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电子元件的库存危机:一位资深工程师的观点
录入时间:2019/7/23 10:27:14

作者:John Watson, CID

BUILDING CONTROL SYSTEMS, LEGRAND 公司

 很多人都熟悉戒备状态(DEFCON)的等级。如果我们能够把这种戒备状态等级应用到电子产业,把它与元件短缺的问题关联起来,那么电子行业就相当于处于一级戒备状态,这意味着电子行业的核战争一触即发。

元件短缺问题对在电子行业工作的每个人的影响都非常大,这会影响到日程安排和工作方式。最早大约在一年前,也就是2017年,这个问题开始影响整个行业。最初的表现是多层陶瓷电容器(MLCC)和钽电容器需要更长的交货时间。随着交货时间延长,可用的元件库存逐步耗尽,在真正意识到这种情况之前,我们已经历了一次风暴式国际危机。

在2019年年初,我们现在看到一些元件的短期交货时间最高需要16周;中到长期的交货时间需要32周,而长期交货时间长达80周。换句话说,如果我们现在订购一个元件,它可能要到一年半之后才能交付。

这一切都是从电容器开始(稍后我们将看到原因),但是现在我们看到其他种类的元件也陷入同样的境地(图1)。

l 电路板安装温度传感器(交货时间大约是5周)

l 有源开关IC(交货时间大约是6到10周)

l MOSFET(交货时间大约需要26+周)

l 阻尼器/二极管(交货时间大约是49周)

l 运算放大器与继电器(交货时间大约是52周)

l 厚膜电阻器/薄膜电阻器(交货时间大约是6到80周)

图1:供应不足的常用元件和它们的典型交货时间。

在市场如此动荡的情况下,这种情况让那些没有预先做好准备的人的工作处于停滞状态。

 是什么造成这场危机?

这可以归结为一个简单的经济学原理,即供需关系。在供应大幅下降时,对许多元件的需求却在爆炸式增长。元件制造商因为某些原因而没有及时跟上需求的步调。电子产业的三个主要发展方向造成这些元件的短缺。

1.     物联网(IoT

对智能设备的需求呈爆炸式增长——从电视到蓝牙扬声器系统;亚马逊、谷歌、苹果及其他公司的家用设备,到可再生能源产品;太阳能电池板;云计算。似乎我们现在用的所有东西都是“智能的”!

更有趣的是,如果物联网变得不好时会发生什么?例如,如果你在冰箱的购物单上加一打甜甜圈,而冰箱已经连接到体重秤并与之交互,它会决定让你减肥瘦身而不买甜甜圈吗?

根据Gartner的报告,预计到2020年将有超过200亿个新的物联网设备投入使用,在未来的几年内,这些设备的数量将翻倍增长。大量的硬件将投放市场。可以预计,无论是我们生活领域,还是各行各业,都将以某种方式感受到物联网的影响。

2.手机行业 

个人手机的使用量大幅增长;根据最新的报道,自2015年以来,手机的使用翻了一番。如果你想要这方面的证据,就去当地的购物中心,坐在餐饮区里看看周围的人——每个人都在低头地看手机。估计明年智能手机的产量将达到15亿部左右,而且每一款旗舰型号都包含大约1000个电容器。目前估计全球MLCC电容器的年生产能力是3万亿个。根据这些数字,全球生产的MLCC电容器中,近50%的电容器已指定了用途,明确将用于移动电话市场。

3.汽车

混合动力汽车和全电动汽车行业目前以两位数增长。但是,随着在汽车的自动驾驶系统(ADS)中增加新的技术,包括像停车传感器、自动挡风玻璃雨刷等所有新的自动化小配件,技术进步已深深渗入传统的燃油汽车中。

