Разработка технологического процесса и экономическое обоснование массового производства многослойных печатных плат (на примере курсового проекта)

Введение и Нормативно-методическая База Исследования

В условиях форсированного импортозамещения и непрерывного роста требований к надежности и миниатюризации отечественной электронной аппаратуры, многослойные печатные платы (МПП) стали ключевым элементом, напрямую определяющим конкурентоспособность конечного продукта. Для студента технического или экономического профиля, разработка технологического процесса (ТП) и его детальное экономическое обоснование представляет собой комплексную задачу, требующую синтеза глубоких инженерных знаний и практических навыков производственного менеджмента.

Цель данной курсовой работы — разработать оптимальный технологический маршрут для массового производства МПП, а также провести исчерпывающий технико-экономический расчет, включающий нормирование, калькуляцию себестоимости и оценку экономической эффективности. Достижение этой цели позволит не только продемонстрировать понимание процесса, но и получить готовую, проверяемую финансовую модель для потенциального проекта.

Определения ключевых понятий

Для обеспечения методологической строгости исследования необходимо оперировать четко определенной терминологией, соответствующей академическим и нормативным стандартам:

1. Печатная плата (ПП): Согласно ГОСТ Р 53432-2009, это изделие, предназначенное для электрического и механического соединения электронных компонентов с помощью токопроводящего рисунка, образованного на поверхности и/или во внутренних слоях диэлектрического основания.
2. Массовое производство: Тип организации производства, характеризующийся большим объемом выпуска однородной продукции в течение продолжительного периода времени. В контексте ПП это означает высокую степень стандартизации, автоматизации и специализации оборудования, что обуславливает применение котлового метода калькуляции себестоимости.
3. Себестоимость продукции: Выраженная в денежной форме сумма всех затрат предприятия, связанных с использованием в процессе производства сырья, материалов, труда, а также прочих расходов, отнесенных на единицу произведенной продукции.
4. Полная себестоимость (С_полн): Показатель, который включает в себя не только производственные расходы (прямые и общепроизводственные), но и коммерческие (внепроизводственные) расходы, связанные со сбытом и реализацией готовой продукции.
5. Экономическая эффективность: Соотношение полученного экономического эффекта (например, прирост прибыли, снижение затрат) к произведенным для его достижения затратам (например, капитальным вложениям). Это ключевой показатель результативности хозяйственной деятельности.

Обзор нормативной и методической документации

Основой для разработки ТП и экономических расчетов служат актуальные нормативные документы и стандартизированные методики:

1. Технологическая регламентация:
   • ГОСТ Р 53432-2009 «Платы печатные. Общие технические требования к производству» устанавливает общие требования к качеству, надежности и технологическим процессам изготовления ПП.
   • ГОСТ 23661-79 «Платы печатные многослойные. Требования к типовому технологическому процессу прессования» регламентирует ключевой этап создания МПП — ламинирование.
   • ОСТ4 ГО.010.011 «Платы печатные. Конструирование» определяет требования к проектным нормам (трассы, зазоры, контактные площадки), напрямую влияющим на технологичность изготовления и риск получения брака.
2. Методологическая база для экономических расчетов: Расчеты себестоимости и нормирование труда должны базироваться на методических указаниях по экономике предприятия и отраслевых нормативах по расходу материалов и времени, что обеспечивает корректность и проверяемость финансовой модели, исключая субъективные оценки.

Разработка Технологического Процесса Массового Производства МПП

Современное производство многослойных печатных плат (МПП) — это сложный, высокоточный процесс, требующий жесткого контроля на каждом из десятков этапов. В отличие от одно- или двусторонних плат, изготовление МПП включает этап формирования внутренних слоев с последующим прессованием. Важно понимать, что именно от качества ТП зависит доля брака и, следовательно, конечная себестоимость продукции.

