Del esquema al PCB ensamblado: fabricar un prototipo electrónico

1. Esquema y elección de componentes: disponibilidad, encapsulados, ciclo de vida.
2. Enrutado: colocación y trazado según las reglas del fabricante.
3. Revisión DFM: control de las reglas de fabricación y ensamblaje.
4. Archivos de fabricación: Gerber, taladrado, contorno, lista de materiales, posiciones de los componentes.
5. Fabricación del circuito desnudo (PCB).
6. Aprovisionamiento de los componentes.
7. Ensamblaje: pasta de soldar, colocación, refusión, componentes de inserción.
8. Inspección, pruebas y después programación del firmware.

A título orientativo, un circuito desnudo de prototipo se fabrica en unos pocos días laborables, mientras que a menudo son los componentes, su disponibilidad y sus plazos de aprovisionamiento los que fijan el plazo total: lance pronto las compras críticas. Puede confiar toda la cadena, o parte de ella, a un proveedor: consulte la subcontratación en electrónica.

El precio de un prototipo se compone del circuito desnudo (superficie, número de capas, acabado, plazo), de los componentes y del ensamblaje. Los fabricantes de prototipos suelen agrupar varios pedidos en un mismo panel de fabricación, lo que hace accesibles las cantidades pequeñas. En el ensamblaje, los costes de lanzamiento (plantilla de depósito de pasta, programación de la máquina de colocación, ajuste de la línea) pesan mucho en una placa única: el precio de unas pocas placas adicionales suele ser bajo en comparación con esos costes.

Entregue un expediente comprimido, con nombres claros, en una sola versión. ODB++ e IPC-2581 reúnen estos datos en un único formato: pregunte a su fabricante qué acepta. Abra sus Gerber en un visor antes del envío: es la forma más rápida de detectar una capa ausente. Consulte también los formatos de archivos de fabricación.

• Capas: una o dos para placas sencillas; cuatro o más en cuanto lo exijan la densidad, la integridad de las señales o los planos de alimentación.
• Sustrato: el FR-4 es el más habitual; poliimida para el flexible, aluminio para los LED, laminados especiales para altas frecuencias.
• Espesor y cobre: 1,6 mm y 35 µm (1 oz) son los valores estándar; una corriente fuerte requiere más cobre.
• Acabado superficial: el HASL, económico, deja una superficie menos plana; el ENIG (níquel-oro) conviene a pasos finos y BGA.
• Capacidad: ancho de pista, aislamiento, diámetro de taladrado, vías ciegas o enterradas, impedancia controlada. A título orientativo, pistas y aislamientos de unos 0,15 mm (6 mil) y un taladrado de 0,3 mm entran en el estándar de la mayoría de los fabricantes; por debajo, es una opción más cara.

Las clases IPC describen el nivel de exigencia: IPC-6012 para la fabricación de circuitos rígidos, IPC-A-610 para la aceptabilidad de las placas ensambladas. La clase 1 se dirige a productos generales, la clase 2 a productos cuyo servicio debe ser duradero y la clase 3 a la alta fiabilidad (equipos críticos, médico, aeronáutica). La clase 2 es la referencia de la mayoría de los productos industriales: exigir la clase 3 para un prototipo complica el expediente si su producto final no la requiere.

Para una impedancia controlada, pida al fabricante su apilado estándar antes de enrutar: fija los anchos de pista, y modificarlo después obliga a rehacer el enrutado.

La lista de materiales (BOM)

Una BOM aprovechable indica, en cada línea, los designadores (R1, C3…), la cantidad, el valor, el encapsulado, el fabricante y su referencia, y las alternativas aceptadas. Marque los componentes que no se deben montar. Verifique la disponibilidad antes de cerrar el expediente: un componente agotado u obsoleto retrasa todo el proyecto, y prever una alternativa compatible para las referencias de riesgo evita rehacer el expediente. Decida quién aprovisiona: usted, el ensamblador (llave en mano) o una combinación de ambos. El taller suele prever un excedente de componentes pequeños para las pérdidas de colocación, y las bobinas tienen cantidades mínimas.

El archivo pick and place

Exportado de su herramienta de CAD, indica para cada componente su designador, sus coordenadas X e Y, su rotación y su cara. Las convenciones de rotación difieren de una biblioteca y de una máquina a otra: un componente polarizado (diodo, condensador electrolítico, circuito integrado) puede montarse al revés. Adjunte un plano de ensamblaje que marque la polaridad y el pin 1, y pida una validación antes del lanzamiento.

