Reducción de costos en proyectos de hardware

Contenido

Concepto

En este artículo, hablaremos sobre las acciones que puedes tomar en tu proyecto para reducir el costo de fabricación de placas de circuito impreso (PCB) y también el costo del ensamblaje, es decir, la colocación de componentes en la placa.

Para aquellos que ya trabajan en el área desarrollando sistemas embebidos, estos conceptos son simples. Sin embargo, si no trabajas directamente en el desarrollo, pero estás en una posición que te permite decidir sobre la reformulación de un proyecto o al menos dar tu opinión, presta atención a estos cuatro puntos que mencionaré sobre los proyectos de tu empresa o la empresa en la que trabajas. Dependiendo del volumen de producción anual, el ahorro puede ser significativo.

¡Empecemos!

Tamaño de la placa de circuito impreso

Definimos el tamaño de la PCB básicamente por dos criterios:

• La cantidad y el tamaño de los componentes: Esto significa que las placas de circuito impreso diseñadas para el procesamiento de energía, que utilizan capacitores electrolíticos y conmutadores como MOSFET o IGBT, tienden a requerir un tamaño mayor que las placas de uso general o dispositivos IoT.
• La mecánica donde se fijará la placa de circuito impreso: Si usas un gabinete con perforaciones estándar, puede ser necesario extender el área de la placa para aprovechar las perforaciones preexistentes en el gabinete.
• Por el momento, no se me ocurre ningún otro criterio para definir el tamaño de la placa de circuito impreso. Si tienes alguno más, por favor, coméntalo al final de este contenido.

Ahora, si vendes 5 unidades de este producto por mes, la diferencia en el costo no impactará significativamente tu operación. Pero, ¿y si vendes 10,000 unidades por mes? Una reducción del 30% en el área de la placa significa, básicamente, una reducción del 30% en su costo. Permíteme explicarlo mejor. Estos son los factores que determinan el costo de fabricación de una placa de circuito impreso:

• Material utilizado: Fenólico, compuesto, fibra de vidrio, etc.
• Cantidad de capas: Placa de una cara, de doble cara o multicapa (4 o más capas).
• Diámetro mínimo del orificio: Los fabricantes generalmente trabajan bien con un diámetro mínimo de orificio de 0.3 mm. Cualquier valor menor aumenta el costo de fabricación de la placa. (Si recuerdo bien, alguien de una empresa de fabricación de PCB en Brasil me explicó que, cuando el diámetro del orificio es muy pequeño, en lugar de perforar 10 placas a la vez en la máquina de perforación, es necesario perforar menos a la vez, lo que aumenta la cantidad de horas necesarias para la producción. Además, las brocas muy finas se rompen con facilidad).
• Ancho mínimo de pista y distancia entre pistas: Los fabricantes trabajan bien con valores superiores a 6 mils para el ancho de pista y la distancia entre pistas. Valores menores dificultan el proceso, ya que las pistas pueden romperse con facilidad durante el proceso de corrosión, y los cortocircuitos entre pistas pueden ocurrir con mayor facilidad.
• Espesor del cobre: Cuanto mayor sea el espesor del cobre (1 oz, 2 oz, etc.), mayor será el costo de la placa de circuito impreso. (Curiosamente, el espesor del cobre no se expresa directamente en micrómetros, sino en onzas por pie cuadrado (oz/ft²). Es decir, el mercado decidió mezclar peso con área para hablar de espesor. Al final, 1 oz/ft² equivale a aproximadamente 35 µm de cobre. Curiosidades del mercado…).

Ahora imaginemos las siguientes características para tu proyecto: placa de fibra de vidrio (FR4), de doble cara, 1 oz, diámetro mínimo de orificio de 0.5 mm, y ancho mínimo de pista y distancia entre pistas de 8 mils. El costo por metro cuadrado es x. Cuantas más placas quepan por metro cuadrado, menor será el costo individual por unidad.

Si cabe 1 placa por m², el costo por placa será x. Si caben 2 placas por m², el costo será \(\dfrac{x}{2}\). Si caben 1,000 placas por m², el costo será \(\dfrac{x}{1000}\).

Básicamente, así funciona. Hay que considerar los bordes falsos para la panelización, la distancia entre placas dentro del panel para facilitar la producción, etc. Pero, en general, así es como funciona.

Por lo tanto, si existe la posibilidad de reducir el tamaño de la placa de circuito impreso, hazlo.