Выбор материалов и финишного покрытия

Выбор материалов критически важен, поскольку стоимость субстрата и меди может составлять до 65% от производственной себестоимости. Оптимизация на этом этапе дает наибольший экономический эффект.

Базовый материал: В массовом производстве для большинства невысокочастотных применений оптимальным выбором остается стеклотекстолит FR-4. Он обеспечивает приемлемый баланс между электрическими характеристиками, механической прочностью, термостойкостью (температура стеклования Tg обычно 135–170 °C) и ценой.

Финишное покрытие: Сравнительный анализ HASL и ENIG

Финишное покрытие (финиш) защищает медные контактные площадки от окисления и обеспечивает их смачиваемость при пайке. Выбор финиша напрямую влияет на технологичность процесса и общую стоимость.

Критерий	HASL (Горячее лужение)	ENIG (Иммерсионное золото)	Экономическое влияние
Стоимость процесса	Низкая, простая технология.	Высокая (использование золота, больше химикатов).	Удорожание производства.
Плоскостность	Плохая (наличие мениска).	Отличная (отклонение поверхности <0,1 мкм).	Критично для BGA-компонентов и тонких шагов.
Срок хранения	6–12 месяцев.	12–18 месяцев.	Снижение рисков старения и потерь.
Применение	Стандартные компоненты, крупный шаг.	Высокотехнологичные компоненты, BGA, QFN.	Обоснованное удорожание для сложных плат.

Вывод: Для массового производства высокотехнологичных МПП, предназначенных для сложной электроники, покрытие ENIG экономически целесообразно, несмотря на его высокую стоимость. Удорожание финиша в данном случае компенсируется повышением надежности и технологичности монтажа дорогостоящих компонентов, что в конечном итоге снижает общую стоимость владения продуктом на этапе эксплуатации.

Детализация основных технологических операций

Типовой технологический процесс изготовления МПП представляет собой последовательность взаимосвязанных физико-химических и механических операций.

1. Изготовление внутренних слоев

Это наиболее критичный этап, определяющий качество всей платы. Здесь инверсия: С помощью высокоточных сканеров проверяются после травления внутренние слои на предмет дефектов (обрывы, короткие замыкания, утоньшения). Этот этап обязателен для МПП, так как дефекты внутренних слоев невозможно исправить после прессования, и они гарантированно приведут к браку.

• Фотолитография: На заготовку наносится фоторезист, который экспонируется через фотошаблон. Участки, соответствующие будущему проводящему рисунку, остаются защищенными.
• Травление: Незакрытая фоторезистом медь удаляется в растворе травителя (например, хлорного железа).
• Автоматическая Оптическая Инспекция (AOI): После травления внутренние слои проверяются на предмет дефектов.

2. Прессование (Ламинирование)

Процесс, объединяющий внутренние слои в единую структуру.

• Сформированные внутренние слои чередуются с препрегами (пропитанный смолой стеклотканью) и внешними слоями фольги.
• Пакет подвергается воздействию высокой температуры (до 180°C) и давления (до 30 атм) в вакуумном прессе. Смола в препрегах полимеризуется, сплавляя слои. Этот этап строго регламентируется ГОСТ 23661-79.

3. Сверление и Металлизация

Формирование межслойных электрических соединений (переходных отверстий).

• Сверление: Высокоскоростные станки с ЧПУ выполняют сверление сквозных, а при необходимости, и глухих/слепых отверстий.
• Химическая металлизация: В отверстия наносится тонкий химический слой меди (0,5–1 мкм). Это необходимо для создания токопроводящего слоя, который станет основой для последующего гальванического осаждения.
• Гальваническая металлизация: Электролитическое осаждение меди, доводящее толщину слоя в отверстиях до требуемой (обычно 20–25 мкм).

4. Формирование внешних слоев и финишная обработка

Процессы, аналогичные изготовлению внутренних слоев, но с учетом структуры металлизированных отверстий.

