La Produzione di Schede Elettroniche: 7 step + 3 errori comuni

Giorgio Morini

Giorgio Morini

Product Development

Giorgio Morini

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Product Development

Produzione di Schede Elettroniche:
I 6 step + 3 errori comuni!

Oggi chiunque si affacci alla realizzazione di un prodotto qualsiasi non può fare a meno di una scheda elettronica che ne controlli e gestisca il funzionamento.

Nessuno, a parte qualche impavido “nerd”, vede mai la scheda elettronica che fa funzionare i nostri smartphone, gli elettrodomestici, il distributore automatico di caffè, e così via. Eppure si tratta della parte più importante, senza la quale non potremmo fare operazioni diventate ormai elementari e abituali nella nostra vita quotidiana.

Come avviene dunque la produzione delle schede elettroniche

È un processo estremamente affascinante, in cui singoli e piccolissimi componenti vengono posizionati su un circuito stampato e dopo diversi passaggi il tutto viene saldato insieme.

Ancora per molti la scheda elettronica è uno strumento magico che incredibilmente accende gli schermi dei nostri smartphone, legge la nostra impronta digitale o riconosce il nostro viso o semplicemente apre il cancello automatico del nostro garage.

Entriamo assieme dentro al processo di produzione delle schede elettroniche: scoprirai quanto affascinante è questo mondo! 

Ecco i sei passaggi fondamentali che ti racconterò più sotto e qualche errore da non commettere che voglio svelarti.

1. Progettazione Schede Elettroniche

Tutto parte dalla progettazione della schede elettronica

Quando sono di fronte ad un nuovo cliente cerco subito di capire le sue esigenze

Cosa vuole realizzare? 

Cosa deve fare il suo prodotto? 

Come deve farlo?

Approfondendo queste necessità è possibile raccogliere tutti i dati necessari per capire come progettare la scheda elettronica.

Entrando nel dettaglio delle funzionalità richieste possiamo incominciare a fare una sorta di elenco della spesa: cioè individuiamo e selezioniamo tutti i componenti necessari a far funzionare il prodotto esattamente come se lo immagina il cliente.
Partendo dalle resistenze elettriche al condensatore, dall’induttore ai relè ai transistor, etc,. La lista è  davvero lunga…

Se cerchi ancora più informazioni sui componenti elettronici, ecco il link alla pagina Wikipedia dedicata ai componenti elettronici

Da adesso parte la progettazione vera e propria, mettendo insieme requisiti del cliente, dimensioni a disposizione per far entrare la scheda elettronica nel prodotto, elenco di tutti i componenti indispensabili e disegno preliminare dei tracciati.

I tracciati non sono altro che le ordinate strade che vedi incise su una scheda elettronica e che mettono in comunicazione tutti i componenti in modo ottimale ed efficace. 

(Abbiamo creato un mini guida ai componenti delle schede elettroniche principali, che puoi vedere qui: link alla guida)

2. Sviluppo Schede Elettroniche

Tutto questo chiaramente non viene fatto su un pezzo di carta, ma deve essere sviluppato a computer, con l’ausilio del software CAD, grazie al quale possiamo disegnare tutta la parte hardware della scheda elettronica in 2D e in 3D.

Dal progetto iniziale quindi avviamo lo sviluppo della scheda elettronica vero e proprio che incomincia a dare forma alla nostra scheda. 

Progettazione e sviluppo non sono relativi solo all’hardware, cioè ciò che fisicamente vediamo di una scheda, ma anche firmware.

Se non sai cos’è il firmware, ecco un mini guida che te lo spiega. 

Infatti, mentre si selezionano e disegnano i vari componenti fisici, bisogna contemporaneamente verificare se lato firmware – cioè “l’anima” della scheda – si riesce a soddisfare i requisiti del cliente e a far funzionare correttamente la scheda. A volte, infatti, può essere necessario rivedere qualche componente hardware per sceglierne uno più potente in grado di elaborare più operazioni

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3. Sbroglio dei circuiti stampati

Ora che tutti i componenti sono stati identificati bisogna passare alla fase di sbroglio dei circuiti stampati.

Cosa significa? 

