¿Listo para escalar? Es hora de optimizar tu diseño de PCB

Recibí una excelente pregunta en mi LinkedIn recientemente, y esto se relaciona con cómo los diseñadores y los jefes de adquisiciones tienen que trabajar juntos para preparar un diseño para escalar. La revisión previa a la producción y la escalada a la producción en volumen involucran muchas dimensiones de pruebas de diseño, evaluación y modificación. Asumiendo que todo en el diseño ha pasado la revisión y no se necesitan más prototipos, entonces puedes buscar optimizar y diseñar para coste, rendimiento, tamaño, EMI, térmico, y probablemente muchas otras áreas.

Sube el Volumen

La primera pregunta que probablemente deberías hacerte respecto a la producción en volumen es muy simple: ¿cuál es tu volumen de producción esperado?

Me sorprende cuántas veces entro en un contrato de diseño solo para descubrir que el cliente no ha determinado cuál es su volumen de producción esperado. Entiendo que a veces depende de los números de ventas, pero una estimación razonable siempre es útil. Esto será importante si comenzamos a mirar descuentos en costos en ciertos componentes, posibles cambios de piezas basados en rendimiento y fiabilidad, o cambios de diseño requeridos para cumplir con los estándares de fiabilidad.

Algunas de las áreas más grandes para la reducción de costos al comprar en volumen se encuentran a continuación. El gran desafío al producir en volumen es abordar estas áreas sin sacrificar el rendimiento de producción, la calidad y la fiabilidad.

Esta lista muestra áreas comunes donde se podría solicitar reducir costos para cumplir con un presupuesto o hacer que el precio de un producto sea más competitivo. Pero el desafío en los casos anteriores es prevenir problemas de calidad y asegurar la fiabilidad. Cuando se produce en volumen, a menudo se busca una solución técnicamente aceptable al precio más bajo (LPTA por sus siglas en inglés). Ahora veamos algunos ejemplos simples que ilustran cómo podemos prepararnos para la producción en volumen.

Consolidación de Números de Parte

Este debería ser el lugar más obvio para comenzar a reducir costos mientras posiblemente se mejora la fiabilidad y calidad del producto final. Consolidar los números de parte significa usar un único número de parte en toda la lista de materiales en la mayor medida posible. Hacer esto correctamente puede involucrar colocar pasivos en serie o paralelo para alcanzar los valores de diseño objetivo, usar un tipo de conector de pines, etc. Hacer esto te da acceso a descuentos por volumen en componentes, y esos ahorros pueden sumarse rápidamente cuando miras algunos componentes como semiconductores discretos y conectores.

La base de datos de Octopart muestra descuentos por volumen para compras a través de toda la cadena de suministro.

Consolidación de Paquetes de Componentes

Al finalizar la placa, puedes obtener más descuentos por cantidad sin comprometer la fiabilidad consolidando a un único tamaño de paquete, especialmente para pasivos. Es común ver tamaños de paquetes mixtos en un pcb, y esto generalmente se hace por propósitos de calificación de potencia. Pero si sabes que ciertas partes no requieren una calificación de potencia tan alta, podrías cambiar pasivos con valores comunes a paquetes más pequeños. Esto podría llevarte al siguiente nivel de descuentos por volumen, y requiere cambios mínimos en el diseño del PCB.

Materiales de PCB

Los materiales en tu PCB siempre incurren en algún costo, pero serán el principal determinante del rendimiento y fiabilidad. Si tu placa no requiere un laminado avanzado FR4, material de alta TG, material de alto CTI, o PTFE entonces no lo especifiques en tu construcción. Piensa en el entorno operativo final en el que existirá la placa antes de seleccionar materiales más caros para el apilado.

Lo mismo se aplica a los acabados superficiales. En el momento en que agregas un metal precioso a tu acabado superficial verás un aumento en el costo. Si esto no es necesario para el rendimiento o la fiabilidad, entonces quédate con ImSn, HASL, o aleación de platinado Sn-Pb.

Los recubrimientos a base de oro en un PCB aumentan significativamente los costos pero son altamente preferibles para la fiabilidad.

Los recubrimientos superficiales y materiales adicionales como recubrimientos conformados también añaden costo. Podrían ser un gran determinante de la fiabilidad o funcionalidad, así que ten cuidado antes de cambiar a un material de menor costo o eliminar un material. Mantén tu selección de materiales dentro de la filosofía LPTA si el costo es un factor competitivo importante para tu producto.

