Hasta el 80% del costo de un producto final se determina por la forma en que está diseñado (siendo el resto normalmente atribuible a los costos generales y de capital). Naturalmente, se deduce que reducir el costo de un producto en la etapa de diseño es de importancia crítica para producir un producto final exitoso y competitivo en costos. El diseño para la fabricación y el montaje es un enfoque formal para examinar los componentes de un producto y el costo de montaje, y tiene como objetivo la reducción de costos antes de que comience la producción real. Este artículo comenzará con una discusión general de los conceptos de diseño para la fabricación y diseño para el montaje y luego esta discusión se desarrollará en detalle en entradas posteriores, que tratarán aspectos específicos relacionados con el diseño de PCB para la fabricación y el diseño para el montaje. Finalmente, una última entrada concluirá la serie con una discusión de los problemas de diseño de PCB más comúnmente observados.
Antes de continuar con la descripción, es necesario analizar cómo se utiliza el término «diseño para la fabricación» cuando se habla en términos más generales y cuando se discuteProducción de PCBmás específicamente.El diseño para la fabricación y el diseño para el montaje pueden referirse, en un sentido general, a la simplificación y optimización de un prototipo o diseño conceptual en preparación para su fabricaciónCuando se utilizan esos términos para hablar de PCB, a menudo significan un examen más directo de posibles problemas de fabricación. La primera entrega de esta serie utilizará la primera definición mientras analizamos los conceptos en un sentido amplio, y la segunda y la tercera utilizarán la segunda definición a medida que cambiemos nuestro enfoque hacia la fabricación y el ensamblaje de PCB.
En términos generales, el objetivo de analizar el diseño para la fabricación y el montaje es determinar cómo diseñar un producto que pueda fabricarse y ensamblarse de la manera más rentable posible. El diseño para la fabricación (DFM) se ocupa de reducir el costo total de producción y, de forma más evidente, el diseño para el montaje (DFA) se ocupa de la reducción de los insumos de material, los costos fijos de capital y la reducción de la mano de obra. Ambos se centran en la aplicación de normas para reducir los costos de producción y también buscan acortar el tiempo del ciclo de desarrollo del producto. La combinación de las dos metodologías se conoce comúnmente como diseño para la fabricación y el montaje (DFMA). La sección posterior analizará ambos tipos de análisis en conjunto, ya que están tan estrechamente relacionados y ambos términos se utilizan a menudo indistintamente.
El análisis DFMA comienza después de que se haya creado primero un diseño conceptual. Un diseño conceptual puede implicar la creación de un prototipo o el desarrollo de una nueva versión de un producto. Una vez que se ha creado un diseño conceptual, la lista de materiales (BOM) de este diseño puede examinarse mediante un análisis DFMA. Las reglas a las que se adhiere DFMA se representan de la siguiente manera:
•Minimizar el número de piezas en un diseño
Reducir el número de componentes en un diseño de PCB es un objetivo sencillo con beneficios evidentes. Reducirá el costo de ese diseño y la complejidad del ensamblaje y, aunque no sea tan evidente, es de gran beneficio. Por ejemplo, cuando se utilizan máquinas de colocación automática (pick and place) para poblar ensamblajes de PCB, estas están limitadas por la cantidad de componentes que pueden manejar en una sola pasada. Ser consciente de la cantidad de componentes que la máquina de colocación automática utiliza al ensamblar la placa de circuito puede conducir a reducciones de costo no obvias. Si, por ejemplo, un diseño requiere una resistencia de 20K y ya se han utilizado resistencias de 10K en el diseño, en realidad puede ser más barato usar dos resistencias de 10K en serie cuando eso puede reducir el número de veces que la máquina de colocación automática debe operar. En la misma línea, buscar circuitos integrados estándar que puedan consolidar una parte de tu diseño en un solo CI puede acelerar el tiempo de ensamblaje y trasladar parte de los requisitos de prueba al fabricante del CI. Por lo tanto, ser consciente de la cantidad y el tipo de componentes de la PCB es probablemente el paso más importante parareducir el costo total de producción de PCBEn una palabra,si una pieza no es necesaria para el diseño final, eliminarla reducirá el costo de la lista de materiales (BOM), disminuirá el costo de compra, el tiempo de procesamiento, el tiempo de prueba y la mano de obra de ensamblaje.