• Нанесение паяльной маски: Жидкая фоточувствительная маска наносится для защиты платы от замыканий и предотвращения пайки в нежелательных местах.
• Нанесение маркировки (шелкография): Нанесение позиционных обозначений компонентов и служебной информации.
• Нанесение финишного покрытия: Применение выбранного финиша (например, ENIG).
• Электрическое тестирование (e-test): Каждая плата проверяется на 100% на предмет коротких замыканий и обрывов цепи с помощью летающих зондов или тестовых оснасток.
• Контурирование: Механическая обработка (фрезеровка) для отделения готовых плат от технологического поля.

Планирование Производства и Технико-экономическое Нормирование

Экономическая эффективность массового производства ПП напрямую зависит от точности планирования и нормирования. На этом этапе проводится расчет ключевых плановых показателей, которые станут основой для калькуляции себестоимости. Почему же так критично точно нормировать время и материалы, если речь идет о массовом производстве?

Расчет годовой производственной программы

Годовая производственная программа (A_год) — это плановый объем выпуска продукции в натуральном выражении. Она может рассчитываться на основе производственной мощности оборудования или по трудоемкости изделий. Для данного курсового проекта используем расчет по трудоемкости.

Исходные условные данные:

• Эффективный годовой фонд времени работы единицы основного технологического оборудования (T_эфф) (принимаем для двухсменного режима с учетом плановых ремонтов и регламентов): T_эфф = 4000 ч.
• Коэффициент выполнения норм времени (K_вып) (учитывает повышение производительности в массовом производстве): K_вып = 1,4.
• Норма штучного времени на изготовление единицы ПП (t_шт): t_шт = 0,08 ч/шт.

Формула расчета годовой производственной программы по трудоемкости (A_год):

A_год = (T_эфф * K_вып) / t_шт

Расчет:

A_год = (4000 ч * 1,4) / 0,08 ч/шт = 5600 / 0,08 = 70 000 шт.

Таким образом, плановый годовой объем производства составляет 70 000 многослойных печатных плат.

Расчет Фонда Оплаты Труда (ФОТ)

В условиях массового производства для рабочих, занятых на основных технологических операциях, чаще всего применяется сдельная система оплаты труда, стимулирующая повышение выработки.

1. Расчет Фонда Заработной Платы (ФЗП) производственных рабочих (на примере 1000 единиц):

ФЗП производственных рабочих определяется как сумма сдельных расценок, умноженная на объем выпуска, плюс премии и доплаты.

ФЗП = Σ (Сд_i * N_i) + Д_i + П_i

Условные данные для 1000 шт. ПП:

• Объем выпуска (N_i) = 1000 шт.
• Средняя сдельная расценка на единицу продукции (Сд_i) = 35 руб./шт.
• Премии и доплаты (Д_i + П_i) (принимаем как 20% от основной сдельной оплаты): 1000 шт. × 35 руб./шт. × 0,20 = 7000 руб.

Расчет ФЗП:

ФЗП = (35 руб./шт * 1000 шт.) + 7000 руб. = 35 000 руб. + 7000 руб. = 42 000 руб.

2. Расчет общего Фонда Оплаты Труда (ФОТ) с учетом социальных взносов:

ФОТ включает ФЗП и отчисления во внебюджетные фонды.

• Ставка социальных взносов (Единый тариф): 30%.
• Начисления во внебюджетные фонды (Н_соц): 42 000 руб. × 0,30 = 12 600 руб.

Общий ФОТ для 1000 шт. ПП:

ФОТ = ФЗП + Н_соц = 42 000 руб. + 12 600 руб. = 54 600 руб.

Расчет прямых материальных затрат

Прямые материальные затраты (МЗ) — это стоимость сырья и основных материалов, непосредственно входящих в состав готовой продукции.

Формула расчета материальных затрат (МЗ):

МЗ = N_м * Ц_м * А_год

где: N_м — норма расхода материала на единицу продукции; Ц_м — цена единицы материала; А_год — годовой объем производства (70 000 шт.).

