Errores de layout que aparecen en el ensamblaje

La placa pasó el DRC, el fabricante la hizo sin una sola pregunta, y lo primero que dice el ensamblador es que no pueden correrla. Los fiduciales están debajo de un conector, la mitad de las partes del archivo de colocación están rotadas y la placa es demasiado pequeña para pasar sola por la línea. Nada de eso es una falla eléctrica. Todo eso detiene el trabajo.

Estos son los detalles de layout que una casa de fabricación nunca revisa, porque no afectan el taladrado ni el grabado. Solo importan cuando una máquina pick-and-place tiene que encontrar la placa, poner una parte sobre ella y acertar con la orientación. Aquí está lo que sale mal y cómo detectarlo antes de que el trabajo salga de tu escritorio.

Los fiduciales son de la máquina, no de la placa

Una máquina pick-and-place ubica la placa de forma óptica antes de colocar nada. Busca fiduciales: puntos de cobre expuesto con un anillo libre de máscara de soldadura a su alrededor, en coordenadas conocidas. Si no puede verlos, rechaza el panel o coloca cada parte con un desplazamiento que no tiene forma de detectar.

Hay dos errores que se repiten. El primero es omitir los fiduciales porque la placa es pequeña y no hay espacio. El segundo es ponerlos donde un componente los va a cubrir. En un hilo del foro de KiCad un diseñador pregunta si los fiduciales pueden quedar dentro del courtyard de una parte grande, y la respuesta de quienes operan líneas es que esa es una pregunta de manufactura y no de diseño. Si en la primera pasada se coloca una parte sobre el fiducial, la segunda pasada no tiene nada que mirar. Eso importa en cualquier placa con ambos lados poblados, y también en una placa de un solo lado si la máquina vuelve a registrarse entre alimentadores.

La solución habitual es la misma a la que llega ese hilo: una placa pequeña va en un panel, y los fiduciales van en el riel del panel, donde nada los cubrirá jamás. Sierra Circuits publica sus propios requisitos de panel para ensamblaje, incluidos los tamaños de los fiduciales y las distancias al borde. Toma números como esos como las reglas de un ensamblador, no como un estándar universal. El ensamblador al que realmente envíes el trabajo tendrá las suyas, y lo correcto es pedírselas antes de dibujar el panel, porque un riel demasiado angosto para su transportador o un fiducial demasiado cerca del borde para su cámara significan una segunda corrida de fabricación.

Los footprints de los fiduciales también necesitan los atributos correctos. En KiCad deben excluirse de la lista de materiales, y si aparecen o no en el archivo de colocación depende de lo que pida el ensamblador. El manual del editor de PCB de KiCad documenta los atributos por footprint “Exclude from position files” y “Exclude from bill of materials” justamente para esto. Un fiducial que aparece como renglón sin número de parte es algo menor, pero es el tipo de cosa menor que dispara un correo de aclaración y cuesta un día.

Paneles y lo que la línea tiene que sujetar

Una placa desnuda demasiado pequeña, de forma muy rara o con partes pegadas a su borde no puede pasar sola por un horno de reflujo y una máquina de colocación. El panel resuelve eso, y el panel es un objeto de diseño con sus propios modos de falla.

Los rieles son por donde el transportador sujeta el panel, así que deben estar libres de componentes en ambos lados y ser lo bastante anchos para el equipo del ensamblador. Los agujeros de herramental en los rieles permiten que la máquina fije el panel en una posición repetible. Los fiduciales, como se vio arriba, van en los rieles. Las placas dentro del panel se unen mediante V-scores, pestañas desprendibles con mouse bites, o una mezcla, y cada una interactúa con lo que hay cerca del borde de la placa. Un V-score es un corte recto a lo largo de todo el panel, así que no puede detenerse antes de un conector que sobresale del contorno. Las pestañas con mouse bites dejan un borde áspero donde se rompen, por lo que no deben caer donde la placa embona con un gabinete ni donde un componente queda al alcance de la rotura.

No necesitas dibujar nada de esto a mano. KiKit es una herramienta gratuita para KiCad que genera un panel a partir de un solo archivo de placa, con rieles, pestañas, mouse bites o cortes en V, agujeros de herramental y fiduciales, todo como parámetros de línea de comandos. Sus ejemplos muestran fiduciales y agujeros de herramental colocados en el marco con desplazamientos y tamaños explícitos, que es la forma que toma la guía de un ensamblador. Hacerlo con un script en lugar de a mano significa que, cuando el ensamblador regrese con un ancho de riel distinto, cambias un número y regeneras.

Una cosa que KiKit no puede saber es qué puede hacer el equipo de separación de paneles del ensamblador. Pregunta si hacen V-score, ruteo o separación manual, y diseña las pestañas para eso.

Los courtyards son el alcance del cabezal de colocación

Los footprints de KiCad incluyen un contorno de courtyard: el área que ocupan la parte y su tolerancia de colocación, dibujada en una capa dedicada. El verificador de reglas de diseño marca los courtyards que se traslapan. Es tentador tomar esas advertencias como opcionales y apretar más las partes, y en un prototipo ensamblado a mano eso muchas veces funciona. En una línea falla de dos maneras.

