Van schema tot bestukte printplaat: een elektronisch prototype laten maken

1. Schema en keuze van componenten: beschikbaarheid, behuizingen, levenscyclus.
2. Routing: plaatsing en baanontwerp volgens de regels van de fabrikant.
3. DFM-review: controle van de productie- en assemblageregels.
4. Productiebestanden: Gerber, boorbestand, contour, stuklijst, componentposities.
5. Productie van de blanco printplaat (PCB).
6. Inkoop van de componenten.
7. Bestukken: soldeerpasta, plaatsen, reflow, through-hole-componenten.
8. Inspectie, tests, daarna programmeren van de firmware.

Ter indicatie wordt een blanco prototypeprint in enkele werkdagen gemaakt, terwijl vaak de componenten, hun beschikbaarheid en hun levertijden de totale doorlooptijd bepalen: start kritische inkopen vroeg. U kunt de hele keten of een deel ervan aan een leverancier toevertrouwen: zie toelevering in de elektronica.

De prijs van een prototype bestaat uit de blanco print (oppervlak, aantal lagen, afwerking, levertijd), de componenten en het bestukken. Prototypefabrikanten bundelen vaak meerdere bestellingen op hetzelfde productiepaneel, waardoor kleine aantallen betaalbaar worden. Bij het bestukken wegen de opstartkosten (stencil voor het opbrengen van pasta, programmering van de pick-and-placemachine, instellen van de lijn) zwaar op één enkele print: de prijs van enkele extra prints is vaak laag in verhouding tot die kosten.

Lever een gecomprimeerd, duidelijk benoemd dossier aan, in één enkele versie. ODB++ en IPC-2581 bundelen deze gegevens in één formaat: vraag uw fabrikant wat hij accepteert. Open uw Gerber-bestanden vóór verzending in een viewer: dat is de snelste manier om een ontbrekende laag op te sporen. Zie ook de formaten van productiebestanden.

• Lagen: een of twee voor eenvoudige prints; vier of meer zodra dichtheid, signaalintegriteit of voedingsvlakken dat vereisen.
• Substraat: FR-4 is het meest gangbaar; polyimide voor flexibele prints, aluminium voor led’s, speciale laminaten voor hoge frequenties.
• Dikte en koper: 1,6 mm en 35 µm (1 oz) zijn de standaardwaarden; een grote stroom vraagt meer koper.
• Oppervlakteafwerking: HASL, voordelig, laat een minder vlak oppervlak achter; ENIG (nikkel-goud) is geschikt voor fijne pitches en BGA’s.
• Capaciteit: baanbreedte, isolatie, boordiameter, blinde of begraven vias, gecontroleerde impedantie. Ter indicatie vallen banen en isolatie van circa 0,15 mm (6 mil) en een boring van 0,3 mm binnen de standaard van de meeste fabrikanten; daaronder is het een duurdere optie.

De IPC-klassen beschrijven het eisenniveau: IPC-6012 voor de productie van starre printplaten, IPC-A-610 voor de acceptatie van bestukte prints. Klasse 1 richt zich op algemene producten, klasse 2 op producten waarvan de werking duurzaam moet blijven, klasse 3 op hoge betrouwbaarheid (kritische apparatuur, medisch, luchtvaart). Klasse 2 is de referentie voor de meeste industriële producten: klasse 3 eisen voor een prototype maakt het dossier zwaarder als uw eindproduct daar niet aan hoeft te voldoen.

Vraag voor een gecontroleerde impedantie de standaardopbouw van de fabrikant voordat u gaat routeren: die bepaalt de baanbreedtes, en een latere wijziging dwingt u de routing opnieuw te doen.

De stuklijst (BOM)

Een bruikbare BOM geeft per regel de referenties (R1, C3…), het aantal, de waarde, de behuizing, de fabrikant en zijn nummer, en de geaccepteerde alternatieven. Markeer de componenten die niet bestukt moeten worden. Controleer de beschikbaarheid voordat u het dossier vastlegt: een component dat niet leverbaar of verouderd is, vertraagt het hele project, en een compatibel alternatief voor risicovolle nummers voorkomt dat u het dossier opnieuw moet opstellen. Kies wie de inkoop doet: u, de bestukker (turnkey) of een mix van beide. Het bedrijf voorziet vaak een overschot aan kleine componenten voor plaatsingsverliezen, en reels hebben minimale hoeveelheden.

Het pick-and-placebestand

Geëxporteerd uit uw CAD-programma geeft het per component de referentie, de X- en Y-coördinaten, de rotatie en de zijde. De rotatieconventies verschillen per bibliotheek en per machine: een gepolariseerd component (diode, elektrolytische condensator, geïntegreerde schakeling) kan omgekeerd worden geplaatst. Voeg een assemblagetekening bij die de polariteit en pin 1 aanduidt, en vraag om een validatie vóór de start.