Условные данные для расчета МЗ на годовой объем (70 000 шт.):

Материал	Норма расхода на 1 шт. (Nм)	Цена за единицу (Цм), руб.	Общий расход на 70 000 шт.	Общие затраты (МЗ), руб.
Базовый субстрат (FR-4)	0,05 м²	12000 руб./м²	3500 м²	42 000 000
Медная фольга/Препреги	0,03 м²	8000 руб./м²	2100 м²	16 800 000
Химические реактивы	0,002 кг	300 руб./кг	140 кг	42 000
Финишное покрытие (ENIG)	Условно	—	—	5 000 000
ИТОГО МЗ				63 842 000

Методика Калькуляции Полной Себестоимости Единицы ПП

Расчет себестоимости в условиях массового производства МПП осуществляется на основе системы учета полных затрат (Full Costing), что позволяет корректно распределить косвенные расходы.

Структура производственной себестоимости

Производственная себестоимость (С_пр) включает в себя все затраты, связанные непосредственно с изготовлением продукции, и группируется по следующим калькуляционным статьям:

Калькуляционная статья	Вид затрат	Методика отнесения	Условная сумма на годовой выпуск (руб.)
1. Сырье и основные материалы	Прямые	По нормам расхода (МЗ)	63 842 000
2. Возвратные отходы (вычитаются)	Прямые	По цене возможного использования	(500 000)
3. Вспомогательные материалы	Прямые	По нормам расхода (например, фоторезист, маска)	2 500 000
4. Основная заработная плата	Прямые	По сдельным расценкам (на 70 000 шт.)	2 940 000
5. Дополнительная заработная плата	Косвенные	По установленным нормативам (например, 15% от осн. ЗП)	441 000
6. Отчисления во внебюджетные фонды	Косвенные	30% от (4 + 5)	1 014 300
7. Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования (РСО)	Косвенные	Амортизация, ремонт, электроэнергия, инструмент. Распределяются пропорционально ФОТ или машино-часам.	15 000 000
8. Общепроизводственные расходы (ОПР)	Косвенные	Управленческий персонал цехов, охрана труда. Распределяются пропорционально осн. ЗП.	8 000 000
9. Общехозяйственные расходы (ОХР)	Косвенные	Администрация, общие расходы предприятия. Распределяются пропорционально Спр без ОХР.	10 000 000
ИТОГО Производственная Себестоимость (Спр)			102 737 300

Определение доли затрат в себестоимости

В производстве МПП, в отличие от сборочных производств, доминируют материальные и технологические расходы. Этот анализ четко показывает, где находятся основные рычаги управления затратами.

Анализ структуры производственной себестоимости:

Статья затрат	Сумма (руб.)	Доля в Спр	Комментарий
Материальные затраты (п. 1, 2, 3)	65 842 000	64,1%	Полностью соответствует справочным данным: стоимость субстрата и меди преобладает (40% + 25%).
Трудовые и социальные расходы (п. 4, 5, 6)	4 395 300	4,3%	Низкая доля ЗП характерна для автоматизированного массового производства.
Косвенные и накладные расходы (п. 7, 8, 9)	33 000 000	32,2%	Высокая доля РСО обусловлена дороговизной и энергоемкостью высокоточного оборудования (AOI, прессы, гальванические линии).
Всего (Спр)	102 737 300	100%

Расчет полной себестоимости единицы продукции:

Для расчета полной себестоимости необходимо добавить коммерческие (внепроизводственные) расходы (С_ком) и разделить общую сумму на годовой объем выпуска (А_год).

• Годовой объем производства (А_год) = 70 000 шт.
• Коммерческие расходы (С_ком) (условно принимаем 5% от производственной себестоимости): 102 737 300 × 0,05 = 5 136 865 руб.
• Полная себестоимость годового выпуска (С_полн): 102 737 300 + 5 136 865 = 107 874 165 руб.

