Az elektronikus prototípusokhoz vezető utak

Az új termékek bevezetését segítő eszközök választéka még soha nem volt ilyen széles körű. Az asztali számítógépes hardverek nagyobb teljesítményének, a felhőalapú erőforrásokhoz való hozzáférésnek és a fejlett szimulációs eszközök elérhetőségének köszönhetően a mérnökök a prototípusokon keresztül a virtuális és a fizikai tartományban is nagy részletességgel modellezhetik az elektronikus rendszerek működését, teljesítményét.

A virtuális tartományban ma már nemcsak a vegyes jelű áramkörök frekvenciaképességét és zajszintjét lehet elemezni, hanem még elektromágneses kompatibilitásuk is felmérhető, mielőtt egyetlen integrált áramkör is felkerülne a nyomtatott áramköri lapra (PCB). Az ilyen szimulációk nagyfokú megbízhatóságot nyújtanak a tervezéshez anélkül, hogy nagy teljesítményű tesztberendezésekbe kellene beruházni az áramköri terv átfogó elemzésének elvégzéséhez. A szimuláció segíthet biztosítani, hogy az áramkör elrendezésében elkövetett hibák elkerülhetők legyenek, így a végső teszt gyorsan és egyszerűen elvégezhető a bérelt berendezésekkel.
Az olyan megfizethető eszközök, mint például az Altium és a National Instruments LabView által kínáltak, nemcsak a SPICE-szimulációk elvégzéséhez nyújtanak segítséget, amelyek létfontosságúak egy alapvető kapcsolási rajz analóg teljesítményének értékeléséhez, hanem lehetőséget is adnak, hogy meghatározzák, milyen jól fog teljesülni a terv, miután elhelyezték és összeszerelték a prototípust. A PCB stackup kalkulátorok például képesek meghatározni az elvezetett nyomvonalakhoz kapcsolódó parazitákat, a jelintegrációs elemzők pedig pontosan bemutatják a lehetséges áthallási és zajproblémákat.

Hardverprototípusok és kis sorozatú gyártás

A ma rendelkezésre álló szimulációs lehetőségek ellenére sokszor előfordul, hogy a hardveres prototípuson kívül semmi más nem elég. Előfordulhat, hogy a csapatnak hardveres megvalósításokkal kell tesztelnie olyan feltételezéseket, amelyek virtuális környezetben történő végrehajtása túl nehéz vagy időigényes. Lehet például egy mikrokontrollerre tervezett, szoftveresen programozott vezérlőhurok, amelyet valós időben kell értékelni a valós jelekkel szemben, hogy megállapítsák, stabil-e a célforgatókönyvek tartományában. Egy szoftveres utasításkészlet-szimulátor egyszerűen nem képes időben eredményeket szolgáltatni, vagy nem lehet reális bemeneti adatokkal vezérelni. Egy másik forgatókönyv szerint a rádiófrekvenciás (RF) tervezésben a különböző antennák teljesítményét kell értékelni, és ez jobban elvégezhető egy hardverprototípushoz csatlakoztatott különböző konfigurációk kipróbálásával.
Alternatív megoldásként előfordulhat, hogy a projekt már eljutott arra a pontra, amikor terepi próbákra és korai ügyfélátvételi tesztekre van szükség. Különösen a tárgyak internetével (IoT) összefüggésben fontos látni, hogy több eszköz hogyan működik egy hálózaton egymással és a felhővel. Ezen a ponton a csapatnak mérlegelnie kell a prototípusok és esetleg a kis szériás gyártás lehetőségeit, hogy elegendő hardvert tudjon biztosítani a kielégítő helyszíni teszteléshez.
A csapat előtt több lehetőség is nyitva áll, s hogy melyik a legjobb, az számos tényezőtől függ. A választási lehetőségek a meg­lévő egylapos számítógép (SBC) egyedi I/O bővítőkártyákkal való kiegészítésétől a kis sorozatú gyártás megrendeléséig terjednek egy elektronikai gyártási szolgáltató (EMS) partnertől. Ha az a cél, hogy a szoftver az alapvető funkciók hardveres tesztelése során az elvárásoknak megfelelően teljesítsen, akkor érdemes egy kompatibilis SBC-t alkalmazni, és egy prototípus I/O-kártyát készíttetni, ha a készleten lévő lap nem rendelkezik a szükséges interfészekkel, vagy ha azok nem teljesítenek megfelelő szinten. Még ha a végleges terv egyedi NYÁK-tervezést is igényel, esetleg a fedélzeti mikrokontroller egy másik változatát használva, a prototípus elegendő hasznos információt fog szolgáltatni ahhoz, hogy indokolt legyen minimalizálni a sorozatgyártású változathoz szükséges szoftvermódosításokat. Az egyedi I/O-nak egy bővítőkártyára történő elszigetelésével minimalizálhatók az életképes prototípus elkészítéséhez szükséges idő és költségek.