•Desarrollar un diseño modular
Considere dividir los diseños de PCB en bloques funcionales si puede utilizar esos bloques en una serie de productos diferentes. Aumentar la cantidad de un módulo en particular que se encarga a un fabricante puede reducir en gran medida el costo por unidad de ese módulo. También cabe señalar que el uso de módulos puede reducir el costo y la complejidad de las pruebas de un ensamblaje terminado al simplificar el proceso de prueba. Los sistemas más pequeños son inherentemente más fáciles de probar y reparar que los más grandes. Obviamente, el beneficio de costos que se puede obtener de una aplicación de diseño modular debe sopesarse frente al aumento de los costos de interconexión asociados con el uso de varios módulos. Otros beneficios de las características de diseño modular incluyen la facilidad de actualización del diseño, la estandarización de subsistemas en múltiples productos y una resolución de problemas más sencilla en caso de fallos de diseño de los subsistemas del producto.
•Esfuérzate por usar componentes estándar
El uso de componentes estándar es drásticamente capaz de reducir el tiempo y el costo de desarrollo de diseño. Ni que decir tiene que especificar una solución personalizada compleja aumentará enormemente el costo inicial de cualquier producto y puede hacer que un diseño sea inviable. El uso de componentes más comunes también puede simplificar la cadena de suministro de un producto y aliviar las preocupaciones sobre el suministro de componentes. Otro beneficio de preferir componentes estándar radica en el hecho de que sus huellas se verifican más fácilmente antes de ser utilizadas en un diseño de PCB.
•Dependa más de componentes multifuncionales
Siempre que un componente eléctrico pueda cumplir múltiples funciones en un diseño, conviene que el diseñador de PCB lo aproveche. Por ejemplo, usar una carcasa que también pueda servir como disipador de calor en un diseño puede ofrecer ahorros significativos en el costo del diseño. Otro ejemplo de un dispositivo de doble uso es emplear un separador como conexión a tierra desde la PCB hasta la carcasa de la PCB a través de un orificio de montaje conectado en la PCB.
•Diseñar módulos para usar en múltiples productos
El uso de piezas estándar en una gama de productos puede reducir los costos de manipulación y permitir compras a gran volumen. Este concepto también puede extenderse a los módulos de producto. Si un módulo puede utilizarse en varios productos, un mayor volumen de producción puede reducir el costo de dicho módulo y, en última instancia, conducir a un menor costo del producto terminado.
•Diseño para facilitar la fabricación
Selección de materiales para PCBque requieren menos procesamiento durante la fabricación pueden agilizar enormemente la producción del producto. Evitar operaciones como tener que pintar una carcasa mediante el uso de un material de carcasa adecuado puede eliminar etapas completas de fabricación y reducir el costo del producto. Además, asegurarse de que los componentes de diseño no se produzcan con tolerancias excesivamente grandes puede eliminar el retrabajo de piezas que consume tiempo y es costoso durante el montaje.
•Reducir y evitar, si es posible, el uso de sujetadores
Cuando se va a ensamblar una PCB, como ocurre con todos los productos, cuesta más utilizar sujetadores para montar los componentes que emplear una técnica de montaje a presión. Para aprovechar esto, intenta reducir el uso de sujetadores en tu ensamblaje. Una forma de hacerlo es utilizar versiones de montaje en superficie de los circuitos integrados de potencia e integrar la disipación de calor en el diseño de tu placa. Por ejemplo, cambiar de una versión en encapsulado TO-220 de un CI que utiliza un disipador de calor externo a una versión en encapsulado D2PAK que usa la PCB como disipador de calor integrado puede ahorrar una cantidad considerable en tu diseño final.
