более крупной системы и располагается в общем для всех блоков корпусе.
Производство и тестирование прототипа
Получив первый прототип, мы приступаем к его тестированию. Первоначальный запуск позволяет убедиться в работоспособности решения. Последующие испытания направлены на подтверждение того, что устройство полностью соответствует всем заявленным характеристикам. Обнаруженные отклонения от технических требований тщательно фиксируются и анализируются для внесения необходимых изменений.
Для проверки электроники мы применяем разнообразные методы: от визуального осмотра до сложных лабораторных испытаний и компьютерного моделирования. Когда требуется, создаем специальные стенды и проводим полевые тесты.
Как правило, для устранения всех недостатков нужно несколько итераций. Даже после исправления критических проблем могут обнаружиться менее значимые недочеты. Чтобы ускорить процесс, параллельно проводятся сертификационные испытания.
Параллельно с разработкой аппаратной части идет создание программного обеспечения. Это прежде всего встроенное ПО – прошивка, а также, в зависимости от проекта, может потребоваться системное ПО (драйверы, утилиты, СУБД и т.д.) и приложения.
Документация, которая готовится при разработке программного обеспечения:
- Исходный код и документация на разработанное ПО;
- Бинарный файл прошивки.
Программное обеспечение также многократно тестируется. Проверка встроенного ПО – трудоемкий процесс, особенно при возникновении плавающих неисправностей в прошивке. Программное обеспечение проходит многократные испытания на всех этапах разработки. При отсутствии необходимого оборудования используются удаленное подключение или программные эмуляторы. Тест-кейсы разрабатываются с учетом специфики каждого проекта.
Успешное тестирование – это результат совместной работы разработчиков и заказчика. Ваше глубокое понимание специфики эксплуатации позволит провести проверку в условиях, максимально приближенных к реальным. Особенно это актуально, когда устройство интегрируется в более сложную систему.
После тестирования мы готовим отчеты об испытаниях, которые могут понадобиться для некоторых видов сертификации изделия.
Важно помнить: Изменение требований на этапе прототипирования может повлечь за собой серьезные последствия: от замены отдельных компонентов и внесения изменений в ПО до полной переработки устройства. Это может значительно увеличить сроки и стоимость проекта. Чтобы избежать таких ситуаций, необходимо тщательно проработать все требования на этапе проектирования.
Сертификация
Электроника серийного и массового производства подлежит сертификации. Необходимо подтвердить, что устройство безопасно для потребителей и не создает электромагнитных помех другим устройствам.
Не стоит начинать серийное производство до получения всех разрешительных документов, т.к. конструкция изделия может претерпеть некоторые изменения, а значит, производство придется перенастраивать заново.
Сертификация продукции, предназначенной к реализации на территории РФ, проводится в соответствии с требованиями технических регламентов ТС/ЕАЭС, основные из которых:
- ТР ТС 004/2011 “О безопасности низковольтного оборудования”;
- ТР ТС 020/2011 “Электромагнитная совместимость технических средств”;
- ТР ЕАЭС 037/2016 “Об ограничении применения опасных веществ в изделиях электротехники и радиоэлектроники”;
Соответствие требованиям подтверждается сертификатом соответствия или декларацией о соответствии. Постановление Правительства РФ от 23.12.2021 №2425 определяет перечень товаров, которые нужно декларировать и сертифицировать.
Для возможности участвовать в госзакупках ваш продукт должен быть в Едином реестре российской радиоэлектронной продукции (ЕРРРП) Минпромторга. Для этого нужно получить в данном ведомстве заключение о том, что ваше устройство произведено в России. Подтверждающими документами для выдачи заключения служат либо акт экспертизы, либо сертификат о происхождении товара формы СТ-1.
Подробнее обо всех аспектах сертификации и документах, которые содержат нормативные требования и порядок проведения процедур, читайте в нашей статье “Сертификация электроники в России”.
Когда устройство сертифицировано, можно переходить к серийному изготовлению.
Важно помнить: Промышленная, медицинская и другая специализированная электроника имеют индивидуальный порядок сертификации. Например, электронные устройства медицинского назначения подлежат обязательной государственной регистрации. Чтобы получить регистрационное удостоверение, нужно протестировать устройство в аккредитованных лабораториях. Сертификация медицинского оборудования проводится на добровольной основе.
Финальная корректировка КД
На финальном этапе разработки мы должны убедиться, что устройство готово к серийному производству – отвечает всем требованиям заказчика и выполняет все функции.
Мы пишем тестовую прошивку для того, чтобы на фабрике могли проверить работоспособность устройств. Если требуется, подготавливаем программное обеспечение для тестовых стендов. По просьбе заказчика можем подготовить инструкции, руководства и другие обучающие материалы.
Передача в производство
По завершении разработки мы передаем на фабрику документацию, необходимую для серийного производства:
- BoM;
- Проект платы в формате Gerber;
- Инструкции по тестированию устройств на фабрике;
- Тестовую прошивку и/или ПО для испытательных стендов.
На этом заканчивается пул работ, связанных с разработкой и тестированием прототипа. В нашей следующей статье мы расскажем о том, как электронные устройства производятся на фабрике, какие сложности могут быть в ходе этого процесса, что нужно учесть, чтобы серийный выпуск и последующие этапы прошли гладко.
Обратившись в КЕДР Solutions, вы можете получить весь спектр услуг, касающихся разработки и выпуска электронного устройства – от консультации и оценки концепции до разработки и производства под ключ с доставкой партии на ваш склад. Выбирая любой вариант сотрудничества, вы можете быть уверены в высоком профессионализме, ответственном подходе и внимании к деталям проекта.