Egyedi tervezésű prototípusok

Előfordulnak olyan esetek, amikor a készleten lévő hardver és az egyedi I/O kombinációja nem teljesít olyan jól, mint egy egyedi tervezésű prototípus. A jelintegritásra vonatkozó feltételezések tesztelése olyan NYÁK-tervezést igényelhet, amely a lehető legközelebb áll a végső gyártási modellhez. A terepi tesztek gyakran olyan hardvert igényelnek, amely erősen korlátozott fizikai vagy energiafelhasználási keretbe illeszkedik. Ilyenkor a döntés a házon belüli laboratórium képességeinek a működő prototípus megépítésével szemben az EMS-partner által biztosított, teljesen összeszerelt hardver átfutási idejével és költségeivel függ össze.

Protoboard TW-E41-1060

Ha a hardveralkatrészek összetettsége viszonylag alacsony, akkor a próbapanel-alapú megoldás is életképes lehet. Ez megfelelő választás lehet abban az esetben, ha egy SBC-t egyedi I/O bővítőkártyával kombinálnak, mivel a próbapanelre összeszerelendő alkatrészek száma viszonylag alacsony. Ha az alkatrészek többnyire diszkrét elemekből állnak, könnyebb a próbapanelplat­formokkal kompatibilis, átmenő furatú eszközöket beszerezni. A tapasztalt forgalmazók tanácsot tudnak adni a tervezőcsapat számára a prototípusok készítéséhez nyitva álló tokozási lehetőségekről, amelyek támogatják a végső gyártás során a felületre szerelt alkatrészekre való áttérést.

A tokozás fontossága

A megfelelő tokforma kiválasztása fontos tényező annak eldöntésében, hogy jobb-e teljesen feltöltött prototípusokat rendelni egy EMS-szolgáltatótól, vagy az összeszerelés egy részét a tervezőcsapat saját laboratóriumában végezni. Egy általánosan alkalmazott megközelítés az, hogy az Altium és az Autodesk által kínált eszközökkel tervezik meg a prototípus nyomtatott áramköri lapját, majd a laboratóriumban szerelik össze a tervezéshez szükséges alkatrészeket. Ennek a megközelítésnek az alkalmazásához a csapat a tervezési rálátás és az olcsó laboratóriumi szerszámokhoz és teszteléshez való hozzáférés kombinációjára támaszkodik.
A próbapanel-lehetőséggel ellentétben a tervezők választhatják meg, hogy nemcsak az átmenőfuratos tokformában lévő alkatrészeket alkalmazzák, hanem azokat is, amelyeket felületszerelésre terveztek. Gyakorlati korlátok merülnek fel azonban azzal kapcsolatban, hogy mit lehet reálisan összeszerelni és forrasztani laboratóriumi környezetben. Ennek oka egyszerűen az emberi kéz és az apró alkatrészeket milliméter alatti pontossággal elhelyezni képes automatizált pick-and-place berendezések közötti pontosságbeli különbség. Bizonyos mértékig a forró forraszanyag felületi feszültsége – feltéve, hogy a PCB felületére meglehetősen pontosan kerül – segít a kis diszkrét alkatrészeket a helyükre húzni. A nagyobb felületszerelhető tokformában vagy azok átmenőfuratos változataiban érkező diszkrét alkatrészeket azonban egyértelműen könnyebb kézzel felszerelni, mint a 0402-es vagy kisebb felületszerelhető eszközöket.

