Gestión de datos y diseño de PCB

Aprenda sobre la gestión de datos de PCB y cómo se interrelaciona con el proceso de diseño de PCB y las funciones de todos los involucrados.

Según el diccionario de negocios, un proceso es:

«Una secuencia de procedimientos interdependientes y vinculados que, en cada fase, consumen uno o más recursos (horas de trabajo, energía, máquinas, dinero) para convertir insumos (datos, material, piezas, etc.) en productos. Estos productos sirven, a continuación, como insumos para la siguiente fase hasta que se alcanza una meta conocida o un resultado final».

Esta definición es ampliamente utilizada porque describe de una forma concisa y detallada las diferentes partes de un proceso, las fases, los recursos, las entradas y salidas y el objetivo. La utilizaremos como trampolín para saber cómo el proceso empresarial se relaciona con la gestión de datos de PCB y, más importante, cómo se interrelaciona con el proceso de diseño de PCB y las funciones de todos los involucrados.

Segmentación

Existe una práctica común en el mundo de la informática llamada segmentación, conocida también como canalización de datos. Se define como un conjunto de elementos de procesamiento de datos conectados en serie, donde la salida de un elemento genera la entrada del siguiente. Eso es exactamente lo que estamos creando aquí con nuestro sistema de gestión de datos de PCB y nuestro proceso de diseño de PCB: una canalización de datos. Los datos se introducen en un extremo del canal, que supone el punto de partida, y alimentan el proceso de diseño. Las personas con funciones específicas (según nuestra definición anterior del diccionario empresarial) convierten esas entradas en salidas, avanzando en la canalización a ser responsabilidad del siguiente individuo, hasta que se alcanza el extremo final del otro lado, el del producto acabado: un montaje de PCB que (esperemos) funcione y acabado.

Ahora que hemos empezado a comernos el elefante, tenemos que tener el mente que el objetivo no es el proceso en sí, sino alcanzar el resultado final. Muchas veces, nos perdemos en el «cómo» cuando deberíamos concentrarnos más en el «qué» y el objetivo que estamos intentando alcanzar. Al canalizar todos los procesos, se pueden definir fácilmente las entradas necesarias, las funciones y las salidas esperadas en cualquier lugar de nuestro procedimiento. Y puesto que todo está interrelacionado y conectado, si los datos de entrada no son buenos, no se puede hacer nada al respecto. Dicho de otro modo, si conectas el conducto a una red de alcantarillado, no esperes que salgan flores por el otro lado.

Rellenar el canal de datos: Componentes electrónicos

La esencia de todo diseño de PCB es el componente electrónico. Todo empieza y termina con él. La integridad de un diseño tiene una correlación directa con la integridad de los componentes.

Hace un tiempo, los sistemas electrónicos no eran tan complejos como lo son hoy en día, y los componentes eran mucho más sencillos. Constaban de un símbolo esquemático, una huella y unos cuantos parámetros básicos. Una práctica común era simplemente copiar un componente, e ir utilizando la misma biblioteca exacta en parte del proceso de diseño, cambiando el valor según correspondiera para cada instancia. Con el tiempo, se hicieron necesarios componentes más complejos, con mucha más información y detalles para los sistemas avanzados.

Lo que tenemos ahora se puede describir como la cueva del tesoro de información para componentes, mucho ya disponible a un clic.

Los componentes modernos de nuestra biblioteca tienen varias facetas muy importantes. Y todas estas facetas son críticas, porque es esta información que filtramos la que estará disponible para todos los involucrados en el proceso.

El componente electrónico típico debería como mínimo contar con la siguiente información.

Símbolo esquemático

El símbolo esquemático es un pictograma que se usa para representar varios dispositivos eléctricos y electrónicos. Los símbolos básicamente representan la conectividad eléctrica de cada parte, junto con la función electrónica de esta, y normalmente cumplen con la normativa IEEE-315 o equivalente. Cada componente cuenta con su representación gráfica. Cuando los componentes se colocan en el esquemático con otros símbolos y las conexiones apropiadas entre ellos, se forma el esquemático del circuito electrónico, que documenta las funciones electrónicas del producto, y el gráfico de conectividad de la composición de la PCB (que en ocasiones se conoce como la lista de redes). Algunos esquemáticos pueden resultar muy complejos, con miles de componentes y decenas de miles de conexiones.

