Visión general
La industria de la electrónica de consumo depende mucho de la fiabilidad de los dispositivos. La simulación y las pruebas son dos herramientas que permiten a los diseñadores asegurarse de que un producto funciona bien. Un buen diseño debe predecir las necesidades de la placa de circuito impreso completa y proporcionar lo necesario para satisfacerlas. Unas sólidas prácticas de diseño DFT, DFM y DFA son vitales para crear una placa que pueda fabricarse y utilizarse de forma fiable.
Los diseñadores deben añadir puntos de prueba y otras características de prueba a la placa de circuito impreso para que los técnicos puedan realizar comprobaciones durante la fase de pruebas. Un buen diseño también debe cumplir las normas que facilitan la fabricación y el montaje de la placa. Dedicar tiempo al esquema y la simulación desde el principio puede reducir el tiempo de desarrollo y hacer que el producto final sea más fiable.
Diseño para pruebas (DFT)
Las pruebas y la inspección son pasos esenciales en el ciclo del producto PCB. DFT significa añadir elementos como puntos de prueba a la placa de circuito impreso para facilitar la comprobación del funcionamiento del circuito. Los puntos de prueba adicionales ayudan a los ingenieros a comprobar la placa una vez construida. El objetivo es encontrar y confirmar cualquier defecto de fabricación que pueda impedir el funcionamiento del producto.
Ideas clave de DFT
Dos ideas clave en la DFT son la controlabilidad y la observabilidad:
- Controlabilidad: La capacidad de ajustar determinados nodos o entradas de un circuito a un estado o valor lógico conocido.
- Observabilidad: La capacidad de ver el estado o valor lógico de los nodos internos o salidas.
Estas dos ideas permiten a los ingenieros poner el diseño en un estado de arranque conocido y, a continuación, controlar y observar las señales internas. Esto ayuda a comprobar si el dispositivo funciona como debería. Las pruebas pueden detectar fallos funcionales o defectos de fabricación.
Fallos de funcionamiento y comprobaciones habituales
- A fallo de funcionamiento se refiere a la salida incorrecta o pobre del sistema, causada por un mal comportamiento del circuito o errores funcionales repetidos.
- Los errores pueden corregirse con ajustes del código o pequeñas modificaciones, pero los fallos graves indican la necesidad de cambios en el diseño.
- El proceso de diagnóstico detallado de averías se denomina Análisis modal de fallos (AMF).
- Durante las pruebas funcionales, los ingenieros también verifican las corrientes enrutadas, los voltajes de las patillas, los niveles de potencia, las señales de conmutación y temporización y la temperatura de la placa.
Defectos comunes de fabricación
Los defectos de fabricación se derivan de problemas como el exceso de residuos metálicos en la placa, un chapado deficiente, la contaminación en las juntas de soldadura y problemas dieléctricos. Estos problemas pueden provocar cortocircuitos, circuitos abiertos, juntas de soldadura débiles o fallos de aislamiento. Es crucial diseñar para minimizar el riesgo de que se produzcan estos defectos y facilitar su detección en caso de que ocurran.
Dos formas de añadir funciones DFT
1. Técnica temporal
- Añade funciones de prueba sin grandes cambios en el diseño original.
- Utiliza puntos de prueba temporales para probar el dispositivo sin necesidad de añadir numerosas almohadillas de prueba permanentes.
- Ventajas: Rentable, rápida de aplicar, adecuada para primeras series de producción y prototipos.
2. Técnica estructural
- Una solución permanente que integra puntos de prueba dedicados en el diseño de la placa.
- Ventajas: Simplifica la depuración; si se produce un defecto, los puntos de prueba permanentes facilitan la localización y solución de problemas.
- Lo mejor para la detección a gran escala de defectos de fabricación.
ICT - Prueba en circuito
- ICT (Prueba en circuito) suele utilizar un accesorio de cama de clavos.
- Funciones: Mide la resistencia, la capacitancia y otros valores de componentes pasivos; verifica la funcionalidad de componentes analógicos (por ejemplo, amplificadores, osciladores); detecta problemas comunes como cortocircuitos, circuitos abiertos o componentes incorrectos.
