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基于作业成本法视角的SMT制造成本分析
  2022-09-05      701

文章来源:SMT技术网

摘要:

    随着我国家用电器行业不断向高端化、智能化方向拓展,电子零部件在家用电器中的应用范围不断扩大。印刷电路板(PCBA)在家电产品中的电源控制模块、交互界面模块有着广泛应用。对于研发人员和采购人员来说,如何评估以PCBA为代表的电子零部件成本显得越来越重要。本文站在 ABC 作业成本法的视角,以分析表面贴装技术(SMT)的制造成本为切入点,介绍了如何运用成本分析的工具进行电子零部件的制造成本分析。在新项目开发过程中,为技术开发人员和采购人员评估电子零部件成本介绍了一种新的方法。

关键词: 作业成本法、DFC、成本分析、印刷电路板、表面贴装技术 

01引言

    自2020年开始,随着中美贸易摩擦、新冠疫情大流行等一系列黑天鹅事件发生,电子零部件的全球供应链平衡体系被打破。以大规模集成电路(IC)为代表的电子零部件陷入材料短缺、无法获得稳定货源的困境。电子零部件的重要性比以往任何时候都要凸显。如何解决缺料问题,如何应对国外供应链的波动风险,如何化危为机加快电子零部件产品的国产化进程,成为家电行业供应链从业人员必须面对的问题。

    从另一方面来看,电子零部件产品相比较于传统的机械结构产品(如冲压件、注塑件等)来说,其产品的附加值更高且呈现出成本不透明的状况。特别是对于印刷电路板组件来说,由于需要在电路板上装载了大量的主动、被动元器件,工序繁多且制造过程复杂,往往对技术开发人员和商务采购人员核算成本造成了很大阻碍。因此,对于电子零部件来说,其成本的透明度要远低于以冲压件、注塑件为代表的机械结构件。我们在传统的成本分析活动中,也往往将电子零部件视为成本分析的“黑匣子”部件(Black-box件)。特别是对于绝大多数电子零部件产品都必须进行的表面贴装制程(Surface Mounting Technology),在常规的分析手法无法满足的情况下,基于作业成本法视角出发的成本分析,成为计算电子零部件产品制造成本的一种新方法。 

02 研究方法简介

    对于成本的定义,业界有非常多的说法。笔者通过多次与成本管理行业专家反复交流并查阅相关文献资料,在中国成本协会《成本管理体系术语》标准中第2.1.2 条中找到关于成本术语的标准定义:为过程增值或结果有效已付出或应付出的资源代价。过程是指将输入转化为输出的活动;资源是指凡能被人所利用的物质,包括人力,物力,财力和信息等资源。应付出的资源代价是指应该付出,但还未付出,而且迟早要付出的资源代价。 

2.1 传统成本法 

    传统成本法指企业支持成本分摊的方法,所谓支持成本指支持产品或服务完成的除直接材料、直接人工之外的成本费用。传统成本法适用于产品结构单一、制造费用的数额相对较小,且其发生与直接人工成本有事实上相关的劳动密集型企业。目前在许多传统型的制造企业里,在成本方面,依旧是传统的成本管理模式[1]。 

2.2 作业成本法 

    作业成本法(Activity based costing)简称 ABC[2]。这是一种通过对所有作业活动追踪地进行动态反映,计量作业和成本对象的成本,评价作业业绩和资源利用情况的一种方法。这种方法是将资源作为整个作业执行过程中所需要花费的代价来看待,并以资源作为支持作业的费用来源。作业是指组织为了某一具体目的而开展的以耗费资源为代价的各项活动,它被认为是作业成本管理的核心。ABC 作业成本法最早出现在上世纪 80 年代中期,用以满足获取特定产品、服务、客户等需求而提供的准确成本信息。它可以解决传统成本法中由于主观分配“制造费用”(支持性成本和间接成本)不准确的问题,为企业的最高管理层提供更为准确的盈利能力信息(如利润率等指标),以满足流程改进作业的需要和帮助管理者做出战略决策[3]。 