Huella o calcomanía

Se conoce con varios nombres; huella, calcomanía o patrón de tierra son los más comunes, y son todos lo mismo. Hacen referencia a la gráfica de la composición del componente físico, con una disposición de las pads de cobre (o tierras), para, en última instancia, permitir soldar cada parte física a la PCB y realizar conexiones entre los diferentes componentes. Es vital entre el símbolo esquemático y la huella que coincidan, en función del número y del identificador de cada pin. La huella se compone de varios elementos, entre los cuales: conexiones de cobre (pads), modelo del cuerpo del componente en 3D (normalmente embebido en la huella de la biblioteca), un patrón de serigrafía (es decir, un texto de leyenda y gráfico), atributos dimensionales (separaciones de los componentes) y otra información mecánica necesaria.

Modelos de simulación de componentes

La simulación es una herramienta muy importante para los ingenieros de electrónica. Se ha convertido en algo cada vez más popular que evoluciona a la par de la necesidad de simular ciertos circuitos para verificar su funcionamiento correcto, permitiendo descubrir el prototipo previo de circuitos mejores. Los modelos para simulación de circuitos (como SPICE, SPICE3F5, XSPICE, PSPICE, etc,) y el análisis de integridad de la señal (IBIS) permiten una simulación parcial o completa del circuito para verificación de su funcionalidad antes del prototipado. Los modelos SPICE e IBIS deben ser precisos, y deben enlazarse también correctamente a los pines del símbolo esquemático, para permitir la simulación del diseño. La desventaja de los modelos de simulación es que con frecuencia los fabricantes de semiconductores no los proporcionan para circuitos integrados más complejos, así que simular un circuito es complicado.

Modelo 3D

La información del modelo 3D es imperativa para verificar el diseño mecánico de la caja o cualquier otro asunto mecánico. Conforme la presión de hacer las cosas más pequeñas continúa, el diseño asistido por ordenador mecánico (MCAD), muchas veces, acaba por dirigir el diseño. Lo bueno es que para los componentes electrónicos, están disponibles de forma gratuita muchas fuentes de modelos 3D, incluyendo GrabCAD y 3D Content Central. Lo mejor de todo, muchos fabricantes de componentes proporcionan ahora los modelos 3D necesarios como parte de la información de componentes descargable de sus webs. Los modelos 3D se añaden a las huellas de componentes con un formato de fichero STEP, y estos modelos deben orientarse correctamente y contar con dimensiones de materiales precisas de espacio que se comprobarán más adelante en el proceso de diseño de pcb.

Información de parámetros

Aquí es donde la teoría se pone a prueba. Los parámetros son los detalles técnicos de un componente. Las especificaciones de cada parte y sus variantes. Dependiendo del tipo de parte, puede haber docenas, sino cientos de detalles paramétricos: valores, tolerancias, rangos de temperatura de almacenamiento y uso, perfiles de soldadura, declaraciones de sustancias peligrosas, RoHS, REACH y otros certificados de cumplimiento medioambiental, información de empaquetado y pedido y más, una lista prácticamente interminable. Desde el punto de vista de la ingeniería, no todos los parámetros pueden ser interesantes para el ingeniero o diseñador, pero todos ellos impactan en el diseño, en la fabricación del productos, en el ciclo de vida e, incluso, en la legalidad, por lo que son todos importantes.

Información de abastecimiento

Una vez que determinemos cuáles son el resto de facetas importantes de un componente, debemos mirar este área de abastecimiento. ¿Dónde y cómo se comprará cada parte? Esto es un área muy importante, porque debemos usar partes que podemos conseguir realmente. Como vimos en la crisis reciente de escasez de partes, cada vez es más y más complicado. Una de las formas de gestionar un problema tan importante es con la información. Esa información debería mantenerse actualizada, en tiempo real si fuera posible.

Documentos compatibles

Por último, unido a cada componente debería estar la documentación que lo apoye. Entre ella, se incluirían hojas de datos, notas, técnicas, aplicaciones, certificados RoHS, etc. Estos datos conectados son especialmente útiles para el proceso de revisión, para auditar el componente en la base de datos de la biblioteca, como documentos de verificación.

Proceso de gestión de datos de PCB y diseño de PCB

La base de mucho en esta sección será los cinco pilares de los que hablamos en el capítulo anterior. El procedimiento del sistema de gestión de datos de PCB se divide en dos fases. La primera es la adquisición, almacenamiento y la revisión de la información. Debe realizarse antes de usar cualquier componente- La segunda fase es el uso y mantenimiento.