Características de la Placa Base

Durante la producción, cada placa pasará por muchas inspecciones y pruebas para asegurar que fue fabricada correctamente. Pero antes de llevar una placa a producción, es tu responsabilidad probar múltiples prototipos para identificar cualquier defecto en la placa que tienda a surgir repetidamente. Tu equipo necesitará abordar estos a fondo como parte de la planificación previa a la producción. Si el equipo de calidad de tu fabricante contratado comienza a notar defectos repetidos, volverán y te informarán sobre estos defectos para que el diseño pueda ser mejorado. Es difícil generalizar cuáles son los defectos más comunes para cualquier construcción, pero algunos de estos defectos comunes podrían incluir:

• Soldadura insuficiente o demasiada soldadura
• Puentes entre pads
• Fragmento de máscara de soldadura que se desprende
• Puentes o cortocircuitos internos en la PCB
• Conexiones deficientes a los pads (tombstoning, cabeza en almohada, etc.)

En algún momento, he visto cada uno de los defectos en esta lista. Las instancias en las que he experimentado estos son cuando las características de la placa se vuelven demasiado agresivas para las capacidades o cuando un patrón de tierra no está diseñado correctamente para el paso de los pines del componente (o ambos). El enfoque más simple aquí es mirar los límites de las características de la placa en las capacidades de tu fabricante y aplicar un margen de seguridad; esto puede abordar muchos de los problemas de calidad más simples encontrados en el ensamblaje.

Los NFP internos con baja separación pad-plano podrían crear una posibilidad de cortocircuito.

Intercambio de Piezas

En algún momento durante las pruebas de tu prototipo, puedes haber identificado algunos intercambios de piezas que son necesarios para asegurar la fiabilidad. Creo que el más común de estos es la necesidad de aumentar el límite de temperatura para ciertas piezas, lo cual es definitivamente algo que he experimentado. Otra área donde hay oportunidades de intercambio de piezas es en el nivel de precisión para ciertos componentes como los pasivos. Algunos pasivos necesitan tener valores de precisión muy altos, como cuando se utilizan para mediciones de precisión y sus valores son parte de un cálculo. Probablemente el ejemplo más común es con mediciones de precisión en un ADC. Si tienes un montón de números de parte de precisión del 1% en la placa donde no los necesitas, cámbialos por componentes de tolerancia del 5% o más laxos. Esto también reducirá los costos. Mientras esté en las piezas correctas, no verás ningún efecto en la fiabilidad.

Planificación de la Producción

Todo lo anterior se centra en la PCB y la PCBA, pero aún hay mucho más que contribuye a la producción completa de un dispositivo electrónico y no solo las PCBs. La fabricación de productos a menudo requiere contratar a un fabricante para la carcasa, cables y cableado, conectores e incluso el embalaje del producto; no hay una instalación que lo haga todo. No todos los fabricantes de PCBs asistirán con esto, en su lugar, tendrás que trabajar con otro fabricante para completar estas tareas.

También está el asunto de la logística. Alguien tiene que encargarse de coordinar la entrega de todos estos diferentes materiales y partes. Las empresas que están escalando por primera vez incluso pueden necesitar implementar sus propias medidas de control de calidad internas sobre el producto terminado, y también hay un esfuerzo logístico para eso.

Cuando una empresa decide llevar un producto al mercado, habrá mucha planificación de preproducción que va más allá de las PCBs/PCBAs. Revisa todas las áreas mencionadas anteriormente con tu equipo, incluidos los aspectos logísticos. Decide qué permanecerá dentro de la empresa y qué se subcontratará. Esto incluso puede incluir la producción o ensamblaje de componentes personalizados como transformadores y conectores a medida. Un poco de planificación desde el principio agiliza todo este proceso y te ayuda a llegar al mercado rápidamente con productos de alta calidad.

Ya sea que tu equipo esté creando prototipos avanzados o haciendo la transición de un nuevo producto a la fabricación, Altium Designer® ofrece a los diseñadores de PCB todo lo que necesitan para diseñar teniendo en cuenta el costo y la calidad. Cuando estés listo para compartir tus resultados con tu casa de fabricación, puedes usar la plataforma Altium 365™ para colaborar en el diseño y la producción.

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