Responsabilidades del Ingeniero de PCBs

Es muy normal hoy en día que el diseñador de PCBs esté integrado dentro un equipo de ingenieros en la estructura de una empresa. En ocasiones, no es trivial determinar a quién corresponde la responsabilidad de ciertas tareas. Intentaremos arrojar luz al respecto en este artículo.

El Documento de Requisitos

Antes de comenzar el proceso de diseño de un producto, es necesario contar con un documento donde se compilen a alto nivel (sin entrar en detalles técnicos) todos los requisitos que se deben cumplir. Éste ha de contener, a grandes rasgos, una visión general del producto que se pretende desarrollar. La influencia del potencial cliente es alta y su opinión debe ser tenida en cuenta a la hora de confeccionar este documento. Podría decirse que es la concretización de una idea. En dicho documento se debería incluir un diagrama de bloques explicativo de las partes del producto. Idealmente, además, convendría tener un primer prototipo (real, aunque no definitivo) del mismo.

El Análisis de Viabilidad (¿es factible el diseño de nuestra idea dentro de un presupuesto aceptable?) y el Plan de Negocio (¿hay demanda suficiente?; ¿Cómo se va poner el producto en el mercado?) son los otros dos documentos que completarían la fase inicial de definición del producto.

Si estos dos últimos resultan validados por la dirección de la empresa, entonces empieza el trabajo real de ingeniería.

Cada subparte definida en el diagrama de bloques constará de un Documento de Especificaciones, ahora ya sí, entrando de lleno en detalles técnicos. Así sucesivamente hasta completar en diagrama de árbol todos los elementos de nuestro producto. Uno (o varios) de estos documentos concernirán al / los PCBs.

Las Especificaciones del PCB

Hay muchos factores que tienen un impacto en la definición de este documento. Explicamos a continuación los más importantes:

• Diseño electrónico: bastante obvio. El ingeniero hardware está a cargo del diseño esquemático del circuito (no necesariamente de la captura del mismo con la herramienta de diseño). Evidentemente, debe existir una estrecha colaboración con el ingeniero de diseño de PCB de tal manera que el esquema tenga una traducción física (PCB) realizable. En muchas empresas, es bastante común que ambas figuras (ingeniero de PCB y de hardware) se agrupen bajo el mismo perfil (misma persona).

• Diseño mecánico: todo PCB va montado en algún tipo de caja, rack o envolvente mecánica cuyo diseño corre a cargo del ingeniero mecánico. Los puntos de anclaje en el PCB, su ubicación y tipo, etc. tienen un impacto en la tarjeta electrónica, así como la posición de los conectores al mundo exterior.

• Fabricación: de nada nos sirve una tarjeta electrónica que no pueda ser fabricada, o cuyos costes de fabricación excedan límites admisibles. Es vital establecer una comunicación fluida con nuestro proveedor de PCBs desde el principio, puesto que, en gran medida, serán ellos quienes determinen qué se puede fabricar y qué no. Separación mínima entre conductores, mínimo taladro o mínima corona son ejemplos de estas limitaciones impuestas.

• Ensamblado: de forma análoga a como ocurre con la fabricación, es necesario que el diseño del PCB se haga acorde a las capacidades de la casa de montaje. Varios ejemplos: el espacio mínimo entre dos componentes (determinado sobretodo por la máquina de Pick & Place, la expansión de la máscara de pasta respecto al pad, la inclusión de fiduciales o la necesidad de raíles para el manejo del PCB a través de la cinta transportadora del horno de reflujo.

• Descripción de producto: se refiere, principalmente, al mercado o uso final que se va a dar a la tarjeta electrónica. Los requisitos de calidad del PCB no son los mismos para un producto de electrónica de consumo que para un aparato médico o militar. Evidentemente, los estándares son mucho más estrictos en éste último caso. En la jerga del IPC, estaríamos hablando de las clases (1, 2 ó 3 en orden creciente de fiabilidad).

• Cantidades: la previsión del número de unidades a fabricar impacta en gran medida la elección de componentes y el precio del PCB. Cuanto mayor es la tirada, mejores precios se pueden conseguir al adquirir los componentes, pero, al mismo tiempo, la elección debe ser óptima. Un simple céntimo de diferencia en precio puede significar una ganancia o pérdida relativamente significativas.

