Cómo gestionar bibliotecas ECAD para un diseño de layout de PCB consistente

Nada duele más que hacer todo correctamente en un diseño de hardware, solo para que tu placa falle debido a una única huella. He pasado por esto, así que no repitas mis errores. Aprende a gestionar bibliotecas ECAD para un diseño de disposición de PCB consistente.

Claves para llevar

• Una única huella incompatible puede costar semanas de retraso, $20,000 en producción perdida y una relación con el cliente. Incluso los descuidos menores pueden destruir la confianza y los cronogramas.
• La desorganización y la falta de estructura en las bibliotecas ECAD están entre las principales causas de fallo de los PCB. Los procesos estandarizados y los datos de componentes son esenciales.
• Una descripción de componente sólida es más valiosa que un número de parte porque asegura la trazabilidad, simplifica el reemplazo y previene rediseños costosos cuando las partes se vuelven obsoletas.
• Un diseño de PCB confiable depende de cinco pilares: símbolos esquemáticos, datos de componentes, simulación, modelos 3D y patrón de tierras.
• La simulación, las verificaciones de colisión 3D y las huellas conformes a IPC previenen errores aguas abajo que son costosos o imposibles de corregir después de la fabricación.
• Un sistema disciplinado de gestión de bibliotecas convierte el caos en fiabilidad. El proceso no te ralentiza. Los errores sí.

La Huella de $20K

A principios de mi carrera como freelance, me movía rápido, ansioso por demostrar mi valía a un nuevo cliente. El diseño estaba completo, la fabricación transcurrió sin problemas y todas las partes estaban en stock. Dos semanas después, cuando comenzó el ensamblaje, recibí un correo electrónico que me heló el estómago: “Pausa en la producción – Un componente del PCB no puede colocarse en el ensamblaje.”

Estaba convencido de que tenía que ser un problema con el número de parte. Revisé la BOM, el esquemático y la disposición de la placa. Todo parecía estar bien. Hasta que no lo estuvo.

Una huella tenía el pinout incorrecto. La había cambiado a mitad del diseño por una prueba y olvidé sincronizarla de nuevo con el esquemático. Ese pequeño descuido detuvo la producción.

¿El resultado? $332 desperdiciados en cinco placas de prueba, un retraso de seis semanas y una producción de $20k perdida. La confianza del cliente – desaparecida. Se perdieron su plazo y eligieron a otro diseñador para el trabajo de disposición. El colega que me había recomendado se mantuvo cortés, pero nunca conseguí otro proyecto de esa empresa.

Fue brutal, pero también la lección más importante de mi carrera. Incluso los mejores ingenieros cometen errores cuando les falta estructura. No tenía una lista de verificación, ninguna estandarización, solo lo que estaba en mi cabeza. Eso tenía que cambiar.

He aquí el principio fundamental que aprendí:

Mantén los datos esenciales mínimos para cada parte en tu biblioteca. Para los compradores, el campo más importante es el Número de Parte del Fabricante (MPN). Pero para los diseñadores, es la descripción del componente.

¿Por qué? Porque los MPN solo importan cuando compras partes, y envejecen rápido. Aprendí por las malas que después de solo unos pocos años, puedes perder acceso a la información de las partes, proveedores, o incluso el fabricante. Sin una descripción, necesitas descifrar los antiguos esquemáticos para determinar qué era la parte, o peor, rediseñar esa sección de la placa.

Una descripción detallada del componente actúa como una salvaguarda. Resume la hoja de datos, define características clave y te permite encontrar rápidamente partes equivalentes y activas entre proveedores. Por eso los ingenieros experimentados siempre guardan las hojas de datos, incluso para los capacitores. Saben que las partes se volverán obsoletas, y el tiempo dedicado a buscar reemplazos es productividad perdida.

Así que no, no debería ser "normal" pasar la mitad de tu tiempo buscando información de componentes. Por eso ahora confío en herramientas de gestión de BOM y un proceso estandarizado para mantener cada componente rastreable, reemplazable y listo para la producción. En la siguiente sección, explicaré ese sistema, el que aseguró que nunca volviera a perder un cliente por desorganización.