Полная себестоимость единицы продукции (С_{полн.ед}):

С_полн.ед = (С_пр + С_ком) / А_год

Расчет:

С_полн.ед = 107 874 165 руб. / 70 000 шт. ≈ 1541,06 руб./шт.

Оценка Экономической Эффективности и Роль САПР

Расчет экономического эффекта от внедрения нового участка

Внедрение нового оборудования или технологии (например, автоматизированной линии травления) позволяет снизить себестоимость за счет повышения точности, снижения брака и экономии времени. Для оценки экономической целесообразности используется расчет годового экономического эффекта (Э_год) и срока окупаемости (Т_ок). Важно не просто снизить затраты, но и убедиться, что капитальные вложения окупятся быстрее, чем истечет нормативный срок.

Условный пример: Внедрение нового участка травления с капитальными вложениями (К₂).

Исходные данные для оценки эффективности:

• Себестоимость до внедрения (С₁): 1541,06 руб./шт.
• Себестоимость после внедрения (С₂) (снижение на 3% за счет снижения брака и экономии хим. реактивов): 1541,06 × 0,97 = 1494,83 руб./шт.
• Годовой объем производства (А₂): 70 000 шт.
• Капитальные вложения в новый участок (К₂): 5 000 000 руб.
• Нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений (Е_н): 0,165.

Формула расчета годового экономического эффекта (Э_год):

Э_год = (С_1 - С_2) * А_2 - Е_н * К_2

Расчет:

1. Экономия на себестоимости: (1541,06 — 1494,83) × 70 000 = 46,23 руб./шт × 70 000 шт. = 3 236 100 руб.
2. Нормативный эффект от капитальных вложений: 0,165 × 5 000 000 руб. = 825 000 руб.
3. Годовой экономический эффект: 3 236 100 руб. — 825 000 руб. = 2 411 100 руб.

Расчет срока окупаемости капитальных вложений (Т_ок):

Т_ок = К_2 / Э_год

Расчет:

Т_ок = 5 000 000 руб. / 2 411 100 руб./год ≈ 2,07 года

Поскольку срок окупаемости (2,07 года) значительно меньше нормативного срока окупаемости (1/Е_н ≈ 6,06 лет), внедрение нового участка травления является экономически эффективным.

Влияние САПР (Altium Designer) и принципов DFM

Современные системы автоматизированного проектирования (САПР), такие как Altium Designer, играют ключевую роль в обеспечении технологичности (DFM — Design for Manufacturing) и, как следствие, в снижении себестоимости еще на этапе разработки.

Принцип DFM — это проектирование с учетом конкретных технологических ограничений производственного участка. Применение DFM-правил в Altium Designer позволяет перехватить и исправить потенциальные дефекты (например, критическое утоньшение трассы) до того, как плата попадет на участок фотолитографии или травления, где стоимость исправления и потери материала многократно возрастают. Таким образом, САПР выступает не просто инструментом черчения, а активным фактором снижения производственной себестоимости.

Аспект САПР (Altium Designer)	Влияние на технологичность и экономику	Экономический эффект
Редактор правил и ограничений (PCB Rules and Constraints Editor)	Позволяет конструктору задать минимальные допуски (зазоры, диаметры отверстий) конкретного завода, предотвращая нарушения ОСТ4 ГО.010.011.	Снижение проектных ошибок и брака на 30–50% на этапе опытных образцов. Экономия материальных затрат и времени.
Интегрированное управление данными (PLM)	Синхронизация между схемой, топологией и библиотеками. Учет доступности и цен компонентов.	Сокращение цикла разработки (Time-to-Market) и снижение непроизводственных затрат, связанных с поиском или заменой устаревших компонентов.
Моделирование и анализ целостности сигналов (SI/PI)	Повышение надежности платы, исключение необходимости дорогостоящих итераций для исправления электрических характеристик.	Экономия на повторном изготовлении прототипов и снижение риска отказов в серийной продукции.