Kézi forrasztás

Hasonlóképpen, az olyan felületszerelt eszközök, amelyeknek a széle körül vannak kivezetések, mint például a QFP tokok, könnyebben elhelyezhetők és forraszthatók laboratóriumi környezetben, mint a BGA tokozatú eszközök, mivel a mérnök a forrasztás előtt láthatja, hogy a kivezetések megfelelően vannak-e igazítva. Sok felületszerelt IC többféle tokformában készül, így a QFP változat használható kis szériás gyártáshoz és prototípusok készítéséhez, a gyártásban használt BGA vagy chip-méretű tokváltozatokkal együtt. A tervezés támogatásában tapasztalattal rendelkező forgalmazók tanácsot tudnak adni, hogy mely alkatrészek alkalmasak a kétutas megközelítésre, amelyben a prototípusban az egyik formát, a végleges nyomtatott áramköri lapon pedig az olcsóbb vagy kompaktabb változatot használják. A szimulációs eszközök segítenek azonosítani a jelintegritás vagy az I/O útvonalvezetés esetleges módosításait, amelyek a prototípusról a gyártásra való átmenethez szükségesek lehetnek.

A laboratóriumi összeszerelést megkönnyítő
asztali szerszámok

A laboratóriumi összeszerelés megkönnyítésére számos mindennapi asztali eszköz, például finomhegyű forrasztópáka áll rendelkezésre. A mikroszkóp ma már nélkülözhetetlen segédeszköz a finom osztású eszközök csupasz NYÁK-ra történő szereléséhez. A sztereo-zoom-mikroszkóp jellemzően gyűrűs megvilágítást biztosít az alkatrészek precíz elhelyezésének segítésére és az utólagos ellenőrzés támogatására. A forraszpaszta-injektor egy másik fontos eszköz. Ez jellemzően sűrített levegőt használ, hogy ellenőrzött mennyiségű forraszpasztát vigyen fel a NYÁK-ra ismételhető módon. Az adagolás nagyfokú ellenőrzése nagyban megkönnyíti a nagyszámú, egymástól kis távolságra lévő kivezetőkkel rendelkező tokok, például a QFP-tokok felszerelését.

Weller forrasztóállomás

Magához a forrasztási visszaolvasztási művelethez a mérnök használhat rework állomást, hogy egyszerre csak a lap kis részeit olvassza vissza. Alternatív megoldásként az összes alkatrészt fel lehet szerelni, mielőtt egy asztali reflow-kemencébe helyeznénk.

Metcal rework állomás

Mivel a legtapasztaltabb szakemberek kivételével a forrasztási hibák bizonyos szintje elkerülhetetlen, a tesztelési és utómunkálási eszközök létfontosságúak. A rework állomások és a forrólevegős szerszámok segítenek a rosszul beállított vagy meghibásodott alkatrészek eltávolításában az újraforrasztási művelethez. A teszteléshez a multiméter fontos eszköz, mivel a csatlakoztathatóság ellenőrzése során bármelyik látható csatlakozóelem és felületi nyomvonal szondázására használható. A Farnell a laboratóriumi eszközök átfogó választékát tartja raktáron, amelyet olyan specialisták gyártanak, mint a Metcal és a Weller, amelyek rendelkeznek a házon belüli szakértelemmel, hogy tanácsot adjanak a prototípusok összeszereléséhez és utómunkájához szükséges képességekkel kapcsolatban.

Összehozni mindent

Számos lehetőség és kompromisszum áll a tervezőcsapatok rendelkezésére, amikor a termékfejlesztés során prototípusok létrehozására és használatára kerül sor. A tapasztalt forgalmazók értékes tanácsokkal szolgálhatnak a laboratóriumi összeszerelésre alkalmas alkatrészek beszerzésével és az EMS-partnereknek történő szállítás legjobb formájával, valamint azzal kapcsolatban, hogy a tokozási és szállítási lehetőségek hogyan módosíthatók a végső gyártáshoz igazodva. Emellett útmutatást tudnak adni a csapatoknak a laboratóriumban használható legjobb eszközökről, ha a házon belüli összeszerelés a legjobb irány. Már csak a mérnök képzelőereje és képességei szükségesek ahhoz, hogy a termékötletet valósággá tegye.

Szerző: Simon Meadmore – a Farnell IP&E globális vezetője

Farnell element14
Ingyenesen hívható telefonszám: 06 80 016 413
Műszaki támogatás e-mailben: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
http://hu.farnell.com
www.element14.com