Projete para Prototipagem Manual e Liberte-se das Suas Restrições

O termo "prototipagem manual" pode significar algumas coisas diferentes. Pode referir-se à fabricação e montagem de uma PCB em casa, juntando módulos em um pequeno sistema, ou simplesmente à montagem manual de um protótipo simples. Se você está construindo um de seus primeiros designs, é possível que queira passar pelo processo de montagem manualmente. Além disso, alguns designers novatos vão querer gravar suas próprias placas com uma solução de cloreto férrico em casa.

Geralmente, a escolha de fazer qualquer prototipagem manual para uma PCB se resume ao custo. É verdade que fazer as coisas por conta própria reduz o custo em termos de dinheiro, mas requer tempo e esforço para montar algo corretamente. Seja o que for que você escolha fazer com seus protótipos, existem alguns passos simples para garantir que você obtenha o maior benefício do tempo que passa construindo seus protótipos manualmente.

Dicas Úteis ao Projetar para Prototipagem Manual

As dicas a seguir devem ajudar a garantir que seu design de protótipo possa ser facilmente montado e configurado uma vez que todos os componentes estejam no lugar.

1. Obtenha o Equipamento Certo

Antes de mais nada, você precisa do equipamento certo se quiser soldar algo manualmente no seu protótipo de PCB. A montagem manual com um ferro de soldar ou com um soprador térmico são opções adequadas, ou você pode seguir o caminho de Mark Harris e construir seu próprio forno de refusão. Aqui está uma lista de compras resumida:

• Estação de solda com várias pontas (como JBC ou Weller)
• Soprador térmico para SMT ou retrabalho
• Fio de solda e pasta de solda
• Fluxo de solda, dispersível em seringa ou em caneta
• Pavio de dessoldagem para retrabalho
• Agente de limpeza (álcool isopropílico)
• Um bom conjunto de pinças para componentes SMD pequenos

Esta não é uma lista exaustiva do que você precisará em seu laboratório, mas é o que você precisará para começar a montar suas placas manualmente.

2. Use o Tamanho Certo de Componente SMD para Passivos

Muitos protótipos manuais utilizarão apenas componentes through-hole, pois são fáceis de manusear e montar manualmente. No entanto, se você deseja trabalhar com componentes digitais mais modernos, deve usar componentes SMD, pois estes são a embalagem padrão para dispositivos mais avançados. Você também encontrará muitos conectores, componentes passivos e de potência disponíveis como componentes SMD.

Para componentes passivos, os passivos SMD estão disponíveis em vários tamanhos, sendo o menor 0201 (20 mil por 10 mil) e o maior 2512. Os passivos 0201 são muito difíceis de soldar manualmente, e não se surpreenda se você acabar perdendo misteriosamente alguns desses componentes atrás da sua bancada de laboratório. Além disso, componentes SMD menores são muito fáceis de confundir; não se surpreenda se você acidentalmente trocar resistores SMD de chip com o mesmo tamanho de caixa, mas com valores de resistência diferentes.

Não escolha tamanhos muito pequenos.

Acho que vale a pena dedicar algum tempo para ver quais tamanhos de componentes SMD passivos você se sente confortável em colocar e soldar manualmente. À medida que seus componentes SMD se tornam menores, você não terá o luxo de usar seu ferro de solda para soldá-los simplesmente porque são muito pequenos; você estará melhor usando ar quente. Se você precisar usar um ferro de solda, então é uma boa ideia fazer seus pads SMD mais longos para que você possa alcançá-los com um fio de solda e ferro.

3. Evite Pacotes de Grade de Esferas (BGA), Se Possível

Soldar componentes de passo pequeno como QFPs ou TSOPs pode ser difícil, mas certamente é possível com um ferro, e é muito mais fácil com ar quente ou um pequeno forno/placa quente. Pacotes BGA não podem ser soldados com ferro simplesmente porque você não terá como alcançar todos os pads por baixo do componente. Em vez disso, você terá que usar ar quente para esses componentes.

O outro problema com BGAs em prototipagem manual é a inspeção. Esses componentes normalmente são inspecionados com um sistema de inspeção por raio-X, pois isso permite a visualização direta das esferas sob o pacote BGA. Se houver algum problema com o protótipo, será mais difícil diagnosticar se o problema é devido a um defeito de montagem ou devido a algum outro problema no sistema.

Pacote BGA - não o mais amigável para prototipagem manual.

Dito isso, você ainda pode testar as conexões do BGA pelo lado de trás da placa, desde que use furos passantes para o fanout do BGA. Certifique-se de não cobrir a camada traseira se quiser acessar essas conexões do BGA com uma sonda de multímetro como parte da sua inspeção. Esta é uma maneira de verificar se há pads em curto no seu BGA, embora isso vá levar muito tempo devido ao alto número de conexões tipicamente encontradas em um BGA. Por essas razões, talvez seja melhor evitar BGAs na sua placa de protótipo e optar por um pacote com terminais alternativo, como QFP.

4. Use Alívios Térmicos

Haverá pads onde você tentará aplicar solda e formar uma junção com um ferro de soldar ou uma pistola de calor. O problema é que a placa pode não ter uma temperatura uniforme em toda a sua extensão, e o calor deixará os pads se eles estiverem conectados a um plano ou a uma grande região de cobre. O resultado é que o ferro de soldar ou a pistola de calor pode precisar ser levado a uma temperatura muito alta apenas para soldar um único pad, e isso arriscará danificar a placa ou os componentes.

Se você não tem uma boa placa aquecedora para soldagem ou um forno, isso pode ser prevenido através do uso de alívios térmicos. Colocar alívios térmicos em certos pads ajudará a prevenir a migração de calor para grandes regiões de cobre, então você será capaz de formar uma junção de solda no componente a uma temperatura aplicada mais baixa.

5. Faça Uso de Pontos de Teste, Jumpers e Pontes de Solda

O objetivo de muitos protótipos é testar o máximo possível das funções da sua placa. Isso significa que você vai querer tornar algumas partes do layout da sua PCB configuráveis. Uma maneira de fazer isso é usar pontos de teste, pontes de solda e jumpers. Esses componentes permitem que você faça ou desfaça conexões, sonde valores elétricos, faça medições e até mesmo meça sinais com um osciloscópio. Com uma ponte de solda de tamanho adequado no layout da PCB, você pode até soldar pequenos componentes de chip SMD nas linhas de sinal conforme necessário.

6. Disponibilize I/Os Extras para Cabeçalhos de Pinos

A outra parte da construção de um protótipo é fazer conexões com outros sistemas ou acessar I/Os para conectar a outros produtos de desenvolvimento. É por isso que é uma boa ideia trazer todos os seus I/Os extras para cabeçalhos de pinos. Com acesso aos seus I/Os para cabeçalhos de pinos, você pode fazer prototipagem baseada em aplicação, bem como prototipagem baseada em placa. Você também pode se conectar a componentes externos como sensores, pequenos motores, LEDs, botões, módulos de programação ou qualquer outra coisa que você possa imaginar. Geralmente, esses serão I/Os de baixa velocidade, então você pode usar um cabeçalho de pinos through-hole simples para fazer essas conexões. Eu recomendo colocar um resistor SMD de 22 Ohms nas linhas de I/O de entrada perto do cabeçalho de pinos para desacelerar um pouco esses sinais, pois isso reduzirá a EMI.

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