La oferta de herramientas disponibles para la introducción de nuevos productos nunca ha sido tan amplia. Gracias a las mejoras en el rendimiento del hardware de los ordenadores de sobremesa, el acceso a recursos en la nube y la disponibilidad de herramientas avanzadas de simulación, los ingenieros pueden modelar el rendimiento de los sistemas electrónicos con un alto nivel de detalle tanto en el dominio virtual como en el físico.

En el dominio virtual, ahora es posible no solo analizar las capacidades de frecuencia y los niveles de ruido de los circuitos de señal mixta, sino que incluso se puede evaluar su compatibilidad electromagnética antes de colocar cualquier circuito integrado en una placa de circuito impreso. Estas simulaciones pueden dar un alto grado de confianza en el diseño sin necesidad de invertir en equipos de prueba de alto rendimiento para analizar de manera exhaustiva el diseño de un circuito. La simulación puede ayudar a garantizar evitar errores en el trazado de circuitos, de modo que la prueba final pueda realizarse de forma rápida y fácil usando instalaciones alquiladas.

Las herramientas asequibles, como las que ofrecen Altium y LabView de National Instruments, sirven no solo para realizar simulaciones SPICE que son vitales para evaluar el rendimiento analógico de un esquema básico, sino además tareas que determinan el rendimiento de un diseño una vez colocado y ensamblado. Por ejemplo, los calculadores de apilamiento de placas de circuito impreso pueden determinar las pistas parásitas asociadas a las trazas enrutadas y los analizadores de integridad de la señal indican posibles problemas de diafonía y ruido.

Prototipos de hardware y producción de bajo volumen
Pese a las capacidades de simulación disponibles en la actualidad, en muchas ocasiones solo resulta adecuado un prototipo de hardware. El equipo puede necesitar implementaciones de hardware para probar supuestos que es demasiado difícil o demorado realizar en el entorno virtual. Por ejemplo, puede haber un bucle de control programado por software y diseñado para ejecutarse en un microcontrolador, que se debe evaluar con respecto a señales del mundo real en tiempo real para determinar si es estable en una serie de posibles situaciones. Es posible que un simulador de conjuntos de instrucciones de software simplemente no pueda dar resultado en el momento oportuno o que se rija por datos de entrada realistas. Por otro lado, cuando se debe evaluar el rendimiento de diferentes antenas en un diseño de radiofrecuencia (RF), se puede llevar a cabo mejor probando diferentes configuraciones acopladas a un prototipo de hardware.

También puede ocurrir que el proyecto haya llegado al punto de necesitar pruebas de campo y de aceptación por parte del cliente. En el contexto de Internet de las Cosas (IoT) en particular, es importante ver cómo funcionan los múltiples dispositivos en red entre sí y con la nube. En este punto, el equipo debe considerar las opciones de creación de prototipos y posiblemente de producción de bajo volumen para poder ofrecer suficiente hardware para una prueba de campo satisfactoria.

El equipo cuenta con varias opciones. La mejor de ellas dependerá de una serie de factores. Las opciones van desde añadir tarjetas hijas de E/S personalizadas a un ordenador monoplaca existente, hasta encargar una producción de pequeñas cantidades a un subcontratista. Si el objetivo es garantizar que el software funcionará como se espera en una prueba de hardware en bucle de las principales funciones, tendrá sentido recurrir a un ordenador monoplaca compatible y ordenar la fabricación de un prototipo de placa de E/S si la placa disponible no tiene las interfaces necesarias, o si estas no tienen el rendimiento suficiente. Incluso si el diseño final exige diseñar una placa de circuito impreso a medida, posiblemente usando otra variante del microcontrolador en placa, el prototipo producirá suficiente información útil para que se justifique su uso y para minimizar los cambios de software necesarios para la versión de producción. Al aislar las E/S a medida en una tarjeta hija, el equipo puede minimizar el tiempo y el coste necesarios para construir un prototipo viable.

Prototipos diseñados a medida
Habrá casos en los que el uso de una combinación de hardware estándar con E/S personalizadas no alcance un rendimiento tan bueno como un prototipo diseñado a medida. La comprobación de hipótesis sobre la integridad de la señal puede requerir un diseño de la placa de circuito impreso lo más parecido posible al modelo de producción final. Las pruebas de campo exigen con frecuencia un hardware que se ajuste a un formato físico o un consumo de energía muy limitado. La decisión pasa entonces por dos opciones: las capacidades de un laboratorio interno para construir un prototipo que funcione o los plazos y el coste de tener un hardware totalmente ensamblado por un subcontratista.

Si la complejidad de las piezas de hardware es relativamente baja, puede ser viable una opción basada en una placa de prueba. Esto puede resultar adecuado cuando se combinan un ordenador monoplaca y una tarjeta hija de E/S a medida ya que el número de componentes que hay que montar en la placa de prueba será relativamente bajo. Si los componentes son en su mayoría discretos es más fácil conseguir dispositivos insertados que sean compatibles con plataformas para placas de prueba. Los distribuidores experimentados pueden aconsejar las opciones de encapsulado de un equipo de diseño para el desarrollo de prototipos y el soporte hacia la transición a componentes de montaje superficial la producción final.

