Diseño para Prototipado Manual y Libérate de tus Restricciones

El término "prototipado manual" puede significar diferentes cosas. Podría referirse a la fabricación y ensamblaje de una PCB en casa, unir módulos para formar un pequeño sistema, o simplemente el ensamblaje manual de un prototipo simple. Si estás construyendo uno de tus primeros diseños, es posible que quieras realizar el proceso de ensamblaje a mano. Incluso más, algunos diseñadores novatos querrán grabar sus propias placas con una solución de cloruro férrico en casa.

Generalmente, la decisión de realizar cualquier prototipado manual para una PCB se reduce al costo. Es cierto que hacer las cosas por tu cuenta reduce el costo en términos de dinero, pero requiere tiempo y esfuerzo para ensamblar algo correctamente. Sea lo que sea que decidas hacer con tus prototipos, hay algunos pasos simples para asegurarte de obtener el mayor beneficio del tiempo que inviertes en construir tus prototipos manualmente.

Consejos útiles al diseñar para el prototipado manual

Los consejos descritos a continuación deberían ayudar a asegurar que tu diseño de prototipo pueda ser fácilmente ensamblado y configurado una vez que hayas colocado todos los componentes.

1. Consigue el Equipo Adecuado

Primero lo primero, necesitas el equipo adecuado si quieres soldar algo a mano en tu prototipo de PCB. El ensamblaje manual con un soldador o con una pistola de aire caliente son opciones adecuadas, o puedes seguir el camino de Mark Harris y construir tu propio horno de reflujo. Aquí tienes una breve lista de compras:

• Estación de soldadura manual con múltiples puntas (como JBC o Weller)
• Pistola de aire caliente para SMT o retrabajo
• Hilo de soldadura y pasta de soldar
• Flujo de soldadura, ya sea dispersable en una jeringa o en un bolígrafo
• Mecha desoldadora para retrabajo
• Agente de limpieza (alcohol isopropílico)
• Un buen juego de pinzas para componentes SMD pequeños

Esta no es una lista exhaustiva de lo que necesitarás en tu laboratorio, pero es lo que necesitarás para comenzar a ensamblar tus placas manualmente.

2. Usa el Tamaño Correcto de Componente SMD para Pasivos

Muchos prototipos manuales solo utilizarán componentes through-hole ya que son fáciles de manejar y ensamblar a mano. Sin embargo, si quieres hacer algo con componentes digitales más modernos, debes usar componentes SMD ya que estos son el empaquetado estándar para dispositivos más avanzados. También encontrarás muchos conectores, pasivos y componentes de potencia disponibles como componentes SMD.

Para los pasivos, los pasivos SMD están disponibles en múltiples tamaños, siendo el más pequeño el 0201 (20 mil por 10 mil) y el 2512 el más grande. Los pasivos 0201 son muy difíciles de soldar manualmente, y no te sorprendas si de repente pierdes algunos de estos componentes detrás de tu banco de laboratorio. Además, los componentes SMD más pequeños son muy fáciles de confundir; no te sorprendas si accidentalmente intercambias resistencias SMD con el mismo tamaño de carcasa pero con diferentes valores de resistencia.

No elijas tamaños demasiado pequeños.

Creo que vale la pena tomarse un tiempo para ver qué tamaños de componentes pasivos SMD te sientes cómodo colocando y soldando a mano. A medida que tus componentes SMD se hacen más pequeños, no tendrás el lujo de usar tu soldador para soldarlos simplemente porque son demasiado pequeños; te conviene más usar aire caliente. Si debes usar un soldador, entonces es una buena idea hacer tus almohadillas SMD más largas para que puedas alcanzarlas con el alambre de soldadura y el soldador.

3. Evita los paquetes de matriz de bolas (BGA), si es posible

Soldar componentes de paso diminuto como los QFPs o TSOPs puede ser difícil, pero ciertamente es posible con un soldador, y es mucho más fácil con aire caliente o un pequeño horno/placa caliente. Los paquetes BGA no se pueden soldar con un soldador simplemente porque no tendrás forma de alcanzar todas las almohadillas debajo del componente. En su lugar, tendrás que usar aire caliente para estos componentes.

El otro problema con los BGA en el prototipado manual es la inspección. Estos componentes normalmente se inspeccionan con un sistema de inspección por rayos X, ya que esto permite la visualización directa de las esferas debajo del paquete BGA. Si ocurre un problema con el prototipo, será más difícil diagnosticar si el problema se debe a un defecto de ensamblaje o a algún otro problema en el sistema.

Paquete BGA - no el más amigable para el prototipado manual.

Dicho esto, aún puedes probar las conexiones del BGA desde el lado posterior de la placa siempre y cuando uses agujeros pasantes para el despliegue del BGA. Asegúrate de no cubrir la capa trasera si quieres acceder a esas conexiones BGA con una sonda de multímetro como parte de tu inspección. Esta es una manera de verificar si hay almohadillas puente en tu BGA, aunque tomará mucho tiempo debido al alto número de conexiones que se encuentran típicamente en un BGA. Por estas razones, podría ser mejor evitar los BGA en tu placa de prototipo y optar por un paquete con patillas alternativo como el QFP.

4. Usa Alivios Térmicos

Habrá almohadillas donde intentes aplicar soldadura y formar una unión con un soldador o una pistola de calor. El problema es que la placa puede no tener una temperatura uniforme en toda su superficie, y el calor abandonará las almohadillas si están conectadas a un plano o a una gran región de vertido de cobre. El resultado es que el soldador o la pistola de calor pueden necesitar alcanzar una temperatura muy alta solo para soldar una sola almohadilla, y esto puede arriesgar dañar la placa o los componentes.

Si no cuentas con una buena placa caliente para soldar o un horno, esto se puede prevenir mediante el uso de alivios térmicos. Colocar alivios térmicos en ciertas almohadillas ayudará a prevenir la migración del calor hacia grandes regiones de cobre, así podrás formar más fácilmente una unión de soldadura en el componente a una temperatura aplicada más baja.

5. Haz uso de puntos de prueba, puentes y puentes de soldadura

El objetivo de muchos prototipos es probar tantas funciones de tu placa como sea posible. Esto significa que querrás hacer algunas partes de tu diseño de PCB configurables. Una forma de hacer esto es usar puntos de prueba, puentes de soldadura y jumpers. Estos componentes te permiten hacer o deshacer conexiones, sondear valores eléctricos, tomar medidas e incluso medir señales con un osciloscopio. Con un puente de soldadura de tamaño adecuado en el diseño del PCB, incluso puedes soldar pequeños componentes de chip SMD en las líneas de señal según sea necesario.

6. Extender I/Os adicionales a cabeceras de pines

La otra parte de construir un prototipo es hacer conexiones con otros sistemas o acceder a E/S para conectar a otros productos de desarrollo. Por eso es una buena idea llevar todos tus E/S extras a cabeceras de pines. Con acceso a tus E/S a cabeceras de pines, puedes hacer prototipos basados en aplicaciones así como prototipos basados en placas. También puedes conectar componentes externos como sensores, motores pequeños, LEDs, botones, módulos de programación o cualquier otra cosa que se te ocurra. Generalmente, estas serán E/S de baja velocidad, por lo que puedes usar una cabecera de pines pasante simple para hacer estas conexiones. Recomiendo poner una resistencia SMD de 22 Ohm en las líneas de E/S entrantes cerca de la cabecera de pines para ralentizar ligeramente estas señales, ya que esto reducirá la EMI.

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