- Configuración típica: Incluye un comprobador, un accesorio y software de prueba.
Prueba de la sonda volante
- Una forma sencilla y eficaz de TIC.
- Características principales: Las sondas se pueden mover libremente por la placa de circuito impreso para tocar los puntos de prueba necesarios; no se necesita un soporte fijo, por lo que resulta rentable para la producción de lotes pequeños o prototipos.
- Ventaja: Para los cambios de diseño, los puntos de prueba no requieren modificaciones de hardware: sólo es necesario actualizar el programa de pruebas.
Diseño para la fabricación (DFM)
La disponibilidad de componentes y los métodos de fabricación varían según la empresa y el país. La compatibilidad electromagnética (CEM) es otra norma obligatoria para los dispositivos antes de su comercialización. Los diseñadores deben garantizar que el diseño se ajusta a los procesos de fabricación disponibles, que los componentes utilizables pueden cumplir las funciones requeridas y que el diseño final cumple los requisitos de tamaño y forma especificados. DFM (Diseño para la fabricación) implica la planificación y el diseño de un producto para permitir una fabricación fácil y de bajo coste.
Objetivos de DFM
La DFM ayuda a acelerar la producción de PCB y a reducir el tiempo y los costes de producción. A continuación se indican las comprobaciones clave y las mejores prácticas de DFM:
1. Selección de componentes
- Los componentes estándar son más fiables y rentables que los personalizados, lo que añade valor al producto.
- El uso de componentes estándar simplifica la logística: la sustitución es más fácil en caso de avería en comparación con los componentes personalizados.
- Los componentes estándar suelen tener tolerancias claras y buena soldabilidad.
2. Forma y disposición del tablero
- Cumplir los requisitos de forma y tamaño especificados por el cliente.
- Tenga en cuenta la ubicación de los conectores y agrupe los circuitos por necesidades de potencia, frecuencia y enrutamiento.
- Coloque los componentes relacionados funcionalmente cerca para minimizar la longitud de la traza y las interferencias.
3. Minimizar el número de piezas
- Reducir el número de componentes disminuye los costes y simplifica la fabricación, lo que puede reducir el número de capas de la placa de circuito impreso.
- Determine el número de capas en función del área de la placa, el encaminamiento de la alimentación, la integridad de la señal, los requisitos de aislamiento y el número de señales de alta velocidad.
4. Reutilizar elementos de diseño
- Diseña componentes reutilizables para reducir costes (por ejemplo, un plano de tierra bien diseñado puede servir como capa estructural, apantallamiento EMI y potenciador de la integridad de la señal).
- Cumplir las normas DFM: anchura mínima de la traza, espaciado entre trazas y tamaño correcto del anillo anular de la vía.
5. Conformidad y CEM
- Planifique la compatibilidad electromagnética y el uso de la energía desde la fase inicial de diseño para mejorar la calidad del producto y reducir las costosas repeticiones.
- Deje margen para pequeños cambios posteriores a la fabricación en el tamaño de la placa o la colocación de los componentes para evitar errores de montaje o rendimiento.
6. Manipulación y envasado
- Evite los diseños asimétricos, que pueden causar daños durante la manipulación (provocando fallos).
- Minimice el uso de piezas frágiles o demasiado flexibles.
- Utilice un embalaje seguro y compacto para proteger la placa durante el transporte y el uso.
Diseño para montaje (DFA)
La industria electrónica se basa en la facilidad de montaje de los componentes. Los dispositivos se fabrican adquiriendo piezas locales y mundiales y ensamblándolas según las necesidades. Menos piezas reducen el tiempo de montaje; los módulos diseñados para facilitar el montaje agilizan todo el proceso. DFA (Diseño para montaje) es un enfoque de diseño que da prioridad a la facilidad de montaje, lo que supone un importante ahorro de costes.
Buenas prácticas en ADF
1. Reducir la variedad de piezas
- Utilice el mismo componente en varias ubicaciones para reducir el inventario, simplificar las operaciones de recogida y colocación y minimizar los errores.
2. Facilite la colocación de las piezas
- Seleccione componentes con marcadores de polaridad claros para facilitar la orientación.
