Progettazione per Prototipazione Manuale e Liberati dei tuoi Vincoli

Il termine "prototipazione manuale" può significare diverse cose. Potrebbe riferirsi alla fabbricazione e all'assemblaggio di un PCB in casa, al combinare moduli in un piccolo sistema, o semplicemente all'assemblaggio manuale di un prototipo semplice. Se stai costruendo uno dei tuoi primi progetti, potresti voler procedere con l'assemblaggio a mano. Inoltre, alcuni progettisti principianti vorranno incidere le proprie schede con una soluzione di cloruro ferrico fatta in casa.

Generalmente, la scelta di procedere con una prototipazione manuale per un PCB dipende dai costi. È vero che fare le cose da soli riduce i costi in termini di denaro, ma richiede tempo e impegno per assemblare correttamente qualcosa. Qualunque cosa tu scelga di fare con i tuoi prototipi, ci sono alcuni passaggi semplici per assicurarti di ottenere il massimo beneficio dal tempo che trascorri costruendo manualmente i tuoi prototipi.

Consigli utili quando si progetta per la prototipazione manuale

I consigli riportati di seguito dovrebbero aiutare a garantire che il tuo design del prototipo possa essere facilmente assemblato e configurato una volta posizionati tutti i componenti.

1. Procurati l'Attrezzatura Giusta

Prima di tutto, hai bisogno dell'attrezzatura giusta se vuoi saldare a mano qualcosa sul tuo prototipo di PCB. L'assemblaggio manuale con un saldatore o con una pistola ad aria calda sono entrambe opzioni adatte, oppure puoi seguire la strada di Mark Harris e costruire il tuo forno di riflusso. Ecco una breve lista della spesa:

• Stazione per saldatore a mano con punte multiple (come JBC o Weller)
• Pistola ad aria calda per SMT o riparazioni
• Filo di stagno e pasta saldante
• Flussante per saldatura, sia dispersibile in una siringa che in un pennarello
• Treccia dissaldante per riparazioni
• Agente di pulizia (alcool isopropilico)
• Un buon set di pinzette per piccoli componenti SMD

Questa non è una lista esaustiva di ciò che ti servirà nel tuo laboratorio, ma è ciò che ti occorre per iniziare l'assemblaggio manuale delle tue schede.

2. Usa la Dimensione Giusta dei Componenti SMD per i Passivi

Molti prototipi manuali utilizzeranno solo componenti through-hole poiché sono facili da maneggiare e assemblare a mano. Tuttavia, se vuoi lavorare con componenti digitali più moderni, devi utilizzare componenti SMD poiché questi sono il packaging standard per dispositivi più avanzati. Troverai anche molti connettori, componenti passivi e componenti di potenza disponibili come componenti SMD.

Per i componenti passivi, i passivi SMD sono disponibili in molteplici dimensioni, con i più piccoli che sono 0201 (20 mil per 10 mil) e i 2512 che sono i più grandi. I passivi 0201 sono molto difficili da saldare manualmente, e non sorprenderti se ti capita di perdere misteriosamente alcuni di questi componenti dietro il tuo banco di laboratorio. Inoltre, i componenti SMD più piccoli sono molto facili da confondere; non sorprenderti se accidentalmente scambi resistenze SMD con lo stesso formato ma con valori di resistenza diversi.

Non scegliere dimensioni troppo piccole.

Credo che valga la pena dedicare del tempo per vedere quali dimensioni di componenti passivi SMD ti senti a tuo agio a posizionare e saldare manualmente. Man mano che i tuoi componenti SMD diventano più piccoli, non avrai il lusso di usare il tuo saldatore per saldarli semplicemente perché sono troppo piccoli; è meglio usare aria calda. Se devi usare un saldatore, allora è una buona idea rendere i tuoi pad SMD più lunghi in modo da poterli raggiungere con il filo di saldatura e il saldatore.

3. Evita i pacchetti Ball Grid Array (BGA), se possibile

La saldatura di componenti con passo piccolo come i QFP o i TSOP può essere difficile, ma è certamente possibile con un saldatore, ed è molto più facile con aria calda o un piccolo forno/piastrella riscaldante. I pacchetti BGA non possono essere saldati con un saldatore semplicemente perché non avrai modo di raggiungere tutti i pad sotto il componente. Invece dovrai usare aria calda per questi componenti.

