Gama de instrumente disponibile care facilitează lansarea de noi produse nu a fost niciodată mai extinsă. Datorită performanțelor îmbunătățite ale hardware-ului computerelor desktop, accesului la resursele cloud și disponibilității instrumentelor avansate de simulare, inginerii pot modela performanța sistemelor electronice la un nivel ridicat de detaliu în domeniul virtual, precum și în domeniul fizic, prin intermediul prototipurilor.
În domeniul virtual, acum este posibil nu doar să se analizeze capabilitățile de frecvență și nivelurile de zgomot ale circuitelor cu semnale mixte, ci chiar și compatibilitatea electromagnetică a acestora poate fi evaluată înainte ca un singur circuit integrat să fie plasat pe o placă de circuit imprimat (PCB). Astfel de simulări pot oferi un grad ridicat de încredere în proiectare, fără a fi nevoie de investiții în echipamente de testare de înaltă performanță pentru a efectua analize extinse ale unui proiect de circuit. Simularea poate contribui la asigurarea evitării greșelilor de dispunere a circuitelor, astfel încât testul final să poată fi efectuat rapid și ușor cu ajutorul echipamentelor închiriate.
Instrumentele accesibile, cum ar fi cele oferite de Altium și LabView de la National Instruments, oferă nu doar unelte pentru a efectua simulări SPICE, care sunt vitale pentru evaluarea performanței analogice a unei scheme de bază, ci și sarcini care determină cât de bine va funcționa un proiect odată plasat și asamblat. De exemplu, instrumentele de analiză a stivuirii (straturilor) PCB-ului pot determina efectele parazitare asociate cu traseele rutate, iar analizoarele de integritate a semnalului vor identifica eventualele probleme de diafonie și zgomot.
Prototipare hardware și producție de serie mică
În pofida capabilităților de simulare disponibile în prezent, există multe situații în care este suficient doar un prototip hardware. Este posibil ca echipa să fie nevoită să utilizeze implementări hardware pentru a testa ipoteze care sunt prea dificile sau necesită prea mult timp pentru a fi realizate în mediul virtual. De exemplu, este posibil să existe o buclă de control programată prin software, creată pentru a rula pe un microcontroler, care trebuie evaluată în timp real în raport cu semnalele din lumea reală pentru a determina dacă este stabilă într-o gamă de scenarii țintă. Este posibil ca un simulator de set de instrucțiuni software să nu fie pur și simplu capabil să furnizeze rezultate în timp util sau să nu fie acționat de date de intrare realiste. Un alt scenariu este acela în care trebuie evaluată performanța diferitelor antene într-un proiect de radiofrecvență (RF), iar acest lucru poate fi realizat mai bine prin încercarea diferitelor configurații atașate la un prototip hardware.
Alternativ, se poate întâmpla ca proiectul să fi progresat până în punctul în care sunt necesare teste de teren și teste de acceptare timpurie de către clienți. În contextul internetului lucrurilor (IoT), în special, este important să se vadă cum funcționează mai multe dispozitive într-o rețea, între ele și cu cloud-ul. În acest moment, echipa trebuie să ia în considerare opțiunile de prototipare și, eventual, de producție de serie mică pentru a putea furniza suficient hardware pentru a susține un test de teren satisfăcător.
Echipa are la dispoziție o serie de opțiuni. Care este cea mai bună va depinde de o serie de factori. Opțiunile variază de la adăugarea de plăci fiică cu I/O personalizate la un computer pe o singură placă (SBC) existent până la comandarea unei serii mici de producție de la un partener de servicii de fabricare a produselor electronice (EMS). Dacă scopul este de a se asigura că software-ul va funcționa conform așteptărilor în cadrul unui test hardware în buclă a funcțiilor de bază, va fi logic să se utilizeze un SBC compatibil și să se realizeze un prototip de placă I/O dacă placa de serie nu are interfețele necesare sau dacă acestea nu funcționează la un nivel suficient. Chiar dacă proiectul final necesită o proiectare personalizată a PCB-ului, eventual folosind o variantă diferită a microcontrolerului de pe placă, prototipul va furniza suficiente informații utile pentru a justifica acest lucru și va reduce la minimum orice modificări software care vor fi necesare pentru versiunea de producție. Prin izolarea intrărilor/ieșirilor personalizate pe o placă fiică, echipa poate reduce la minimum timpul și costurile necesare pentru a construi un prototip viabil.
Prototipuri proiectate la comandă
Vor exista cazuri în care utilizarea unei combinații de hardware din comerț cu I/O personalizate nu va funcționa la fel de bine ca un prototip proiectat la comandă. Testarea ipotezelor privind integritatea semnalului poate necesita o proiectare PCB cât mai apropiată de modelul final de producție. Testele din teren vor necesita adesea un hardware care să se potrivească într-un cadru fizic sau energetic foarte limitat. În acest caz, decizia se referă la posibilitățile unui laborator intern de a construi un prototip funcțional, în comparație cu termenele de execuție și costurile unui hardware complet asamblat furnizat de un partener EMS.
În cazul în care complexitatea componentelor hardware este relativ scăzută, o opțiune bazată pe o placă de conexiuni (breadboard) poate fi viabilă. Aceasta poate fi o alegere potrivită pentru situația în care un SBC este combinat cu o placă fiică I/O personalizată, deoarece numărul de componente care trebuie asamblate pe placă va fi relativ scăzut. În cazul în care componentele sunt în mare parte discrete, este mai ușor de procurat dispozitive THT (through-hole) care sunt compatibile cu platformele breadboard. Distribuitori experimentați pot oferi consultanță echipei de proiectare atât în ceea ce privește opțiunile de montare pentru prototipuri, cât și în legătură cu tranziția către componente cu montare pe suprafață pentru producția finală.