2.3 估时作业成本法 

    估时作业成本法(Time-driven activity-based costing)简称 TDABC[4]。这是由美国哈佛大学教授罗伯特·S·卡普兰等人在 ABC 作业成本法基础上提出的一种更加前沿的成本分析方法论。估时作业成本法用时间来度量资源,将时间作为主要的成本动因,使得TDABC能够更加高效地把不同业务类型的差异性融入时间方程。但必须实事求是地说,估时作业成本法作为一种新的成本分析方法论,还处于不断地理论完善过程中。 

03 基于作业成本法的表面贴装技术(SMT)周期时间分析

3.1 印刷电路板表面贴装技术的具体制造工序

    SMT表面贴装技术的具体制造工序通常包括:PCB上板,锡膏印刷,锡膏检测,贴片,回流焊,自动光学检测(AOI),目检维修,PCBA下板等工序(见图 1)。 

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图1 SMT表面贴装技术主要制造环节

    在上述的众多制造环节中,关键的制造工序包括锡膏印刷、贴片、回流焊、自动光学检测(见图 2)。在电子加工行业,从上板工序开始到下板工序是是一个连续流生产过程,通常称之为SMT段制程,有时也称之为前段制程。这是为了区别于从机器插件、手工插件到波峰焊的另一个连续流生产过程(被称之为DIP段制程)。本文将重点针对上述SMT段制程的核心工序周期时间展开详细讨论。通过计算核心工序的周期时间来确定整条SMT生产线的制造周期时间,从而为进一步分析SMT的制造成本打下基础。 

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图2 SMT表面贴装技术的关键制造工序

3.2 针对印刷电路板表面贴装技术(SMT),关键制造工序的周期时间分析

    通过作业成本法进行电子零部件的制造成本分析,我们在明确了具体的制造环节,识别了核心的制造步骤的基础上,进而可以深入地探讨每个核心制造步骤的周期时间如何确定,进而明确整条连续流生产线的周期时间和生产节拍。 

3.2.1 锡膏印刷工序的周期时间分析 

    锡膏印刷工序是锡膏印刷机的刮刀通过将一定量的锡膏在一定的速度和外力下将锡膏均匀地印刷至PCB板上指定区域的过程(见图3)。锡膏印刷工序往往也是整条SMT生产线的核心工序。

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图3 锡膏印刷工序示意图

    对于锡膏印刷工序的周期时间测算,首先需要考虑到以下4个关键影响因素:PCB板上需要进行的锡膏印刷次数、锡膏印刷机上的刮刀运行速度、刮刀往复运动的来回距离、锡膏印刷工序向下道工序的转运时间。锡膏印刷工序的周期时间 T1 计算公式如下:

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    式中,K,印刷频次系数;L1,刮刀运行距离;V1,刮刀运行速度;t1,锡膏印刷工序向下道工序的转运时间;n,刮刀运动次数;Y,刮刀运动方向的距离。 

在以上表达式中,印刷频次系数K的作用是补偿由工序作业指导书(SOP)所定义的N次印刷后清理刮刀和添加锡膏所导致的效率损失。印刷频次系数K可以按照以下方式确定:K=(锡膏印刷次数 +1)/ 锡膏印刷次数。 

3.2.2 贴片工序的周期时间分析 

    由于PCB印刷电路板的贴片工序有生产效率高、制程连续稳定、产品性能可靠等诸多优点,我们将重点讨论贴片工序的周期时间分析。贴片工序是指将适合贴装尺寸的电容、电阻、电感、二极管、三极管及大规模集成电路(IC)等元器件通过高速和低速贴片机贴装在印刷电路板上的过程。由于需贴装的元器件往往数量规模庞大(上百个元器件需要贴装),往往在整条SMT 生产线中属于瓶颈站位。因此,通过系统分析研究清楚贴片工序的周期时间显得尤为重要(如图4所示)。 

    贴片工序的制造周期时间分析需要考虑的影响因素包括:PCBA板布局设计完成以后在单片板上适于高速贴装的元器件数量、适于低速贴装的元器件数量、高速贴片机的贴片速度、低速贴片机的贴片速度,以及贴片工序向下道工序的转运时间。 