- Diseñe huellas que se ajusten a las dimensiones reales de los componentes y proporcionen suficiente superficie de contacto para una soldadura fiable.
3. Agrupar las piezas de forma lógica
- Componentes del clúster que requieren pruebas o puesta a punto.
- Agrupe las piezas por función para permitir un montaje y unas pruebas ordenados.
4. Diseño para montaje automatizado
- Garantizar la compatibilidad del diseño con las máquinas pick-and-place y los hornos de reflujo para líneas de producción automatizadas.
- Mantenga la placa plana y evite los componentes altos que puedan obstruir el montaje de las piezas adyacentes.
5. Permitir el trabajo manual
- Reserve espacio para que los trabajadores puedan acceder a las almohadillas y conectores para los pasos de montaje manual.
- Utilice puntos de referencia y marcadores claros para la alineación de equipos y personal.
6. Utilizar un buen diseño mecánico
- Diseño de la forma de la placa y orificios de montaje para facilitar la instalación en armarios.
- Proporcione puntos de montaje claros y evite diseños que provoquen tensiones en la placa durante la instalación.
Comprobaciones prácticas y ejemplos
1. Anchura y espaciado de las trazas
- Siga las Fabricante de PCB requisitos mínimos de anchura y espaciado de las trazas.
- Las trazas más anchas transportan más corriente y son más fáciles de fabricar; una separación suficiente entre las trazas reduce los riesgos de cortocircuito.
2. Vía Diseño
- Seleccione el tamaño de vía y el anillo anular adecuados. Las vías pequeñas ahorran espacio, pero son más difíciles de revestir y pueden ser menos fiables.
3. Máscara de soldadura y serigrafía
- Utilice una máscara de soldadura para evitar cortocircuitos y facilitar la soldadura.
- Mantenga la serigrafía despejada y alejada de los pads para evitar imprimir en zonas soldables.
4. Planificación térmica y energética
- Asigne una superficie de cobre adecuada a los componentes de potencia para disipar el calor.
- Utilice alivios térmicos en las almohadillas cuando sea necesario; coloque los componentes de alimentación para evitar la acumulación de calor cerca de las piezas sensibles.
5. EMI y conexión a tierra
- Utilice planos de tierra sólidos y vías de retorno cortas.
- Mantenga las trazas de alta velocidad cortas y con impedancia controlada.
- Coloque condensadores de derivación cerca de los pines de alimentación y enrute las redes de alimentación con cuidado.
6. Puntos de prueba de montaje
- Coloque las almohadillas de prueba para facilitar el acceso a la sonda, libre de obstrucciones por otros componentes.
- Utilice almohadillas de prueba de tamaño estándar para evitar daños durante la palpación.
7. Embalaje y envío
- Utilice un acolchado antiestático para proteger la placa.
- Empaquete las placas para evitar que se doblen o entren en contacto entre sí; proteja los conectores expuestos y los componentes frágiles.
Conclusión
En el ciclo de producción de placas de circuito impreso, aproximadamente 70% de los costes de fabricación se determinan durante la fase inicial de diseño. Aplicar la DFM desde el principio reduce los costes y acelera la comercialización. La DFT garantiza la funcionalidad posterior a la fabricación, mientras que la DFA reduce el tiempo y los gastos de montaje. Siguiendo las mejores prácticas de DFT, DFM y DFA, los diseñadores pueden crear PCB fiables y rentables.
Lista de control sencilla (para una revisión rápida)
- Añade puntos de prueba para redes clave.
- Garantizar que las redes sean controlables y observables.
- Dar prioridad a los componentes estándar siempre que sea posible.
- Minimice el número de piezas y capas.
- Cumpla las especificaciones del proveedor en cuanto a anchura y espaciado de las trazas.
- Utilice planos de tierra y coloque condensadores de derivación cerca de los pines de alimentación.
- Huellas de diseño que coinciden con las dimensiones reales de los componentes.
- Reserve espacio para las puntas de prueba y las herramientas de recogida y colocación.
- Plan de manipulación, embalaje y montaje.
- Realizar pruebas de TIC o de sonda volante en prototipos.