La importancia del encapsulado
Las opciones de encapsulado son un factor importante a la hora de determinar si es mejor pedir prototipos con todos los componentes ya colocados a un subcontratista o realizar parte del montaje en el propio laboratorio del equipo de diseño. Un enfoque comúnmente utilizado consiste en usar herramientas como las de Altium y Autodesk para diseñar una placa de circuito impreso como prototipo y luego ensamblar en el laboratorio los componentes necesarios para el diseño. Para esto el equipo requiere una combinación de conocimientos de diseño y acceso a herramientas de laboratorio y pruebas de bajo coste.

A diferencia de la opción de la placa de prueba, los diseñadores pueden optar por usar no solo componentes en encapsulados insertados sino también aquellos diseñados para montaje superficial. Sin embargo, existen restricciones prácticas sobre lo que se puede ensamblar y soldar de forma realista en un entorno de laboratorio. Esto se debe simplemente al diferente grado de exactitud entre la mano humana y los equipos automatizados pick & place, que pueden colocar componentes diminutos con una exactitud inferior a un milímetro. Hasta cierto punto, la tensión superficial de una soldadura caliente (suponiendo que se deposite con una exactitud razonable sobre la superficie de una placa de circuito impreso) ayudará colocar los pequeños discretos en su lugar. Sin embargo, obviamente es más fácil montar a mano los componentes discretos que se suministran en encapsulados de montaje superficial más grandes o las versiones para inserción que los dispositivos de montaje en superficial 0402 o más pequeños.

Asimismo, los dispositivos de montaje superficial con patillas alrededor, como los de tipo QFP (quad flat-pack) serán más fáciles de colocar y soldar en un entorno de laboratorio que los BGA (ball-grid array) porque el ingeniero puede ver si las patillas están correctamente alineadas antes de soldar. Muchos circuitos integrados de montaje superficial se suministran en diversos encapsulados, así que la versión QFP se puede usar para la producción de tiradas pequeñas y la creación de prototipos, mientras que BGA o CSP se usan en producción. Los distribuidores con experiencia en soporte para diseño pueden aconsejar qué componentes son adecuados para un doble enfoque donde el prototipo usa un formato y la placa definitiva usa la versión de menor coste o más compacta. Las herramientas de simulación ayudarán a identificar cualquier cambio potencial en la integridad de la señal o el enrutamiento de E/S que pueda ser necesario para acomodar la transición del prototipo a la producción.

Herramientas de sobremesa para facilitar el montaje en el laboratorio
Existen diversas herramientas cotidianas de sobremesa, como los soldadores de punta fina, para facilitar el montaje en el laboratorio. Hoy en día, el microscopio es una ayuda esencial para montar dispositivos de paso fino en placas desnudas. El microscopio con zoom estereoscópico suele proporcionar una iluminación anular para ayudar a la colocación precisa de los componentes y la inspección posterior al reflujo. La inyección de pasta de soldadura es otra herramienta importante. Normalmente se utiliza aire comprimido para aplicar cantidades controladas de pasta de soldadura a la placa de forma repetida. El alto nivel de control sobre la dispensación facilita mucho el montaje de encapsulados, como los QFP, con un gran número de patillas muy cercanas entre sí.

Para la propia operación de reflujo de la soldadura, un ingeniero puede utilizar una placa caliente de reflujo destinada a refluir pequeñas porciones de la placa a la vez. De otro modo, se pueden montar todos los componentes antes de transferirlos a un horno de reflujo de sobremesa.

Dado que un cierto nivel de fallos de soldadura será inevitable (salvo para los ingenieros más expertos), las herramientas de prueba y reacondicionamiento serán fundamentales. Las placas calientes y las herramientas de aire caliente ayudan a retirar los componentes desalineados o defectuosos para prepararlos para la resoldadura. Un multímetro es una herramienta importante para las pruebas, ya que se puede usar para sondear cualquiera de los terminales visibles y las trazas superficiales al comprobar la conectividad. Farnell tiene en stock una amplia gama de herramientas de laboratorio fabricadas por especialistas como Metcal y Weller y cuenta con experiencia interna para asesorarle sobre sus capacidades para el montaje de prototipos y el reacondicionamiento.

Conclusión
Los equipos de diseño tienen muchas opciones y elecciones a la hora de crear y utilizar prototipos durante el desarrollo del producto. Los distribuidores experimentados pueden ofrecer un valioso asesoramiento sobre la disponibilidad de componentes adecuados para el montaje en laboratorio y la mejor forma de entrega a los subcontratistas, así como sobre la forma de modificar las opciones de encapsulado y suministro con el fin de adaptarlas a la producción final. Además, pueden orientar a los equipos sobre las mejores herramientas para utilizar en el laboratorio cuando el montaje interno es la mejor opción. Todo lo que se necesita ahora es la imaginación y la habilidad de un ingeniero para hacer realidad una idea de un producto.

Por Simon Meadmore, Global Head of IP&E de Farnell – www.farnell.com -