Заключение

Данная курсовая работа успешно решила поставленные задачи, разработав технологический маршрут массового производства многослойных печатных плат и проведя детальное экономическое обоснование. Полученные результаты демонстрируют комплексное владение как инженерными, так и экономическими методами анализа.

1. Технологический процесс: Разработанный ТП, основанный на отечественных стандартах (ГОСТ Р 53432-2009, ГОСТ 23661-79) и включающий этапы AOI и металлизации, ориентирован на высокую степень автоматизации, характерную для массового производства. Выбор финишного покрытия ENIG обоснован требованиями к надежности высокотехнологичной электроники.
2. Экономическое нормирование: На основе условных, но методологически корректных данных, рассчитана годовая производственная программа (70 000 шт.), Фонд Оплаты Труда (54 600 руб. на 1000 шт.) и прямые материальные затраты.
3. Себестоимость: Определена типовая структура себестоимости МПП, где материальные затраты составляют до 64,1%, что подтверждает необходимость строгого контроля за нормативами расхода материалов. Расчетная полная себестоимость единицы продукции составила 1541,06 руб./шт.
4. Эффективность: Расчет экономической эффективности внедрения нового производственного участка показал положительный годовой экономический эффект в размере 2 411 100 руб. и срок окупаемости в 2,07 года.
5. Роль САПР: Подтверждено, что использование комплексных САПР, таких как Altium Designer, и внедрение принципов DFM, является неотъемлемым фактором повышения экономической эффективности производства, поскольку позволяет сократить итерации проектирования и минимизировать брак, тем самым напрямую снижая материальные и трудовые затраты.

Результаты работы могут быть использованы для планирования деятельности реального производственного участка печатных плат и служат основой для дальнейшего углубленного технико-экономического анализа.

Список использованной литературы

1. Altium Designer: Лидер в инновациях проектирования печатных плат [Электронный ресурс] // altium.com. — [S. l.], 2024. — Дата публикации: 01.07.2024.
2. Применение Altium Designer для проектирования печатных плат : научная статья // Cyberleninka.
3. Использование возможностей Altium Designer: преобразование управления данными проектирования печатных плат [Электронный ресурс] // altium.com. — [S. l.], 2024. — Дата публикации: 01.07.2024.
4. Федулова А.А. Технология многослойных печатных плат [Электронный ресурс] / А.А. Федулова [и др.]. — [S. l.], 2025. — Дата публикации: 07.10.2025.
5. Экономическая эффективность внедрения новой техники [Электронный ресурс] // grsu.by.
6. Рассчитать трудоемкость производственной программы методом прямого счета [Электронный ресурс] // kampus.ai.
7. Многослойные печатные платы [Видеозапись] // YouTube. — 2023. — 31 янв.
8. Как рассчитать себестоимость товаров и услуг [Видеозапись] // YouTube. — 2020. — 11 дек.
9. Руководство по стоимости печатной платы: сколько стоит печатная плата? [Электронный ресурс] // pcbasic.com. — [S. l.], 2025. — Дата публикации: 12.06.2025.
10. Проектирование для производства DFM в Altium Designer. Часть 1. Выбор материалов [Электронный ресурс] // elm-c.ru.
11. Расчет экономической эффективности внедрения новых технологических [Электронный ресурс] // bntu.by.
12. Оценка экономической эффективности внедрения инновационного оборудования : научная статья // Cyberleninka.
13. Себестоимость печати и управление затратами типографии [Электронный ресурс] // monorhythm.ru.
14. Фонд оплаты труда: формула расчета [Электронный ресурс] // fd.ru.
15. Расчет экономического эффекта от внедрения системы автоматизации [Электронный ресурс] // antegra.ru.
16. Как производят печатные платы [Электронный ресурс] // rezonit.ru.