一辆标准的燃油汽车需要2000-3000个电容器。一辆电动汽车需要多达22000个电容器。此外,电动汽车控制电路内的温度比较高,这意味着传统的塑料薄膜电容器不再适用于汽车,因此越来越多地使用陶瓷MLCC。这种对MLCC的要求在汽车电子控制委员会(AEC)内产生一个新的监管机构,其任务是促进汽车用电子元件可靠性与合格性的标准化,包括元件的耐高温、耐高湿度、抗热冲击性和耐用性。

作为一个新的机构,AEC需要的标准和要求如下:

•AEC-Q100:集成电路(IC)

•AEC-Q101:分立的半导体元件(晶体三极管、二极管等)

•AEC-Q200:无源元件(电容器、电感器等)

有了这些新的标准,估计用新标准测试的元件近50%不合格,这会造成对这些专用的电子元件的需求增加五倍。


图2:混合动力汽车的全球销售量。(来源:ev-volumes.com)


图3:全球电子产业的增长率。

 

这场危机会持续多久?

 

最重要的问题是,“专家们认为这种情况会持续多久”?我不能确定它将持续多长时间,但是,我并不认为这种情况会很快会结束,主要有以下几个原因:

 

1.电子产业的增长预期

 

根据Statista的预测,电子产业在2019年将增长6%,在2020年将增长8%。这对整个行业来说是个好消息,但是也带来一些重大问题。首先,是否有足够的原材料来支持这项规模巨大的工程?其次,电子产业的所有部门的增长都需要新的硬件(图4)。


图4:Altium公司的ActiveBOM工具的屏幕快照。


2.零件制造商关停整条赢利能力低下的元件的生产线

在这场危机中,要处理的零件是一些比较大型的封装或外壳尺寸比较大的元件,例如所有尺寸大于0603的分立元件。制造商们正在关闭这些生产线,转换成生产需求更多的元件。这缩小了元件的选择范围,减少大元件的供应。

 3.供应商自身的问题

许多零件供应商现在已经转向配额供应。在按配额供应时,制造商分配库存的可用零件,因此只有一定比例的库存零件分配给特定的制造商。当然,供应商希望和那些订单最大的公司合作。

从制造商的角度来看,配额供应已经引起极大的恐慌。为了确保有可用的元件,新的常见做法是将订单中数量增加两到三倍。然后,存储这些元件以备将来使用。这只会给本已脆弱的供需体系带来更大的压力。

作为制造公司合作的一线人员,我们把产品从绘图板上剥离出来,纳入销售目录,零件的可用性问题对我们业务的各个方面都产生了巨大的影响。从开始着手新的设计的第一天起,我们就不得不对我们使用的元件心存疑问。问题在于,我们并不清楚从今往后元件会有什么特定的条件要求。我们从两方面来看元件可用性问题,一种情况是,我们最初认为没有问题的元件在设计中途变成有问题元件,(另一种情况刚好与此相反)。有时候,这类情况会变得很糟糕,以至于在某些情况下,我们终于找到可用的元件时,在我们填写采购订单前的几分钟内,这些元件又没了。

 我们要怎样做才能渡过这场危机?

 我建议和我一起工作的PCB设计师应遵循一条简单的原则:这是和过去不同的业务。在这样的环境中不要作任何假设。

在这个只看利益的世界里,有些人想充分利用这场危机来为自己牟利。许多黑市和假冒元件已经开始冒出来。我们已看到在供应链中的一些元件被认为是假冒的,因为它们不符合数据表上的规格要求。因此,我们能够找到并用来设计的元件是不可信的。这时,我的唯一反应是“啊”。

这场危机最终还是会结束。供应可能需要一段时间才能赶上需求,但这种情况终将结束。其中一个选择,尽管不是什么好选择,就是把你的头埋进沙子里,希望一切都会过去。但是,这个问题不会很快过去。面对这场的危机,我们要做到知道得越早越好。

以下是对渡过这场危机的一些建议:

1.超出规范的设计

 既然我们知道供应在变少,一些元件的供应量也在减少,那么,我们在采购元件时要有灵活性。在寻找元件时,要看元件的特定参数是否可以调整,超出应遵守的“规范”。例如,“我们需要用公差1%0.1-uF电容器作为旁路电容器吗”?只要你的设计中有集成电路,答案就是“有可能”。由于这是最常见的旁路电容器公差值,每个人都在争夺这种特定元件。如果你在设计时改变参数,尤其是把公差提高到5%,你就有更多的选择。很多时候,使用的元件对设计的影响非常大。做个简单的改变可以得到全新的可用元件库存。

2.PCB设计师推动设计过程的另一个领域

 现在,我们正在逐步做到不再使用采购清单中可能在设计过程就会出问题的元件。通过使用中Altium 18中工具,例如ActiveBOM,使我们很容易做到这一点。在以前,情况正好相反;在通常情况下,工程部门和采购部门之间基本上互不沟通。现在,我们通过ActiveBOM在整个公司范围过滤信息,确保我们获得的信息是有效的,那么,影响设计结果的决策在设计过程的初期就知道并做出决定,不会出现一旦出现问题,反应已为时过晚的情况。没有人喜欢接到那些来自组装车间的电话,被告知某种零件已经放在不能再用的设计上;更有可能的情况是,整个设计因为这个零件的原因而必须重新设计。此外,也没有人喜欢走到经理办公室去解释为什么无法按计划的最后期限完成组装的原因。

3. 使用多种尺寸的元件

 Benjamin Franklin曾经说过,“不做好准备,你就是在准备失败”。因此,我们开始使用多尺寸的元件,在设计上为替代元件预留多种尺寸规格,如果首选的元件短缺,我们也许会使用这些替代元件。这个做法导致一些为适应所有元件的有趣布局。

此外,渡过这场危机的要点归结为三个“P”:Plan(计划)、Prepare(准备)和Proactive(积极主动)。不要从已经有麻烦的设计开始着手,而是要走在问题的前面。很多时候,工程师会使用之前的设计思路,就是在许多元件可能已经过时,或已经处于废弃状态时,仍然认为它们是可用的。我们不能假定一切事情都做得很好。如果你发现元件已经出现库存问题,或者在新的设计中不推荐使用,那么,随着时间的推移,这种情况不会得到任何改善,甚至可能会变得更糟。此外,还要意识到,人们对设计的了解越深入,就越难在不影响他的收入或时间安排的情况下对设计进行更改。

有用的工具

 ActiveBOM对我们来说已经成为最重要的工具之一。知识就是力量,能看到“动态”的元件库存可用性信息和合适的AVL至关重要。ActiveBOM使我们具有给供应商排序的能力,针对各种不同的元件建立多个来源和供应商。我们可以通过电脑很容易找到这些信息;我们不必等到设计快完成时才发现最近公司刚建立了最新准入的要求而且公司库存的PCB质量很差情况。只要方案完成,我们就可以在ActiveBOM中运行它并找出存在的问题。如果在“这是和以前不同的业务”之后还有第二个原则,那就是“在整个设计过程中要经常检查元件的可用性”。

 结论

 总之,我建议你要了解各种情况。许多元件供应商发布他们的元件预测。需要时刻关注我们这个行业的各种发展趋势。你尽早了解问题或方向,就能更快地对所需要的改变做出合理的决策。这需要阅读电子期刊和新闻。要时刻关注媒体报导的最新情况。这个行业迟早会退出一级戒备状态。

作者简介:John Watson从事PCB设计超过20年。他的经验包括在不同的制造公司和PCB设计服务部门负责各种不同项目,例如高密度数字、DDR、模拟、电源、高频射频等。他现在是Legrand公司建筑控制系统的资深PCB工程师,Watson领导由50名分布在全球各地的设计师组成的创新PCB设计团队,Watson重点关注的是培训和监控。他非常精通PCB设计工艺流程和标准化。此外,Watson是一位非常受欢迎的顾问、作者和会议发言人。


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