Importanța montării componentelor
Opțiunile de montare reprezintă un factor important pentru a determina dacă este mai bine să comandați prototipuri complet populate de la un furnizor EMS sau să realizați o parte din asamblare în laboratorul propriu al echipei de proiectare. O abordare utilizată în mod obișnuit constă în utilizarea unor instrumente precum cele de la Altium și Autodesk cu scopul de a proiecta un PCB pentru un prototip și apoi asamblarea în laborator a componentelor necesare. Pentru a utiliza această abordare, echipa se bazează pe o combinație de cunoștințe de proiectare și acces la unelte de laborator și de testare cu costuri reduse.
Spre deosebire de varianta breadboard, proiectanții pot alege să utilizeze nu doar componente în capsule THT, ci și pe cele care sunt proiectate pentru montare pe suprafață (SMD). Cu toate acestea, există restricții practice cu privire la ceea ce poate fi asamblat și lipit în mod realist într-un mediu de laborator. Acest lucru se datorează pur și simplu diferenței de precizie dintre mâinile proiectantului și echipamentele automate de tip “pick-and-place”, care pot poziționa componente minuscule cu o precizie sub milimetrică. Într-o oarecare măsură, tensiunea superficială a lipiturii fierbinți, presupunând că este depusă cu o precizie rezonabilă pe suprafața unui PCB, va ajuta la plasarea micilor componente discrete la locul lor. Totuși, este evident că montarea manuală a componentelor discrete disponibile în capsule SMD mai mari sau în versiunile lor THT este mai ușoară decât a dispozitivelor cu montare pe suprafață de tip 0402 sau mai mici.
Similar, dispozitivele cu montare pe suprafață cu pini dispuși pe extremități, cum ar fi capsulele QFP (quad flat-pack), vor fi mai ușor de plasat și de lipit într-un mediu de laborator în comparație cu cele care folosesc capsule BGA (ball-grid array), deoarece, în primul caz, inginerul poate vedea dacă pinii sunt aliniați corect înainte de lipire. Multe circuite integrate cu montare pe suprafață vin într-o varietate de capsule, astfel încât varianta QFP poate fi utilizată pentru producția de serie mică și prototipuri, iar variantele de capsule BGA sau ‘chipscale’ să fie folosite în producție. Distribuitorii cu experiență în materie de asistență pentru proiectare pot oferi consultanță cu privire la componentele care sunt potrivite pentru o abordare duală, în care prototipul folosește un anumit model, iar PCB-ul final (pentru producția de serie) va reprezenta varianta mai ieftină sau mai compactă. Instrumentele de simulare vor ajuta la identificarea oricăror modificări potențiale ale integrității semnalelor sau ale traseelor de I/O care ar putea fi necesare pentru a se adapta la tranziția de la prototip la producție.
Instrumente de laborator care facilitează asamblarea
Există o varietate de instrumente uzuale de laborator, cum ar fi aparatele de lipit cu vârf fin, care ușurează lipirea componentelor. Astăzi, microscopul contribuie substanțial la montarea dispozitivelor cu pas fin pe plăcile de circuit imprimat. Microscopul cu zoom stereo oferă de obicei iluminare inelară pentru a ajuta la plasarea cu precizie a componentelor și pentru a susține inspecția post-reflow. Un dispozitiv de injectare a pastei de lipit este un alt instrument important. De obicei, acesta utilizează aer comprimat pentru a aplica pe PCB cantități controlate de pastă de lipit. Nivelul ridicat de control asupra dozării facilitează foarte mult montarea capsulelor, precum QFP, cu un număr mare de pini foarte apropiați între ei.
Pentru operațiunea de lipire prin retopire propriu-zisă, un inginer poate folosi o plită fierbinte pentru a reface la un moment dat unele zone ale plăcii. Alternativ, toate componentele pot fi montate înainte de a fi transferate într-un cuptor de reflow de laborator.
Deoarece un anumit nivel de defecte de lipire va fi inevitabil pentru toți inginerii, cu excepția celor mai experimentați, instrumentele de testare și reparare vor fi esențiale. Plitele fierbinți și uneltele cu aer cald ajută la îndepărtarea componentelor nealiniate sau defecte, pregătite pentru o operațiune de relipire. Pentru testare, un multimetru este un instrument important, deoarece poate fi utilizat pentru a testa oricare dintre pad-urile și traseele de suprafață vizibile pentru verificarea conectivității. Farnell stochează o gamă cuprinzătoare de instrumente de laborator fabricate de specialiști precum Metcal și Weller și dispune de expertiza internă pentru a oferi consultanță cu privire la capabilitățile acestora pentru asamblarea și repararea prototipurilor.
Reunirea tuturor lucrurilor
Există multe opțiuni și compromisuri pentru echipele de proiectare atunci când vine vorba de crearea și utilizarea prototipurilor în timpul dezvoltării produselor. Distribuitorii experimentați pot oferi sfaturi valoroase privind aprovizionarea cu componente adecvate pentru asamblarea în laborator și cea mai bună variantă de livrare către parteneri EMS, precum și modul în care ansamblul și opțiunile de aprovizionare pot fi modificate pentru a se potrivi producției finale. În plus, aceștia pot îndruma echipele cu privire la cele mai bune instrumente de utilizat în laborator atunci când asamblarea internă este cea mai bună direcție de urmat. Este nevoie doar de imaginația și abilitatea unui inginer pentru a transforma o idee de produs în realitate.
Autor:
Simon Meadmore,
Director Global al departamentului IP&E