Sostanzialmente siamo ad un punto della produzione delle schede elettroniche in cui da un lato abbiamo tutti gli elementi necessari da utilizzare, e dall’altro abbiamo la scheda su cui posizionarli.

È un po’ come giocare con le Lego su una superficie limitata. Ecco, lo sbroglio non è altro che il posizionamento di tutti i componenti sulla scheda elettronica.

Sembrerà un passaggio ovvio e facile, ma in realtà si tratta di un fase delicata, perché bisogna tenere conto di tante variabili quando posizioniamo i componenti sulla scheda.

Innanzitutto lo spazio a disposizione è limitato, per cui posizionare alcuni elementi in un modo piuttosto che in un altro cambia notevolmente il risultato finale. 

Inoltre, i componenti devono essere collegati tra loro dai tracciati, per cui non ha senso mettere due componenti che devono comunicare tra loro ai capi opposti della scheda, perché richiederebbe ulteriore spazio da utilizzare per il percorso del tracciato.

Tipicamente infatti, il microprocessore che contiene il firmware viene messo in posizione centrale, e da qui si definiscono da che lato della scheda ci saranno gli ingressi e in quale saranno posizionate le uscite.
Di conseguenza ogni componente sarà posizionato al posto giusto.

Qui sotto uno schema dove si vede bene la posizione centrale del microprocessore e le piste che si diramano a partire dal centro. 

 

 

Se, invece, non sai cos’è il firmware, ecco un mini guida che te lo spiega. 

È un po’ come un magazzino in cui un lato del magazzino è adibito alla merce in ingresso (nel nostro caso quindi tutti gli input che vengono azionati) e dall’altro lato c’è la merce in uscita (ovvero la risposta all’input che è stato azionato).

In un magazzino, poi, tutto si muove lungo percorsi prestabiliti per non creare confusione e ottimizzare i movimenti, che nel caso di una scheda elettronica sono proprio i tracciati che collegano i vari componenti.

Infine c’è sempre un coordinatore che controlla e abilita le varie operazioni di ingresso e uscita: in una scheda elettronica è il microprocessore con il firmware al suo interno che controlla tutto ciò che accade.

Non è affascinante la produzione di schede elettroniche?

Non ci rendiamo conto che nei nostri computer, smartphone, elettrodomestici e molti altri prodotti ci sono delle “città elettroniche” in continuo lavoro.

Una volta che lo sbroglio è avvenuto si potrà inviare tutti i file alla produzione per iniziare a creare i primi prototipi di schede elettroniche.

4. Prototipazione Schede Elettroniche

Come appena accennato, prima di avviare la produzione di schede elettroniche vera e propria vengono fatti dei prototipi.

Dal disegno del progetto si acquistano tutti i componenti necessari e vengono costruiti i primi esemplari di scheda elettronica.

Su questo prototipo di scheda elettronica viene installato anche il prototipo di firmware in corso di sviluppo, assieme all’eventuale software necessario.

Il prototipo è molto importante perché permette una prima verifica che la scheda elettronica rispondi ai requisiti richiesti. Il prototipo viene infatti inviato anche al cliente, così da poterlo testare direttamente sui loro prodotti e restituire un feedback su eventuali migliorie, correzioni o cambiamenti che si rendono evidenti.

Quando il cliente è soddisfatto il prototipo viene valido e si passa così nel vivo produzione di schede elettroniche in serie.

5. Produzione Schede Elettroniche in serie

Dal prototipo viene quindi stilato l’elenco definitivo dei componenti necessari. Tutte queste coordinate vengono inserite nei sistemi di produzione automatizzati, così da ordinare le quantità necessarie.

I magazzini automatici vengono quindi riempiti di tutti i componenti. Così basta lanciare l’ordine di produzione e tutto si avvia in automatico.

Quattro linee di produzione di ultima generazione effettuano tutto in automatico: introducono i circuiti stampati, viene applicata la pasta adesiva su cui i macchinari posizionamento alla perfezione tutti i componenti, poi viene posizionato il microprocessore e il tutto finisce nei forni che, grazie all’alta temperatura, vanno a saldare tutti i componenti sul circuito stampato.

Ecco un video dove puoi vedere in atto una macchina pick&place. 