• SMD (componentes de montaje superficial): se sueldan en la superficie, sin taladrado, por las dos caras. La pasta de soldar se deposita con una plantilla, los componentes los coloca una máquina y después pasan por el horno de refusión. Esta tecnología conviene a encapsulados finos; las uniones ocultas de los BGA y, en parte, de los QFN se controlan con rayos X.
• THT (de inserción): los pines atraviesan agujeros metalizados. Es mecánicamente más robusto, de ahí su uso en conectores, transformadores, condensadores grandes y regletas de bornes. La soldadura se hace a la ola, de forma selectiva o a mano: más operaciones y, por tanto, un coste unitario más elevado.

La placa mixta es la más habitual: primero SMD y después componentes de inserción. Priorice el SMD siempre que sea posible, y reserve la inserción para las piezas sometidas a esfuerzos o a corrientes fuertes. Un ensamblaje por las dos caras duplica las pasadas de colocación y refusión: para un prototipo económico, es preferible ensamblar una sola cara. Si desea soldar usted mismo un primer ejemplar, los encapsulados de tamaño 0603 o mayores y los pasos de 0,5 mm o más siguen siendo accesibles; los BGA se sueldan en la práctica por refusión. En la Unión Europea, la directiva RoHS limita el uso del plomo: el ensamblaje se hace por lo general con soldadura sin plomo, y cualquier exigencia particular debe señalarse. Consulte el glosario: SMD y circuito impreso.

Cinco controles DFM antes del envío

1. Ejecute las reglas de diseño (DRC) con las capacidades de su fabricante.
2. Verifique cada huella en la ficha técnica del componente: una huella errónea obliga a rehacer la placa.
3. Deje espacio alrededor de los componentes para la colocación y el retoque, y una zona libre de unos milímetros en el borde de la placa para el transportador y el recorte.
4. Añada marcas fiduciales para la visión de las máquinas y puntos de prueba accesibles.
5. Cuide las pastillas de los pequeños componentes pasivos: las pastillas asimétricas favorecen el efecto «tombstone» (lápida), en el que el componente se levanta durante la soldadura.

Inspección y pruebas

El circuito desnudo puede someterse a una prueba eléctrica de continuidad y aislamiento. Tras la soldadura, la inspección óptica automática (AOI) detecta componentes ausentes, desplazados o invertidos y puentes de soldadura. La prueba en circuito y la prueba funcional exigen puntos de prueba y un procedimiento: se rentabilizan sobre todo en serie. Para un prototipo, el taller suele limitarse a la inspección, y usted prueba la primera placa. Facilite el firmware y el procedimiento de programación si el taller debe cargarlo.

A la recepción de la primera placa

Controle primero el aspecto (componentes ausentes, polaridades, soldaduras) y después mida la resistencia entre cada raíl de alimentación y masa antes de cualquier puesta en tensión. A continuación, alimente por etapas, preferiblemente con una fuente de laboratorio con limitación de corriente, y valide los bloques uno a uno (alimentaciones, reloj, comunicación) antes de probar el resto. Anote las desviaciones: alimentan la siguiente revisión del esquema.

• La cantidad de placas, con tramos (1, 5, 10) y la necesidad de serie futura.
• El expediente completo: Gerber, taladrado, BOM, posiciones, plano de ensamblaje.
• Las características del circuito: capas, espesor, cobre, acabado, color de la máscara, impedancia si procede, clase IPC buscada.
• El aprovisionamiento: componentes suministrados por usted o comprados por el ensamblador, alternativas aceptadas.
• El ensamblaje: caras que ensamblar, componentes de inserción, exigencias de soldadura.
• Las pruebas y la programación esperadas (inspección, prueba funcional, carga del firmware), el barniz de protección, el embalaje antiestático.
• El plazo, la fecha en que dispondrá de los componentes que suministre y el lugar de entrega.

En Meaflow, publicar una solicitud es gratuito y sin comisión: varios proveedores pueden enviarle su propuesta, que usted compara antes de conversar por mensajería. Para estructurar su expediente, utilice el generador de pliego de condiciones. Para la continuación del proyecto, lea del prototipo a la serie, y descubra el sector de las startups de hardware y las oficinas técnicas para el diseño.