Paso 1: adquisición de datos (entrada de datos)

Tener una fuente de información fiable en una amplia gama de componentes electrónicos es inestimable. Hay muchos proveedores de componentes buenos, como Digikey, Newark o Mouser, pero sus sitios web tienden solo a cubrir los componentes concretos que ellos suministran. Una de las mejores alternativas que he visto personalmente, que cubre un amplio rango de proveedores, es un motor de búsqueda de componentes que se llama Octopart. Para hacer esto lo más práctico posible, vaya, por ejemplo a Octopart.com y realice una búsqueda de un componente como ATSAMA5D31A-CUR, un microcontrolador SAMA5D3 ARM Cortex A5 RISC de 32 bits, ROM de 160 KB, 1,2V y LFBGA T/R de 324 pines. Lo primero que puede notar es la larga lista de proveedores que suministran este componente, junto con los datos en directo presentes que incluyen la cantidad disponible, el precio y los descuentos especiales.

Además, proporciona otros datos que necesita. El sitio web de componentes del fabricante, información de los parámetros, el símbolo esquemático, la huella PCB y el modelo 3D.

Si no fuera suficiente, también cuenta con la hoja de datos relacionada. ¿Qué más se puede pedir?

Paso 2: almacenamiento (arquitectura)

Una vez que haya encontrado el componente necesario y su información, tenemos que mover todo esto a su sistema de gestión de datos de PCB. Aquí es donde descubriremos lo fuerte que es el edificio. Permíteme describir un ejemplo de cómo se hacía antes. Se puede resumir en tres palabras: «copiar y pegar»... Muchos copiar y pegar. Después de crear el símbolo esquemático y la huella, quedaba la esperanza de poder comprobarlo en el modelo 3D. Era cansado, con mucho detalle, y surgían montones de oportunidades para cometer errores. Además, si estaba colocando un componente complejo como el ATSAMA5D31A-CUR, incluso con un recuento moderado de pines de 324, tardaba horas en realizar un símbolo esquemático masivo con el nombre de cada pin individual.

Ese proceso entero se ha simplificado. Ahora es tan sencillo como realizar un búsqueda para el componente requerido. El sistema no solo busca el componente, sino que permite que automáticamente traiga cada una de las partes vitales de dicho componente, antes mencionadas, en cuestión de segundos. Piense en eso. Las conexiones automáticas entre el recurso en su sistema de gestión de datos de PCB. Con su símbolo esquemático, modelo de 3D de la huella, simulaciones de circuitos, todos los parámetros de componentes, información de abastecimiento y documentos compatibles.

Todavía necesitamos saber dónde colocar ese componente. Como ya hemos visto, la estructura del sistema de datos debería clasificarse según categoría y familia. Si clasificamos nuestro ejemplo anterior, este componente tendría la categoría de circuito integrado en la familia de microprocesadores embebidos. Ahí es donde esta información se almacenaría con información adicional.

Paso 3: revisión (auditoría)

Si la información corresponde a una fuente como Octopart, entonces, ¿por qué es necesario realizar una auditoría o revisión? Es para confirmar que el componente es correcto y almacenarlo donde debería. En varias ocasiones me topado con que la hoja de datos no era la correcta. Por ejemplo: la vistas del paquete de la parte superior e inferior relacionadas con la numeración de pines de un conector, eran ambiguas.

También, por las actualizaciones de las revisiones para cumplir normativa como la IPC-7351. Hay revisiones periódicas y modifican cómo deberían hacerse las huellas. Por ejemplo, se hizo un cambio recientemente en la IPC-7351-C, en que se incorporaba un redondeo de los pads de los componentes. Con cambios como estos le cuesta a la industria ponerse al día.

Con una revisión completa y el ciclo de vida de las partes cambiado al estado «Released» (lanzado), este componente estará listo para utilizarse en diseño electrónicos.

Paso 4: uso (proceso de diseño de pcb).

Como se indicó antes, como un conducto, podemos definir fácilmente las entradas necesarias, funciones y salidas esperadas en cualquier punto de nuestro procedimiento. Y ya que los detalles de cada componente se utilizan en todo el proceso en combinación con las funciones de los miembros de los equipos, podemos desarrollar un mapa que nos guíe en qué información va en cada lugar. No todo el mundo estará igual de interesado en la misma información. Por ejemplo, un ingeniero mecánico no estará especialmente interesado en las especificaciones electrónicas de un componente con detalles como la velocidad de precesión en una línea de control del bus. En cambio, le interesa el paquete mecánico y su tamaño.

Las funciones en el diseño de PCB

Las funciones pueden variar considerable de empresa a empresa. Estas pueden no asignarse a individuos en una forma de 1 a 1. Una sola persona podría hacer una sola tarea o varias tareas. Probablemente la mejor forma de entenderlo es ver la función no como correspondiente a una determinada persona, sino como un área de responsabilidad.