Puedes pensar, "Somos pequeños; un proceso nos ralentizará." Yo también pensaba eso. Pero como muestra mi historia, incluso un equipo de una persona puede pasar algo por alto cuando no respetas tu propio proceso, descubierto solo semanas después durante el ensamblaje.

Una huella puede arruinar un calendario. Si una parte no se puede colocar, el ensamblaje se detiene. Entonces estás soldando a mano, brutal en una placa de alta densidad.

Estoy compartiendo el proceso interno que mantenía en mi cabeza para que no repitas mis errores ni le cuestes a tu cliente. No puedes esperar a "crecer para" adoptar un proceso. Los equipos más pequeños tienen menos margen de error. Un poco de rigor por parte ahorra semanas de trabajo, decenas de miles de dólares y protege ventas futuras, flujo de efectivo y la empresa.

El proceso no te retrasa. Los errores sí lo hacen.

Entonces, ¿cuál es la conclusión? Mantén una descripción detallada del componente para que la pieza pueda ser recreada en el futuro lejano, y revisa las huellas dos o incluso cuatro veces.

¿Por qué las bibliotecas de partes rompen lanzamientos de productos enteros?

Los problemas más comunes con las bibliotecas de partes son los siguientes:

Registros solo con Número de Parte del Fabricante (sin campos descriptivos)

Lo que realmente duele es cuando un registro tiene solo un número de parte del fabricante y nada para identificar la parte.

Los NPF se vuelven obsoletos, y no todos los fabricantes mantendrán registros de obsolescencia de los NPF antiguos. Además, las empresas son adquiridas y los registros antiguos se pierden con el tiempo, especialmente en productos de larga duración como los sistemas aeroespaciales. Cuando todo lo que tienes es un número de parte, la información que estuvo en línea durante años puede desaparecer de repente hoy.

BOMs de Proveedor Único, Puntos Ciegos del Ciclo de Vida

La semana pasada, envié un BOM para un cliente. Las verificaciones de diseño y Gerber estaban bien, pero las partes no estaban en stock, algunas tenían bajo stock (<1–2k unidades), y no había proveedores de respaldo. En diseños anteriores, los ingenieros tenían más de ocho fuentes y alternativas. Todo funcionaba sin problemas.

Los compradores a menudo necesitan depender de más de una fuente, lo que significa que los ingenieros necesitan proporcionar opciones de proveedores alternativos en el BOM. De lo contrario, el ensamblaje se retrasa y el diseñador necesita gastar tiempo extra buscando en sitios web de distribuidores para encontrar inventario.

El Marco: Los 5 Pilares de un Componente Sólido

Ahora que está claro que una biblioteca de PCB perfecta es esencial, ¿cómo prevenimos estos problemas? Aquí hay un marco robusto para usar en diseño y producción de hardware. Hay cinco elementos clave que cada dispositivo/componente debe tener en tu biblioteca de partes. Grábalos en tu base de datos y nunca los omitas. Añade cualquier otra cosa que quieras, pero siempre incluye estos.

En las bibliotecas ECAD, modelamos el equivalente digital de ese dispositivo físico en nuestro software de diseño. Para hacerlo correctamente, debemos mostrar:

Propiedades del producto

• Información sobre la parte: disponibilidad, precio, cantidad mínima de pedido, descripción y más.
• Funcionalidad eléctrica: Modelos de simulación (como SPICE, IBIS, etc.) para predecir el comportamiento bajo diferentes condiciones antes de gastar dinero en construcciones y pruebas. A menudo se omite en ciclos apresurados cuando los cálculos manuales y las hojas de datos parecen suficientes.
• Modelo 3D: Una representación en 3D del dispositivo que muestra la altura, tamaño y forma, lo cual es importante para mostrar la colocación de la PCB dentro de un recinto.
• Interfaz de la PCB: El área en la PCB donde se coloca la parte, la huella de la PCB, para que coincida con la parte física real.

Pilar 1 - Símbolo Esquemático

Un símbolo esquemático es la representación conceptual de una parte. Convey cómo funciona la parte, incluyendo pines, nombres de pines y convenciones de símbolos estándar.

