No ambiente virtual, é agora possível não só analisar as capacidades de frequência e os níveis de ruído dos circuitos de sinais mistos, mas também avaliar a sua compatibilidade eletromagnética antes de inserir qualquer circuito integrado numa placa de circuito impresso. Estas simulações podem proporcionar um elevado grau de fiabilidade no projeto, sem a necessidade de investir em equipamentos de teste de alto desempenho para analisar minuciosamente um projeto de circuito. A simulação pode ajudar a garantir que os erros de layout do circuito são evitados, permitindo que os testes finais sejam realizados de forma rápida e fácil, utilizando instalações alugadas.

Ferramentas acessíveis, como as oferecidas pelo Altium e LabVIEW da National Instruments, são úteis não só para realizar simulações SPICE, que são vitais para avaliar o desempenho analógico de um circuito básico, mas também para tarefas que determinam o desempenho de um projeto após o seu layout e montagem. Por exemplo, as calculadoras de empilhamento de PCB podem identificar pistas parasitas associadas a pistas encaminhadas, e os analisadores de integridade de sinal podem indicar potenciais problemas de diafonia e ruído.

Protótipos de Hardware e Produção em Baixo Volume
Apesar das capacidades de simulação actualmente disponíveis, um protótipo de hardware é muitas vezes a única solução adequada. A equipa pode necessitar de implementações em hardware para testar hipóteses demasiado difíceis ou demoradas para serem executadas num ambiente virtual. Por exemplo, um circuito de controlo programado por software, concebido para funcionar num microcontrolador, pode necessitar de ser avaliado em relação a sinais do mundo real em tempo real para determinar a sua estabilidade numa variedade de condições possíveis. Um simulador de conjunto de instruções de software pode simplesmente não ser capaz de fornecer resultados em tempo útil ou ser controlado por dados de entrada realistas. Por outro lado, ao avaliar o desempenho de diferentes antenas num projeto de radiofrequência (RF), este pode geralmente ser melhor realizado testando diferentes configurações acopladas a um protótipo de hardware.

É também possível que o projeto tenha chegado ao ponto em que necessita de testes de campo e de aceitação por parte do cliente. No contexto da Internet das Coisas (IoT), em particular, é importante observar como os múltiplos dispositivos ligados em rede interagem entre si e com a cloud. Neste ponto, a equipa deve considerar opções de prototipagem e, possivelmente, produção em baixo volume para garantir hardware suficiente para um teste de campo bem-sucedido.

A equipa tem diversas opções. A melhor delas dependerá de vários fatores. As opções variam desde a adição de placas filhas de E/S personalizadas a um computador de placa única existente até à externalização da produção em pequenos lotes para um subcontratado. Se o objetivo é garantir que o software funciona como esperado num teste de hardware em loop das funções principais, faz sentido utilizar um computador de placa única compatível e encomendar uma placa de E/S protótipo caso a placa disponível não possua as interfaces necessárias ou se essas interfaces não apresentarem um desempenho adequado. Mesmo que o projeto final exija uma placa de circuito impresso personalizada, possivelmente utilizando uma variante diferente do microcontrolador integrado, o protótipo fornecerá informações úteis suficientes para justificar a sua utilização e minimizar as alterações de software necessárias para a versão de produção. Ao isolar a E/S personalizada numa placa filha, a equipa pode minimizar o tempo e o custo necessários para construir um protótipo funcional.

Protótipos personalizados:
Haverá casos em que a combinação de hardware padrão com E/S personalizadas não atingirá o mesmo nível de desempenho que um protótipo concebido à medida. Testar hipóteses sobre a integridade do sinal pode exigir um design da placa de circuito impresso o mais próximo possível do modelo de produção final. Os testes de campo requerem frequentemente hardware com dimensões físicas ou consumo de energia bastante limitados. A decisão resume-se, então, a duas opções: a capacidade de um laboratório interno construir um protótipo funcional ou os prazos e custos de externalização da montagem completa do hardware.

Se a complexidade do hardware for relativamente baixa, uma opção baseada numa placa de ensaio pode ser viável. Isto pode ser adequado quando se combina um computador de placa única com uma placa filha de E/S personalizada, uma vez que o número de componentes a montar na placa de ensaio será relativamente pequeno. Se os componentes forem maioritariamente discretos, é mais fácil encontrar dispositivos embebidos compatíveis com plataformas de placas de ensaio. Os distribuidores experientes podem aconselhar uma equipa de projeto sobre as opções de encapsulamento para o desenvolvimento de protótipos e apoiar a transição para componentes de montagem em superfície para a produção final.