En el caso de los equipos de ingeniería y diseño, las funciones requerirían un ingeniero electrónico, un bibliotecario de PCB, un diseñador de PCB, etc., y antes en el proceso, el ingeniero mecánico. Conforme el proyecto avanza, más información se proporcionará a funciones como compra, para empezar con la adquisición de partes , y de gestión de calidad, así como con los requisitos de comprobación del cumplimiento.

Todo esto se revisará por un gestor de proyecto (PM), y es difícil determinar los datos exactos en que el PM estaría interesado. Su principal preocupación es cómo todo esto afectaría a los plazos. En el cuadro inferior, se puede ver una descripción de cómo detalles específicos de ese componente afectan y se utilizan por cada trabajador. Hay solapamientos importantes, y esta no es una regla inflexible, pero es un buen punto de partida para hacerse una idea de este concepto.

Si echa un vistazo a esta conclusión lógica (y a decir verdad al proceso de diseño de PCB), deberían estar los pasos, las funciones y los datos necesarios que se utilizan en un flujo de proyecto. Por tanto, habida cuenta de los hitos, se realiza una evaluación de cada función para valorar las salidas de la fase previa. Después, tenemos una revisión del diseño final, pero esa es otra asignatura.

Paso 5: distribución (salida de datos)

Aunque la salida de datos podría considerarse un uso de la información, la mantengo a propósito separada del paso 4, porque una vez que el proceso de diseño de PCB llega a este punto, es mucho más importante evaluar y validar el diseño de la PCB. Ya que es la última vez que las comprobaciones se realizarán antes de que los datos de fabricación se distribuyan para su fabricación y montaje, esta es la última oportunidad de captar algunos errores sin que los costes exploten. Aquí se producen datos adicionales de la PCB que se unen a la partida para convertirse en un diseño de PCB terminado.

Datos para distribuir

En este punto, participarán dos funciones principales, las de fabricación y montaje, cada una con sus datos de fabricación de PCB específicos.

Hay mucha discusión hoy en día en relación con la seguridad de la información de propietario y la protección de propiedad intelectual. Una vez que introducimos estos datos en un diseño de PCB, ¿cómo lo protegemos? Una forma de hacerlo es que estas dos funciones permanezcan separadas. Los datos que se proporcionan para fabricación no se comparten con montaje, y viceversa. Es más, bajo ninguna concepto se lanza el esquemático o cualquier otro archivo de origen.

Es el momento de hacer algunas llamadas telefónicas a las instalaciones donde se procede a la fabricación para determinar que están buscando en los datos que reciben. Conforme la industria está cambiando, determinada información que solía ser habitual se ha sustituido por otros datos.

Por ejemplo, el avance de los ficheros Gerber de CAM (fabricación asistida por ordenador): los llamados «Gerber» (la normativa ECIA/ANSI RS-274-D) se quedaron obsoletos en 1998, sustituidos por Extended Gerber RS-274X; más tarde en 2014 RS-274X se amplió de nuevo para incluir datos de perforación y metainformación para tarjetas (conocido como «Gerber X2»). Muchas instalaciones de fabricación prefieren sus datos con un formato determinado. Conozca ese formato. No todos estos ficheros serán necesarios.

Datos de fabricación (mostrados como específicos para un archivo de trabajo de salida).

• Diagramas de fabricación con sus notas e instrucciones correspondientes.
• Datos de fabricación (CAM).

Datos de montaje (se muestran los específicos para un archivo de trabajo de salida de Altium).

• Lista de materiales
• Diagramas de fabricación con sus notas e instrucciones de montaje.
• Datos de montaje (archivo de selección y colocación, informe de puntos de prueba, lista de redes IPC-D356).

Cada parte individual de cada componente contribuye a estos paquetes de datos varios, junto con el trabajo de individuos específicos en sus funciones. Pasa algo asombroso, lo que fue una simple idea o un concepto se materializa en un objeto real. Me sorprende aún cada vez que tengo una PCB completa que días antes era un lío de colores e información.

Paso 5: mantenimiento (personalizado)

El proceso de diseño de pcb no es una línea recta, sino más bien un círculo. Una PCB acabada necesita visualizarse como una salida posterior del proceso y los datos, y conectarse de vuelta a la entrada. Cuando una PCB está terminada, se realiza una valoración para determinar qué mejoras se pueden realizar con los datos o el proceso al principio del conducto. Muchas veces se llega a esta conclusión por un determinado tipo de documentación, como los informes de diseño para fabricación (DFM), o por un informe de resultados de construcción. Así es como se dirigen los cambios, ligados a la mejora constante de los datos de la PCB y el proceso.