• SMD (surface-mount, componenten voor opbouwmontage): op het oppervlak gesoldeerd, zonder boren, op beide zijden. De soldeerpasta wordt met een stencil aangebracht, de componenten worden door een machine geplaatst en gaan daarna door de reflowoven. Deze technologie is geschikt voor fijne behuizingen; de verborgen verbindingen van BGA’s en, gedeeltelijk, van QFN’s worden met röntgen gecontroleerd.
• Through-hole: de pinnen gaan door doorgemetalliseerde gaten. Dat is mechanisch robuuster, vandaar het gebruik voor connectoren, transformatoren, grote condensatoren en klemmenstroken. Het solderen gebeurt met golfsolderen, selectief of met de hand: meer bewerkingen, dus een hogere stuksprijs.

De gemengde print is het meest gangbaar: eerst SMD, daarna through-hole-componenten. Geef overal waar mogelijk de voorkeur aan SMD en bewaar through-hole voor onderdelen die mechanische belasting of grote stromen te verwerken krijgen. Bestukken op beide zijden verdubbelt het aantal plaatsings- en reflowrondes: voor een voordelig prototype verdient bestukken op één zijde de voorkeur. Wilt u zelf een eerste exemplaar solderen, dan blijven behuizingen van maat 0603 of groter en pitches van 0,5 mm of meer haalbaar; BGA’s worden in de praktijk met reflow gesoldeerd. In de Europese Unie beperkt de RoHS-richtlijn het gebruik van lood: het bestukken gebeurt doorgaans met loodvrij soldeer, en elke bijzondere eis moet worden gemeld. Zie de woordenlijst: SMD en printplaat.

Vijf DFM-controles vóór verzending

1. Draai de ontwerpregelcontrole (DRC) met de capaciteiten van uw fabrikant.
2. Controleer elk footprint aan de hand van het datablad van het component: een foutief footprint dwingt u de print opnieuw te maken.
3. Laat ruimte rond de componenten voor plaatsing en herwerk, en een vrije zone van enkele millimeters aan de rand van de print voor de transportband en het uitfrezen.
4. Voeg fiducials toe voor de visie van de machines en toegankelijke testpunten.
5. Verzorg de pads van kleine passieve componenten: asymmetrische pads bevorderen het „tombstone”-effect, waarbij het component bij het solderen overeind komt.

Inspectie en tests

De blanco print kan een elektrische test op continuïteit en isolatie ondergaan. Na het solderen spoort geautomatiseerde optische inspectie (AOI) ontbrekende, verschoven en omgekeerde componenten en soldeerbruggen op. De in-circuittest en de functionele test vereisen testpunten en een procedure: ze worden vooral in serie rendabel. Bij een prototype beperkt het bedrijf zich vaak tot inspectie en test u de eerste print zelf. Lever de firmware en de programmeerprocedure aan als het bedrijf die moet laden.

Bij ontvangst van de eerste print

Controleer eerst het uiterlijk (ontbrekende componenten, polariteiten, soldeerverbindingen) en meet daarna de weerstand tussen elke voedingsrail en massa vóór u spanning aansluit. Zet de print vervolgens stapsgewijs onder spanning, bij voorkeur met een laboratoriumvoeding met stroombegrenzing, en valideer de blokken een voor een (voedingen, klok, communicatie) voordat u de rest test. Noteer de afwijkingen: ze voeden de volgende revisie van het schema.

• Het aantal prints, met staffels (1, 5, 10) en de toekomstige behoefte aan een serie.
• Het volledige dossier: Gerber, boorbestand, BOM, posities, assemblagetekening.
• De kenmerken van de print: lagen, dikte, koper, afwerking, kleur van het soldeermasker, eventuele impedantie, beoogde IPC-klasse.
• De inkoop: componenten door uzelf geleverd of door de bestukker ingekocht, geaccepteerde alternatieven.
• Het bestukken: te bestukken zijden, through-hole-componenten, soldeereisen.
• De verwachte tests en programmering (inspectie, functionele test, laden van firmware), de beschermlak, de antistatische verpakking.
• De levertijd, de datum waarop u de eventueel door uzelf geleverde componenten beschikbaar hebt, en de leverplaats.

Op Meaflow is het plaatsen van een aanvraag gratis en zonder commissie: meerdere leveranciers kunnen u een offerte sturen, die u vergelijkt voordat u via de berichtenfunctie overleg voert. Gebruik de generator voor een programma van eisen om uw dossier te structureren. Lees voor het vervolg van het project van prototype naar serie, en ontdek de sector hardwarestartups en de engineeringbureaus voor het ontwerp.