A importância da embalagem:
As opções de embalagem são um fator crucial para determinar se é melhor encomendar protótipos totalmente montados a um subcontratado ou realizar parte da montagem no próprio laboratório da equipa de projeto. Uma abordagem comum envolve a utilização de ferramentas como as da Altium e da Autodesk para conceber uma placa de circuito impresso como protótipo e, em seguida, montar os componentes necessários no laboratório. Isto requer uma combinação de conhecimentos especializados em design e acesso a equipamentos de laboratório e de teste de baixo custo.

Ao contrário da opção de prototipagem em placa, os projetistas podem optar por utilizar não só componentes em encapsulamentos de encaixe, mas também aqueles concebidos para montagem em superfície. No entanto, existem limitações práticas sobre o que pode ser montado e soldado num ambiente laboratorial. Isto deve-se simplesmente aos diferentes níveis de precisão entre a mão humana e os equipamentos automatizados de pick-and-place, que podem posicionar componentes minúsculos com uma precisão submilimétrica. Em certa medida, a tensão superficial da solda quente (assumindo que é depositada com uma precisão razoável na superfície de uma placa de circuito impresso) ajudará a posicionar pequenos componentes discretos. Contudo, é obviamente mais fácil montar manualmente componentes discretos fornecidos em encapsulamentos de montagem em superfície maiores ou em versões de encaixe do que dispositivos de montagem em superfície 0402 ou menores.

Da mesma forma, os dispositivos de montagem superficial com pinos em redor do perímetro, como os encapsulamentos QFP (Quad Flat Pack), são mais fáceis de posicionar e soldar num ambiente de laboratório do que os encapsulamentos BGA (Ball Grid Array), uma vez que o engenheiro pode verificar o alinhamento dos pinos antes da soldadura. Muitos circuitos integrados de montagem superficial estão disponíveis em diversos encapsulamentos, pelo que a versão QFP pode ser utilizada para produção em pequena escala e prototipagem, enquanto os encapsulamentos BGA ou CSP são utilizados na produção em série. Os distribuidores com experiência em suporte ao projeto podem orientar sobre quais os componentes adequados para uma abordagem de encapsulamento duplo, em que o protótipo utiliza um formato e a placa final utiliza a versão mais compacta ou de menor custo. As ferramentas de simulação ajudarão a identificar quaisquer potenciais alterações na integridade do sinal ou no encaminhamento de E/S que possam ser necessárias para acomodar a transição do protótipo para a produção.

Ferramentas de bancada para facilitar a montagem em laboratório:
Diversas ferramentas de bancada comuns, como ferros de soldar de ponta fina, facilitam a montagem em laboratório. Atualmente, um microscópio é um auxiliar essencial para a montagem de componentes de passo fino em placas de circuito impresso. Um microscópio estereoscópico com zoom fornece frequentemente iluminação em anel para auxiliar no posicionamento preciso dos componentes e na inspeção pós-refluxo. A injeção de pasta de solda é outra ferramenta importante. O ar comprimido é geralmente utilizado para aplicar quantidades controladas de pasta de solda na placa repetidamente. O elevado nível de controlo sobre a aplicação simplifica bastante a montagem de encapsulamentos, como os QFPs, com um grande número de pinos próximos uns dos outros.

Para a operação de soldadura por refluxo em si, um engenheiro pode utilizar uma placa aquecida de refluxo concebida para refazer o processo em pequenas porções da placa de cada vez. Em alternativa, todos os componentes podem ser montados antes de serem transferidos para um forno de refluxo de bancada.

Uma vez que um certo nível de falha na soldadura é inevitável (exceto para os engenheiros mais experientes), as ferramentas de teste e recondicionamento são essenciais. As placas aquecedoras e os sopradores de ar quente ajudam a remover os componentes desalinhados ou defeituosos, preparando-os para a ressoldagem. Um multímetro é uma ferramenta de teste importante, uma vez que pode ser utilizado para verificar terminais e rastos visíveis na superfície ao testar a conectividade. A Farnell possui uma vasta gama de ferramentas de laboratório fabricadas por especialistas como a Metcal e a Weller e dispõe de conhecimento especializado interno para o aconselhar nas suas capacidades de prototipagem e recondicionamento.

Conclusão:
As equipas de design têm muitas opções e escolhas ao criar e utilizar protótipos durante o desenvolvimento de produtos. Os distribuidores experientes podem oferecer conselhos valiosos sobre a disponibilidade de componentes adequados para montagem em laboratório e os melhores métodos de entrega para subcontratados, bem como sobre como modificar as opções de embalagem e fornecimento para satisfazer a produção final. Podem também orientar as equipas sobre as melhores ferramentas a utilizar no laboratório quando a montagem interna for a melhor opção. Tudo o que é necessário agora é a imaginação e a capacidade de um engenheiro para dar vida a uma ideia de produto.

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