La representación visual correcta importa, así que no uses cajas genéricas. Por ejemplo, para una resistencia, usa un símbolo de resistencia adecuado, no una caja.

Pilar 2 - Información del Componente

Esta es la parte más importante de cualquier dispositivo porque define todo lo demás. Sin los datos de la parte, no puedes comprarla ni construirla. Cada parte necesita la siguiente información:

Descripción del Componente

Esto identifica la parte en tu base de datos y es la manera más rápida de proporcionar una amplia capacidad de búsqueda basada en especificaciones. Usar solo el número de parte del fabricante para la descripción del componente no es práctico porque no permite la búsqueda por especificación. Una descripción abreviada con algunas especificaciones clave es mejor. Ejemplo: en lugar de LTST-C193TBKT-5A, usar LED AZUL TRANSPARENTE CHIP SMD.

Pero vamos aún más lejos. Aquí está mi convención de nombres:

Forma larga (canónica):

LED AZUL 470NM TRANSPARENTE INDICADOR DISCRETO 2.8V 0603 (1608 MÉTRICO) SMD

Medio (amigable con ERP):

LED AZUL 470NM TRANSPARENTE 2.8V 0603 (1608 MÉTRICO)

Ultra-corto (etiqueta/ítem de línea):

LED AZUL 470NM 0603

Yo optaría por la opción 2, la versión Medio (amigable con ERP).

Descripción del Componente

Una descripción del componente incluye función, parámetros clave y tipo de paquete. Un “LED simple” no es solo simple. Captura estos detalles para que sea identificable y utilizable.

Las descripciones precisas de las partes hacen posible los cambios informados. Para un LED, necesitas datos como el voltaje/corriente directa y el brillo (calificación mcd). Un nombre como "LED AZUL TRANSPARENTE CHIP SMD" funciona como nombre de parte, pero no como una descripción completa. No te ayudará a encontrar un reemplazo sin una hoja de datos.

Una mejor descripción es: "Indicador LED azul 470nm – Discreto 2.8V 0603 (1608 Métrico)." Incluye directamente el voltaje directo, la longitud de onda y el tamaño del paquete, lo cual es suficiente información para localizar rápidamente una parte similar a través de una simple búsqueda por palabras clave.

Compáralo con una descripción pobre como "LED azul SMD". No te dice nada sobre el voltaje directo, la luminosidad, la huella precisa, etc. Eso te obliga a abrir la hoja de datos para este MPN, localizar las especificaciones eléctricas básicas y comparar eso contra los requisitos de ingeniería o el diseño en el esquemático. 30 minutos por un LED. Escala eso a 40 partes en un BOM de 200 líneas, y las horas (y costos) desperdiciados son obvios.

Hoja de datos

Lo único más valioso que la descripción de la pieza es la hoja de datos. Guarda las hojas de datos de cada pieza que uses porque los fabricantes cambian los enlaces con frecuencia. Mantén una copia local y enlázala al dispositivo, y también almacena el enlace del portal web como un campo de la pieza.

Considera la jerarquía de esta manera:

• Nombre del componente: la abreviatura de nivel más alto para encontrar la pieza.
• Descripción detallada: un nivel más abajo; abstracción sucinta de la hoja de datos.
• Hoja de datos: fuente de la verdad.

El propósito del nombre de la pieza es ayudarte a profundizar en lo que necesitas. Puede que sea o no suficiente para intercambiar o recrear piezas. Cuando la descripción contiene suficiente detalle para encontrar una nueva pieza, aún mejor.

Número de Parte del Fabricante

El número de parte del fabricante es obligatorio, incluso si tienes una descripción para la pieza. Algunos fabricantes usan números de parte similares o familias de números de parte genéricos (por ejemplo, lógica de la serie 7400, componentes de la serie LM3xx, etc.), por lo que el número de parte necesita ser exacto ya que corresponde a un paquete específico, huella y especificaciones eléctricas.

Nombre del Fabricante

Para evitar cualquier confusión al buscar componentes, es importante tener siempre el nombre correcto del fabricante. Esto también es útil si planeas ordenar algunos componentes directamente desde el sitio web del fabricante.