• Lugar de uso: muy ligado con la parte mecánica. Se trata de diseñar un producto que sea capaz de soportar las condiciones climáticas y las tensiones mecánicas del lugar donde vaya a ser montado. Por ejemplo: un aparato montado en un vehículo militar que va a ser desplegado en una zona desértica necesitará soportar temperaturas extremas y condiciones mecánicas críticas. Puede ser necesario añadir elementos de refrigeración para ciertos componentes del PCB (por ejemplo, procesadores, convertidores de potencia, etc.).

• Tamaño del producto: como regla general, productos más grandes requieren mayor cantidad de material. Además, el tiempo empleado en el montaje se incrementa, con un considerable impacto en los costes. En el otro extremo, tamaños muy reducidos requieren un esfuerzo extra en la fase de diseño y mayor complejidad para el fabricante y para el montador. Se trata pues de llegar a un compromiso que nos dé el menor precio para una calidad mínima requerida.

El documento de especificaciones técnicas en ningún caso deberá ser modificado una vez es aprobado. Cambios en este documento, por ligeros que puedan ser, impactarán en gran medida en el beneficio de la empresa. Cuanto más tarde se produzcan en el desarrollo del producto, mayor será el impacto negativo.

El Diseño de PCBs en el Proceso de Creación de Producto

Se deduce del punto anterior que existen cuatro roles diferentes dentro del ciclo de diseño que se solapan con las tareas del ingeniero de PCB. A saber:

^{Puntos de contacto entre el diseño de PCBs y otras disciplinas}

Ni que decir tiene que la estrecha colaboración entre todas las partes es esencial para un buen desarrollo de producto.

Tareas del Ingeniero de PCB

De todo lo anterior, podemos establecer una lista de responsabilidades del ingeniero de diseño de tarjetas electrónicas:

• Clasificación del producto: atendiendo al uso final y a la fiabilidad requerida.

• Integración mecánica: en estrecha colaboración con el ingeniero mecánico.

• Entorno de operación: diseñar la tarjeta con vistas a las condiciones finales de uso de la misma.

• Directrices de diseño: proveídas casi siempre por IPC, o derivadas de sus normas. Son pautas de diseño que se deducen de los estándares.

• Directrices de calidad: compromiso entre coste y rendimiento sin fallos.

• Compatibilidad electromagnética (EMC): el gran caballo de batalla para muchos ingenieros de PCB. Se debe garantizar que el producto será certificable (por ejemplo, con el marcado EU) para poder acceder al mercado. Seguir las directrices de diseño dadas por IPC facilita enormemente esta tarea.

• Configuración de componentes: qué encapsulado usar para un chip dado o qué tipo de conector elegir para interconectar dos PCBs, por ejemplo.

• Materiales del PCB: la elección de los mismos recae totalmente sobre los hombros del ingeniero de PCBs. Este punto tendrá un peso específico muy alto en el costo y el rendimiento finales de la tarjeta, además de en la EMC y la integridad de señal.

• Tecnología de fabricación: el ingeniero de PCBs debe conocer al detalle los procesos de fabricación para evaluar el impacto en el coste final. Siempre en estrecha colaboración con el fabricante.

• Tecnología de soldadura y ensamblaje: igual que el punto anterior, pero aplicado en este caso al ensamblador.

• Tecnología de test: cómo se testearán tanto funcionalmente, como respecto a la fiabilidad, los elementos de la tarjeta.

• Costo y tiempo: al igual que cualquier otro tipo de ingeniero, el de PCBs debe saber evaluar el tiempo que le requerirá un diseño y una fabricación determinados, así como el costo de los mismos.

• Reparación: se deben prever las diferentes opciones de reparación y mantenimiento de un PCB dado, facilitándolas tanto como sea posible.

• Gestión de residuos y reciclaje: quizás la menos obvia de todas las tareas. Los desechos derivados de la fabricación de una tarjeta deben ser gestionados adecuadamente con el fin de reducir al máximo el impacto en el medio ambiente.