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图4 贴片工序示意图

    具体而言,要确定高速和低速贴片机上的元器件数量,我们需要参考PCBA设计端的电路图,PCBA的拼板设计布局,以及PCBA电路板的物料清单。要确定高速贴片机和低速贴片机的贴片速度,我们可以查阅贴片机厂家的机器性能参数。这里需要注意的是:贴片机生产厂家给出的贴片速度是指机器的理论贴片速度,在具体的生产制造过程中,我们通常会引入一个经验系数,通过经验系数乘以理论值得到一个较为合理的实际值。贴片工序的周期时间 T2 计算公式如下: 

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    式中,Nh,高速贴片元器件数量;Vh,高速贴片机贴片速度;Nl,低速贴片元器件数量;Vl,低速贴片机贴片速度;t2,贴片工序向下道工序的转运时间;p,贴片速度经验系数;VH,高速贴片机理论贴片速度;VL,低速贴片机理论贴片速度。 

3.2.3 回流焊工序的周期时间分析 

    回流焊工序是指通过重新熔化预先分配到印制板焊盘上的膏装软钎焊料,实现表面组装元器件焊端或引脚与印制板焊盘间机械与电气连接的软钎焊。回流焊工序的制造周期时间分析需要考虑的影响因素包括:回流焊炉悬挂链线速度,PCBA行进方向的距离,相邻电路板的板间距,回流焊工序向下道工序的转运时间(见图 5)。 

回流焊工序的周期时间 T3 计算公式如下: 

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    式中,LPCBA,PCBA 行进方向的距离;LS,相邻电路板的板间距;V3,回流焊炉悬挂链线速度;t3,回流焊工序向下道工序的转运时间。 

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图5 回流焊工序示意图 

3.2.4 自动光学检测(AOI)工序的周期时间分析 

    自动光学检测(AOI)工序指的是基于光学原理来对焊接好的PCB进行焊接质量的检测。AOI通过自动光学检测机内摄像头所拍摄到的PCBA电路板高清图片与标准样件的图形进行比对,通过电脑判断电路板上的元器件是否正确地贴装并焊接在PCB板上(见图 6)。 

    自动光学检测(AOI)工序的周期时间影响因素包括:PCBA板上待检测面积,AOI设备检测速度,自动光学检测工序向下道工序的转运时间。在这里笔者需要特别强调的是,PCBA板上待检测面积的确定,要观察印刷电路板上所有零部件的分布状况,不同的布局设计所呈现出的待检测面积很可能是完全不同的。如图7所示,由于印刷电路板上电子元器件布局的不同,AOI设备所需要检测的区域面积也是不一样的。 

自动光学检测(AOI)工序的周期时间T4计算公式如下: 

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式中,SPCBA,PCBA板上待检测面积;V4,AOI设备检测速度;t4,自动光学检测工序向下道工序的转运时间。

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图6 AOI 自动光学检测示意图

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图7  AOI 自动光学检测示意图 

3.3 关键工序步骤的周期时间与SMT制程系统周期时间的关系 

    周期时间分析是成本分析的关键前提因素,该工作充分进行将会对后续的成本分析工作起到至关重要的作用。由于SMT制程的所有工序形成一个首尾相接的连续流,因此该连续流制程的系统周期时间就等于所有工序中耗时最长的瓶颈工序时间。SMT连续流系统的总周期时间与系统内各工序的周期时间关系表达如下: 

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    式中,CTtotal,SMT连续流系统的总周期时间;Tn,第n道工序的周期时间。 

    上文列出了SMT制程的全部工序中的关键工序,一方面是这些工序操作复杂,质量要求高;另一方面,高速和低速贴片机、回流焊及自动检测设备的设备投资巨大,占到整条 SMT产线投资的绝大部分。在一个连续流制造系统中,只有尽一切努力将投资占比巨大的生产设备的利用程度达到峰值,才能在最大程度上减少浪费,提高效率。也正是在这样的精益思想指导下,我们将在下文中通过具体案例的分析,从关键工序步骤周期时间的测算推导出整条SMT生产线制造系统的周期时间。