La primera es mecánica. La boquilla que coloca una parte alta necesita espacio alrededor para bajar y soltarla, y el operador de retrabajo que tiene que levantar un QFN necesita lugar para una boquilla de aire caliente más ancha que la parte. Dos courtyards que se tocan pueden seguir siendo colocables, pero dos que se traslapan una fracción de milímetro en un capacitor de desacople junto a un inductor blindado son lo primero que marca un ensamblador.

La segunda es la inspección. La inspección óptica automatizada mira cada unión desde un ángulo. Una parte alta justo al lado de una pequeña proyecta sombra sobre los filetes de la pequeña. Entonces el sistema de inspección marca partes que están bien, y alguien tiene que revisar cada una a mano. Mantén juntas las partes altas, y deja las partes bajas donde la cámara pueda verlas.

Si los footprints de tu biblioteca tienen courtyards dibujados según una convención, como los de la biblioteca oficial de KiCad, entonces la advertencia del DRC es significativa y conviene resolverla en lugar de suprimirla. Si dibujaste el footprint tú mismo y omitiste el courtyard, la verificación queda desactivada en silencio para esa parte, lo cual es peor que una advertencia.

Polaridad, pin 1 y el archivo de colocación

El archivo de colocación, también llamado archivo centroide o de pick-and-place, le da al ensamblador un designador de referencia, una posición XY, una rotación y un lado para cada parte. Parece trivial. Es de donde vienen la mayoría de los errores de orientación.

La rotación en ese archivo es relativa a la orientación cero del footprint, y la orientación cero es la que eligió el autor del footprint. Un diodo dibujado con el cátodo a la izquierda y otro dibujado con el cátodo a la derecha producen placas idénticas con valores de rotación distintos. Los ensambladores lo saben y revisan visualmente cada parte polarizada contra la serigrafía y el plano de fabricación. Eso significa que la serigrafía tiene que dejar la respuesta sin ambigüedad: un punto de pin 1 que siga visible aunque quede parcialmente debajo de la parte, una barra de cátodo en cada diodo, un signo más en cada capacitor polarizado y un chaflán o punto de pin 1 en cada conector. Las mejores prácticas de PCB de Digi-Key lo dicen claramente: rotula los designadores de referencia y la orientación en la serigrafía, y mantén la serigrafía fuera de los pads.

El manual de KiCad también documenta dos opciones del archivo de colocación que muerden con frecuencia. La primera es “Include only SMD footprints”, que usa el atributo de fabricación de cada footprint. Un footprint que se deja como “Unspecified” no es ni through-hole ni SMD, y desaparece de una exportación solo SMD sin ninguna advertencia, y entonces al ensamblador le falta una parte que puede ver en la placa. La segunda es el origen. El archivo de colocación puede referirse a la esquina de la página o a un origen de taladrado y colocación que fijes en la placa, y si le envías al ensamblador un archivo medido desde uno y un plano medido desde el otro, cada parte queda desplazada la misma cantidad y nada coincide. Fija el origen en una esquina de la placa o en un agujero de herramental, usa el mismo origen para el archivo de taladrado y indica cuál es en el readme.

Hay un atributo más que importa aquí. KiCad permite marcar un footprint como “Do not populate” por separado de excluirlo de la BOM. Una parte que está en la placa pero no se instala en esta corrida debe ir en la BOM como DNP y omitirse del archivo de colocación, o incluirse y marcarse, según lo que pida tu ensamblador. Enviarla sin ninguna marca es la forma en que se instala una parte que no debía instalarse.

La revisión antes de enviar

Antes de que salga el paquete, repasamos la misma lista corta en cada placa que va a una línea por primera vez:

Elemento	Qué revisar
Fiduciales	Presentes, en el riel o en esquinas despejadas, sin nada que los cubra en ninguno de los lados, excluidos de la BOM
Panel	Rieles en los lados que usa el transportador, agujeros de herramental, pestañas o V-scores que no interfieran con conectores ni con el ajuste al gabinete
Courtyards	DRC limpio o cada traslape revisado a propósito, partes altas agrupadas, nada que proyecte sombra sobre partes pequeñas
Serigrafía	Pin 1, cátodo y polaridad en cada parte que los tenga, designadores legibles después de la colocación, nada sobre los pads
Archivo de colocación	Cada footprint con tipo de fabricación definido, origen igual al del archivo de taladrado, DNP manejado como lo quiere el ensamblador
Capa de pasta	Cada pad SMD tiene apertura, los pads térmicos siguen la guía de stencil del fabricante del encapsulado en lugar de una apertura de pad completo

Esa última fila merece una explicación. La capa de pasta de soldadura de tus Gerbers se convierte en el stencil, y un pad expuesto grande debajo de un QFN abierto como una sola apertura hará flotar la parte sobre el exceso de soldadura y dejará sin soldadura a los pines del perímetro. Los fabricantes de encapsulados publican notas de montaje con patrones de apertura segmentados para sus pads térmicos. Usa la nota del encapsulado real, porque la recomendación cambia según la parte.

Nada de esto es difícil. Todo es invisible para el fabricante, invisible para el DRC a menos que la biblioteca sea disciplinada, y caro cuando lo descubre el ensamblador. Si nos envías una placa para su primera corrida de ensamblaje, incluye el archivo de colocación, el plano de fabricación con el origen marcado y una nota sobre qué partes están polarizadas (consulta nuestra nota sobre qué enviar para una cotización de ensamblaje de PCB para ver el paquete completo), y revisaremos el resto contra esta lista antes de ordenar nada.