Proveedores

Es una buena idea listar al menos un proveedor. La mayoría de los fabricantes venden a través de distribuidores franquiciados (por ejemplo, Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Usa Octopart para ver los proveedores disponibles y las opciones de entrega a tu puerta o a la casa de ensamblaje.

Pilar 3 - Simulación (Cuando sea necesario)

Cuando el rendimiento en tiempo real importa y necesitas un diseño correcto a la primera, la simulación a nivel de circuito y de diseño proporciona una buena comparación para los resultados de las pruebas y ayuda a detectar problemas simples desde temprano.

Entonces, ¿qué podemos hacer para simular nuestros componentes?

• Modelos SPICE, para la operación básica del circuito, análisis de fallas, especialmente en electrónica de potencia.
• Modelos IBIS, para simulación y análisis de alta velocidad con el fin de detectar problemas de impedancia con anticipación. Úselos para tiempos de subida y frecuencias de tarjeta alrededor de 1 GHz y superiores. Prácticamente obligatorios para digitales de alta velocidad (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Para cualquier cosa cerca de ~10 GT/s y más, simule con IBIS para validar antes de probar. Tenga en cuenta que los resultados pueden variar con el material dieléctrico de la PCB.

Pilar 4 - Modelo 3D/MCAD

Muchos productos tienen espacios muy ajustados en las carcasas mecánicas, por lo que cada milímetro en X, Y y Z importa. Usando la verificación de colisión 3D contra la carcasa, se puede localizar un problema de interferencia antes de construir cualquier prototipo de ensamblaje.

Incluso en 2021, no era raro trabajar solo con huellas, pero si va a producción, incluya modelos 3D y realice pruebas de colisión. Si la pieza no puede colocarse en la PCB, no tiene un producto. La pieza existe más allá de la PCB. Los formatos 3D típicos son STEP (AP224, AP214, etc.). Recolecte esos modelos y manténgalos organizados.

Pilar 5 - Patrón de Tierra en la PCB

Necesitamos colocar la pieza en el PCB. El patrón de montaje define las almohadillas de cobre donde se soldará el componente. Está el patrón de montaje recomendado por el fabricante y el patrón de montaje realista que depende de la densidad de la disposición del PCB según lo definido en las normas IPC. Opciones como Condiciones de Material Mínimo, Nominal y Máximo en IPC-7351/7352 tienen la intención de equilibrar el espaciado entre pines de parte a parte contra la necesidad de formar un filete de soldadura suficientemente grande.

Dada su importancia, esto es lo que siempre verifico para los footprints.

Lista de Verificación de Footprint de PCB

• Polaridad del pin-1
• Reducción de pasta % indicada (0% es el estándar hoy en día. El fabricante lo cambiará)
• Patio
• Dimensiones de la almohadilla especificadas (ahorra a cada ingeniero tener que hacerlo manualmente cada vez)
• Razonamiento de Más/Nominal/Menos
• Regiones de prohibición

Hay más verificaciones por hacer, pero estas son las más importantes. No querrás descubrir durante el diseño que una parte deja muy poco espacio en un PCB de alta densidad. Tendrás que cambiarla o encontrar el footprint o parte correcta de todos modos. Haz el trabajo ahora, o haz el doble de trabajo más tarde.

Conclusión y una Fuerte Recomendación

"Un diseño de PCB es tan bueno como su biblioteca CAD." Eso es lo que recuerdo de mi reunión con Tom Hausherr durante el descanso de las fiestas de diciembre de 2021, mientras compartía historias de guerra de liderar las actualizaciones de IPC-7351.

La conclusión fue clara: los componentes dictan el éxito del PCB. Cada fallo irreparable que he tenido se remonta a un descuido en un componente. Con las piezas adecuadas, un circuito defectuoso a menudo puede ajustarse, pero no los dispositivos en sí. Y después de la fabricación, encontrar un reemplazo compatible con el footprint es una apuesta, sin mencionar el tiempo perdido desoldando y retrabajando en lugar de probar.

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