04 SMT制程周期时间案例分析

4.1 SMT制程生产条件设定 

    在进行SMT制程周期时间的测算时,我们假定了以下已知条件作为接下来案例分析的输入。各道工序的已知条件假设,我们在表 1~4 中具体列出。

表1 锡膏印刷工序已知条件表

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表2 贴片工序已知条件表

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表3 回流焊工序已知条件表

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表4 自动光学检测(AOI)工序已知条件表

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4.2 SMT制程关键工序的周期时间计算 

    对于SMT制程关键工序的时间计算,依据上文中给出的计算公式,我们将上述已知条件分别代入到锡膏印刷工序、贴装工序、回流焊工序和自动光学检测工序的周期时间计算公式中,通过运算得到上述关键工序的周期时间计算结果。具体运算过程及计算结果如表5所示。

表5 SMT制程关键工序的周期时间计算表

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表6 SMT制程系统的周期时间计算表

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4.3 SMT制程系统的周期时间计算 

    在SMT制程关键工序的周期时间结果计算完成以后,我们接下来要计算SMT制程系统的周期时间。上文介绍SMT制程中除了已经详述的关键工序外,还包括了诸如PCB上板工序、锡膏检验、目检维修、PCBA下板等工序。但由于这些工序操作内容相对简单、站位的设备投资额较小,在SMT制程的周期时间计算中,我们通常将其视为非瓶颈工序简化处理。在这里我们假定PCB上板工序、锡膏检验、目检维修、PCBA下板的周期时间(分别标记为T5,T6,T7,T8)远小于T2,因此依据SMT制程系统的周期时间计算公式,可以将结果计算出来(详见表6)。 

    至此,电子零部件产品SMT制程的周期时间分析工作基本完成,明确了一款电子产品在SMT表面贴装制程中需要经过哪些关键工序,通过理论计算获取各道关键工序的周期时间,进而确定整条SMT生产线的制造周期时间。这就为下一步的成本计算奠定了坚实的基础,从而通过作业成本分析打开 SMT 制造成本的“黑匣子”成为可能。 

05 基于作业成本法的表面贴装(SMT)制造成本分析 

5.1 SMT制造成本分析条件设定 

    在完成了SMT制程系统的周期时间计算以后,我们接下来可以展开基于作业成本法的制造成本分析工作。本文使用西门子公司开发的专业产品成本管理软件(Teamcenter Product Cost Management,简称TcPCM软件)展开制造成本的分析。在进行SMT制造成本分析时,我们基于下表所列出的成本假设作为已知前提条件进行制造成本分析(见表 7)。 

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表7 SMT制造成本分析已知条件表

5.2 SMT制造成本计算 

    在给定的成本假设基础上,我们利用TcPCM成本分析软件进行制造成本计算。首先,我们在软件的制造成本计算界面,将基本信息填入生产过程(Process)的各个栏位里。其中最关键的信息就是该制造工序的周期时间(Cycle Time)。因此,我们将前一个章节计算出来的SMT制程系统的周期时间53秒填入软件输入界面的Cycle time 栏位里。同时再将其他已知条件输入到其他栏位中(例如:在Number of part per cycle栏位输入PCBA panel拼板方式4片/板的信息;在Utilization ratio栏位填入85%的生产系统利用率;在Manufacturing scrape栏位填入0.1%的生产过程报废率的信息等)。具体信息输入见图8。 

    在完成了生产过程(Process)信息栏位的输入之后,我们继续在TcPCM软件中进行下一步制造系统(Production system)栏位的信息维护。从下图中可以看到,SMT表面贴装制程中所需要的所有机器设备,包括自动上板机、锡膏印刷机、高速贴片机、中速贴片机、回流焊炉、自动光学检测机、自动下板机以及连接各站位之间的传输带,都已经在软件的制造系统栏位中呈现出来。

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图8 TcPCM 软件生产过程信息栏位

    这里笔者强调以下两个关键的信息:第一,Machine hourly rate overall栏位的汇总项表示这整条SMT制造系统的机器小时费率为296.61元/小时(如图9红框所示);第二,结合我们之前通过公式计算出来的SMT制程的系统周期时间53秒,就能够计算出该PCBA 电路板在 SMT 制程中所需要付出的机器设备费用(Machine Cost)是1.09元每件产品(见图9)。 