La scheda è quasi pronta. 

Si, quasi, perché da qui ogni singola scheda viene sottoposta a un controllo ottico per verificare che ogni componente sia al posto giusto.

Una volta controllata si passa al momento della verità: il collaudo funzionale delle schede elettroniche.

6. Collaudo Funzionale Schede Elettroniche

Quando la scheda è fisicamente prodotta è necessario caricare sul microprocessore il firmware sviluppato ad hoc e l’eventuale software necessario per le schede che devono compiere operazioni più elaborate.

A questo punto è il momento di verificare se funzionano: un collaudo funzionale viene fatto dagli operatori del laboratorio su ogni singolo pezzo prodotto per verificare se la scheda risponde correttamente agli input, testandola anche sulla carica di tensione elettrica che effettivamente sarà utilizzata sul prodotto finale. 

In questo modo si effettua un test affidabile in condizioni reali e non teoriche 

In alcuni casi è bene anche effettuare un collaudo ambientale, cioè un test in cui la scheda elettronica viene inserita in un ambiente che crea situazioni estreme di alte o basse temperature, per verificare se funziona correttamente o se ci sono disguidi.

Conclusioni

La scheda è pronta!

Il viaggio affascinante dalla mente di chi l’ha pensata, a chi ha disegnato i circuiti fino alle linee di produzione automatizzate e al collaudo di funzionamento, è finito.

Ora le schede possono essere imballate, impacchettate e spedite al suo cliente, che finalmente potrà mettere i funzione il suo prodotto.

All’inizio di questo articolo avevo promesso di raccontarti anche i tre errori più comuni da evitare. Eccoli qui, da tenere bene a mente se sei un produttore di schede elettroniche o se sei un cliente che vuole trovare un produttore affidabile. 

+1. 3 errori più comuni da non commettere

a) Montare tutte le tipologie di componenti insieme

In ottica di efficienza ed efficacia è bene progettare la linea di produzione in step predefiniti. Pensare di montare tutte le tipologie di componenti nello stesso momento è un errore che rallenterà la produzione e farà perdere tempo al cliente.

Se per ogni singola scheda la macchina dovesse prendere tutti i componenti – dai più piccoli ai più grandi – e montarli uno dopo l’altro si sprecherebbe molto tempo.

La soluzione migliore, invece, è progettare la linea a step

Il circuito stampato che entra sulla linea sarà prima sottoposto al passaggio della pasta adesiva. Il secondo macchinario in linea avrà invece il compito di installare solo i componenti più piccoli, così le operazioni saranno meno e più veloci.

In un terzo macchinario in sequenza invece potrebbero essere installati invece i componenti più grossi, che necessitano appunto di uno spazio di manovra diverso.

Avere una produzione di schede elettroniche in questo sistema sequenziale migliorerà drasticamente la produttività.

a) Installare il microprocessore prima dei componenti

Pensando al microprocessore forse penserai che essendo così importante debba avere una priorità di installazione. Invece, proprio per il suo ruolo fondamentale ed essendo un componente dedicato, è bene riservargli l’ultimo step di installazione durante la produzione delle schede elettroniche.

Quando tutti gli altri componenti saranno stati posizionati allora sarà il momento di aggiungere anche il microprocessore prevenendo danneggiamenti.

a) Non fare il collaudo funzionale finale

Un altro errore comune che molti commettono nella speranza di risparmiare tempo e soldi è quello di non dedicare spazio ad un collaudo funzionale sulle schede elettroniche finali.

Tutti verificano il funzionamento dei prototipi, perché questi saranno valutati anche dal cliente, e se funziona il prototipo… funzionerà anche la scheda elettronica prodotta in serie? 

Non sempre è così.

Può capitare che qualche componente venga installato erroneamente al posto sbagliato e senza un controllo minuzioso su ogni singolo pezzo prodotto questo non può essere intercettato. 

È vero, è un’operazione onerosa che richiede l’investimento di persone e tempo, ma si tratta di decidere se prendere la strada facile (con gli annessi rischi) oppure la strada della qualità, che per noi significa dedizione, attenzione e passione per ogni singola scheda elettronica che produciamo.

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