Evita componentes PTH

Si la aplicación para la cual está destinada la PCB involucra comunicación, procesamiento de señales o electrónica digital, no hay razones para usar componentes PTH. Es así de simple. El escenario es diferente para placas de procesamiento de energía.

El uso de componentes PTH requiere un paso adicional en el proceso productivo: el ensamblaje PTH, que, en la mayoría de las empresas de fabricación, se realiza de forma manual.

Mientras que en el ensamblaje SMD solo se necesita un operador para manejar toda la línea (cargar las placas vírgenes al inicio, supervisar la impresora de pasta de soldadura, manejar las máquinas pick-and-place para colocar los componentes SMD, supervisar el horno de refusió y, finalmente, esperar a que la placa se enfríe al final de la línea antes de enviarla a pruebas o almacenamiento), el ensamblaje PTH requiere más personas para insertar manualmente los componentes a través de los orificios de la placa y luego pasar por la soldadura por ola, un crisol de soldadura con una cinta transportadora que suelda los pines de los componentes a la placa. Este proceso manual requiere más personas, es lento y más propenso a errores, lo que puede requerir retrabajos. Por eso es más caro.

Entonces, si tu aplicación lo permite, cambia todo a componentes SMD. El ensamblaje se realizará en una línea 100% automatizada, mucho más rápida, barata y eficiente.

Evita componentes en el lado inferior (bottom)

Lo sé. Las aplicaciones de alta frecuencia con procesadores y memorias en encapsulados BGA requieren capacitores en el lado inferior debajo de estos componentes.

¿Tu aplicación es de alta frecuencia y usas procesadores o memorias? ¿No? Entonces elimina todos los componentes del lado inferior.

A menos que tengas problemas de espacio: tu gabinete es muy pequeño.

De lo contrario, es un desperdicio de dinero, ya que la placa debe pasar por la línea SMT dos veces: una para ensamblar los componentes en el lado superior (TOP) y otra para ensamblar los componentes en el lado inferior (BOTTOM). Además, los componentes del lado inferior requieren que primero se peguen a la placa antes de ser soldados por soldadura por ola. Este proceso no solo es caro, sino también laborioso, ya que algunos componentes pueden ser “arrancados” al pasar por la soldadura por ola.

En resumen: es un proceso adicional, más insumos como pegamento, y aumenta el riesgo de problemas. Si no es necesario, evítalo.

Evita componentes obsoletos

No voy a explicar mucho este punto. Solo daré un ejemplo:

Microcontrolador ATMEGA8A-AU, un microcontrolador obsoleto de 32 pines, 8 bits, que funciona a 16 MHz, con 8 kB de memoria flash, 1 kB de RAM y 512 B de memoria EEPROM para almacenamiento permanente de datos. Cuesta, en Mouser, para comprar 100 unidades a la fecha de este artículo, la exorbitante cantidad de US$2.11 por unidad.

Microcontrolador STM32C031K4T6 - un microcontrolador moderno de 32 pines, 32 bits, que funciona a 48 MHz, con 16 kB de memoria flash y 12 kB de RAM. No tiene memoria EEPROM, pero puedes escribir datos permanentes en la propia memoria flash. Cuesta, en Mouser, para comprar 100 unidades a la fecha de este artículo, US$0.722 por unidad.

Creo que no necesito decir nada más (“escribir” sería el término más apropiado, pero “decir” es más genial).

Resumen y conclusión

Guía rápida para reducir costos con PCB y ensamblaje:

1. Planifica cuidadosamente la placa de circuito impreso:

   • Más placas por panel = menor costo por unidad.
   • Pistas ≥ 6 mils y orificios ≥ 0.3 mm ayudan a mantener el precio bajo.
   • 1 oz/ft² (≈ 35 µm) es suficiente para la mayoría de los proyectos. Evita exagerar sin necesidad.

2. Prefiere SMD sobre PTH:

   • Ensamblaje más rápido, barato y menos propenso a retrabajos.
   • Usa PTH solo donde sea estrictamente necesario (conectores, alta potencia, etc.).

3. Evita componentes en el lado inferior:

   • Cada lado adicional ensamblado aumenta el costo de la línea SMT.
   • Úsalo solo si no hay espacio en el lado superior o en casos especiales (alta frecuencia, BGA).

4. Evita componentes obsoletos:

   • Los componentes antiguos suelen ser caros y difíciles de encontrar.
   • Reemplázalos por equivalentes modernos y disponibles.

¡Listo! Con el dinero ahorrado al final del año, invierte en nuevos proyectos o equipos. Haz crecer tu empresa y cuenta con Greenboard como tu socio en ingeniería.

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