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图9 TcPCM 软件制造系统信息栏位 

    在完成TcPCM软件中制造系统信息栏位的维护之后,我们最后在直接人工(Direct labor)栏位和与制造直接相关的其他成本项(Residual manufacturing overhead costs)栏位进行信息维护。在进行SMT制程整条连续流生产线的人力部署时,要充分考虑到线头投料和线尾收料的情况。同时在正常的生产过程中,将一部分生产线线长、技术调试人员、质量巡查人员的人力成本部署到一条SMT流水线上来。在本文的案例中,笔者分别部署了2名操作工,同时又将1名生产线线长,1名技术调试人员和1名质量巡查人员各自20% 的工时部署在这条SMT流水线上。另外,将已知条件里8%的与制造直接相关的其他成本项填入Residual manufacturing overhead costs栏位,从而在TcPCM软件里完成所有SMT制造成本分析的相关计算工作(如图10所示)。通过以上成本参数的配置,我们利用TcPCM成本分析软件计算出该SMT制程所需要付出的人工费用(Labor Cost)为0.30元/件。 

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图10 TcPCM软件人工及其他相关信息栏位

    总结一下,在本案例中我们以作业成本法的系统方法论为指导,利用西门子TcPCM软件建立PCBA表面贴装技术的制造成本模型。通过一系列成本假设(已知条件)的输入,以案例分析的方式最终计算出电子零部件SMT的制造成本为1.51元/件。具体的成本计算明细见表8。

表8 SMT制造成本分析结果

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06 总结

   近年来,随着我国的制造业转型升级的不断推进,企业从仅看重数量规模的粗放式发展向精细化高质量发展转变。伴随着中国家电市场的消费升级浪潮,消费者对家用电器产品高端化、智能化的需求在不断提高。在产品端实现更多的场景功能和为消费者提供更好的智能体验,需要家用电器产品的电子零部件的性能能够在更大程度上得到提升。在这样的大背景下,我们越来越多地聆听到许多企业经营管理者提出要重视成本,强调对内加强管理实现产品成本降低,对外提升产品价值等一系列要求[5]。 

    我们通过分析印刷电路板组件(PCBA)为代表的电子零部件产品,在SMT(表面贴装技术)生产制程中所必须经历的工序步骤,同时对其中的关键工序步骤进行有效识别,进而通过对关键工序步骤(锡膏印刷、贴装、回流焊及自动光学检测)的周期时间进行系统分析。同时结合SMT制程生产线连续流的特征,通过建立关键工序周期时间与SMT制程系统的周期时间之间的逻辑关系式,得出SMT制程系统周期时间的计算方法。在本文的第四部分,笔者以分析一个具体案例的方式将关键工序周期时间和SMT制程系统的周期时间计算出来。在本文的第五部分,笔者从案例分析中获得的周期时间入手,通过提出一系列成本假设的已知条件,利用专业的数字化成本分析软件TcPCM搭建出SMT(表面贴装技术)的制造成本模型,并在最后给出了基于给定已知条件下的SMT制造成本计算结果,供行业同仁参考。限于篇幅,本文仅讨论了印刷电路板(PCBA)在SMT生产过程中的制造成本,对于以印刷电路板组件为代表的电子零部件其材料成本、利润率、销售管理费等未做深入展开,这一点必须指出来。 

    中国家电行业正在迅速向高端化、智能化、网联化方向纵深发展。在转型升级进程中,电子零部件产品作为所有软件程序得以运行的必备硬件载体(如PCBA等),正在越来越多地被应用到家用电器产品中来,因此高端家电产品的总成本中电子零部件部分的占比也在逐年增大。然而我们也必须看到,由于电子加工行业属于资金密集型和技术密集密集型行业,呈现出技术壁垒高、行业集中度高、成本不透明的态势。 

    特别是处于家电制造价值链中下游的中小型民营企业,相比较于注塑件、钣金件、压铸件来说,本土采购人员在电子零部件上的议价能力总体偏弱。笔者希望能够通过本文,向行业同仁介绍电子零部件产品制造成本的分析计算方法。 

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