L'altro problema con i BGA nella prototipazione manuale è l'ispezione. Questi componenti sono normalmente ispezionati con un sistema di ispezione a raggi X, poiché ciò consente la visualizzazione diretta delle sfere sotto il pacchetto BGA. Se si verifica un problema con il prototipo, sarà più difficile diagnosticare se il problema è dovuto a un difetto di assemblaggio o a qualche altro problema nel sistema.

Il pacchetto BGA - non il più amichevole per la prototipazione manuale.

Detto ciò, è comunque possibile sondare le connessioni BGA dal lato posteriore della scheda, purché si utilizzino fori passanti per il fanout del BGA. Assicurati di non coprire il layer posteriore se vuoi accedere a quelle connessioni BGA con una sonda multimetro come parte della tua ispezione. Questo è un modo per controllare la presenza di pad ponticellati nel tuo BGA, anche se richiederà molto tempo a causa dell'alto numero di connessioni tipicamente presenti su un BGA. Per queste ragioni, potrebbe essere meglio evitare i BGA nella tua scheda prototipo e optare per un pacchetto con terminali alternativo come il QFP.

4. Utilizzare gli alleggerimenti termici

Ci saranno pad dove proverai ad applicare lo stagno e a formare una giunzione con un saldatore o una pistola termica. Il problema è che la scheda potrebbe non avere una temperatura uniforme su tutta la sua superficie, e il calore lascerà i pad se sono connessi a un piano o a una grande area di rame. Il risultato è che il saldatore o la pistola termica potrebbero dover essere portati a una temperatura molto alta solo per saldare un singolo pad, e ciò rischia di danneggiare la scheda o i componenti.

Se non disponi di una buona piastra riscaldante per la saldatura o di un forno, questo può essere prevenuto attraverso l'uso di alleggerimenti termici. Posizionare alleggerimenti termici su certi pad aiuterà a prevenire la migrazione del calore verso grandi aree di rame, così sarai in grado di formare più facilmente una giunzione di saldatura sul componente a una temperatura applicata più bassa.

5. Utilizza Punti di Test, Ponticelli e Ponti di Saldatura

Lo scopo di molti prototipi è testare quante più funzioni possibili della tua scheda. Questo significa che vorrai rendere configurabili alcune parti del layout del tuo PCB. Un modo per fare ciò è utilizzare punti di test, ponticelli di saldatura e jumper. Questi componenti ti permettono di stabilire o interrompere connessioni, sondare valori elettrici, prendere misurazioni e persino misurare segnali con un oscilloscopio. Con un ponticello di saldatura della dimensione adeguata nel layout del PCB, puoi persino saldare piccoli componenti SMD a chip nelle linee di segnale secondo necessità.

6. Porta fuori I/O aggiuntivi su connettori a pin

L'altra parte della costruzione di un prototipo consiste nel realizzare connessioni con altri sistemi o nell'accedere agli I/O per collegarsi ad altri prodotti di sviluppo. Ecco perché è una buona idea portare tutti i tuoi I/O extra su connettori a pin. Avendo accesso ai tuoi I/O su connettori a pin, puoi realizzare prototipi basati su applicazioni così come prototipi basati su schede. Puoi anche connetterti a componenti esterni come sensori, piccoli motori, LED, pulsanti, moduli di programmazione o qualsiasi altra cosa tu possa immaginare. Generalmente, questi saranno I/O a bassa velocità, quindi puoi utilizzare un semplice connettore a pin passante per realizzare queste connessioni. Raccomando di mettere una resistenza SMD da 22 Ohm sulle linee I/O in entrata vicino al connettore a pin per rallentare leggermente questi segnali, in quanto ciò ridurrà l'EMI.

Quando hai bisogno di un software di progettazione PCB che si adatti a dimensioni di caratteristiche piccole e ti aiuti a preparare un circuito stampato prototipo di alta qualità per l'assemblaggio manuale, utilizza il set completo di funzionalità CAD in Altium Designer. Quando hai terminato il tuo progetto e vuoi rilasciare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365 rende facile collaborare e condividere i tuoi progetti.

Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.