•Minimizar las instrucciones de montaje
Si es posible, todas las piezas deben instalarse a lo largo de un mismo eje comenzando desde el mismo lado del conjunto. A esto se le suele llamar un ensamblaje “de arriba hacia abajo” (“Top Down”), donde todos los componentes se instalan desde la parte superior hacia abajo en el ensamblaje final. Utilizar este tipo de proceso de ensamblaje por un solo lado ahorra el tiempo asociado con girar y rotar un producto durante el ensamblaje. Así, como con todas las decisiones de diseño, los ingenieros de diseño de PCB tendrán que sopesar si es mejor producir una PCB más pequeña con componentes colocados en ambos lados de la placa, frente a diseñar una PCB más grande con componentes colocados solo en un lado de la placa (PCBCart tiene la capacidad de manejar tanto de un solo ladoEnsamblaje de PCBy montaje de doble cara).
•Maximizar la aceptación de la colocación de componentes
Los ingenieros deben diseñar las PCB de manera que se puedan reducir los errores de montaje de componentes. Esto puede lograrse utilizando componentes que tengan tolerancias dimensionales mayores (mayor separación entre pines) o evitando problemas como el “tombstoning”. El uso de piezas diseñadas con altos niveles de tolerancia de colocación puede reducir en gran medida la tasa de fallos de un ensamblaje. Además, el uso de estructuras base que sean rígidas y predecibles en sus dimensiones también puede mejorar la tasa de colocación correcta de un componente. Asimismo, los sistemas de retroalimentación basados en visión artificial y otras formas de retroalimentación permiten procesos de automatización de colocación que pueden mejorar enormemente el rendimiento de la producción.
•Minimizar el Reposicionamiento y la Manipulación durante el Ensamblaje de PCB
Cada vez que una PCB se reposiciona durante el proceso de ensamblaje, aumenta la cantidad de tiempo necesaria para montar los componentes en esa PCB. Es fácil entender que se produce un reposicionamiento siempre que una PCB tenga dos caras y se instalen componentes en la cara frontal y posterior de la PCB. Cuando sea posible, utilice todos los componentes de montaje superficial en un solo lado de la placa. Usar únicamente dispositivos de montaje superficial limitará la parte de soldadura del proceso de ensamblaje a una sola etapa de refusión, mientras que la inclusión de componentes de orificio pasante puede requerir una etapa adicional de soldadura por ola o soldadura manual.
- • Se necesitan manipular y documentar menos piezas.
- • Se puede reducir el costo de la lista de materiales.
- • El costo de manipulación puede reducirse hasta cierto punto.
- • Se pueden reducir los insumos de trabajo y energía.
- • El tiempo total de fabricación puede acortarse, de modo que la eficiencia de fabricación pueda mejorarse en gran medida.
- • Menor complejidad conduce a mayor fiabilidad.
- • Los productos pueden ser más competitivos.
- • Se obtendrán márgenes más altos.
DFMA es un camino claro para reducir el costo de su próximo diseño. Los beneficios de reducir la cantidad de componentes en un diseño son evidentes. Los productos serán más viables si tienen un costo menor y son menos propensos a fallos, pero al reducir la cantidad de materiales que se utilizan para fabricar los productos, también se reducen los costos de manipulación, se minimizan los requisitos de documentación y se disminuye la mano de obra necesaria para el ensamblaje. Todos estos factores conducen a un menor costo de producción y permiten obtener márgenes más altos para los productos o fijar los precios de los productos a un nivel más competitivo. Además, se reduce el tiempo de producción, lo que permite que la entrega del producto al cliente se realice en menos tiempo. DFMA formaliza la implementación de estos objetivos.
