Como ir do novato para o fabricado?

Eu sou um cara de software que quer entrar no lado do hardware, para que eu possa aproveitar a mesma criatividade do design de software no mundo físico.

Encontrei muitas postagens aqui sobre como "entrar em operação" no mundo da eletrônica, mas gostaria de saber se há alguma dica ao embarcar nessa jornada se seu objetivo é potencialmente ter um dispositivo fabricado no futuro. (provavelmente soluções centradas em robótica, placas que controlariam servos, sensores etc.).

Eu gostaria de ter certeza de que, onde quer que eu aponte meu foco, não estarei "aprendendo a me curvar", por assim dizer.

Eu li coisas boas sobre a flexibilidade e a natureza fácil de aprender dos dispositivos Arduino, mas tenho dificuldade em encontrar algo sobre como fabricá-los. Existem fabricantes que podem produzir uma solução baseada em arduino? Que tipo de volume de produção está disponível para algo usando o Arduino?

Quais reinos / dispositivos de eletrônica programável são melhores para fabricar?

Alguma dica ou informação sobre aprendizado e design com a fabricação em mente? Alguma dica geral para um novato?

Apenas para que você saiba o que está por vir ....

Se você deseja deixar de fabricar uma placa de ensaio ou protótipo feito à mão para PCBs reais, você tem muitas horas e de centenas a alguns milhares de dólares à sua frente, dependendo de quanto deseja fazer .

Captura esquemática e layout de PCB

Primeiro, você precisa capturar seu design usando algum tipo de programa de captura esquemática e depois projetar uma PCB. Um dos programas mais populares é o EAGLE , que eu uso. Eles têm uma versão EAGLE Light (US $ 49), mas só podem ser usados ​​para esquemas com uma folha (qualquer tamanho), duas camadas de sinal e uma área de roteamento de 100x80mm (aproximadamente 4 "x3"). Para qualquer trabalho sério, você precisa pelo menos da versão EAGLE Standard, que custa US $ 747. Provavelmente existem outras alternativas menos caras (mesmo gratuitas). Existem muitos outros que custam milhares ou dezenas de milhares de dólares. De qualquer forma, você terá que gastar um tempo considerável aprendendo a usar o programa.

Ou você pode pagar alguém como eu para fazer isso por você ($$ / hora).

Fabricação de PCB

Fazer as placas serem o próximo passo de um fabricante de PCB . O problema aqui são os custos de NRE (engenharia não recorrente). Algumas casas de diretoria tratam isso como uma figura separada, e outras incorporam-na à cotação por diretoria. De qualquer forma, quase nunca é econômico ter apenas algumas placas criadas. Você pode gastar US $ 100 para duas placas e US $ 500 para 25. Você precisa ter quantidades realmente grandes para reduzir para apenas alguns dólares por placa.

O problema é que, se você criar 25 placas, preencher apenas algumas delas para teste e descobrir que elas não funcionam (e não há uma solução fácil - por exemplo, porque você colocou um conector para trás), você pode acabar jogando afastar os outros 23 quadros em branco e você teria ficado melhor se tivesse dois. Tenho pilhas de PCB em branco como evidência desse fenômeno.

Assembléia PCB

A menos que você esteja disposto a construir as placas manualmente, precisará montá-las. É difícil lidar com pacotes de montagem em superfície. Se a placa tiver pacotes BGA ou QFN, você provavelmente não poderá construí-los a menos que tenha seu próprio forno de refluxo.

Conseguir que suas duas primeiras placas sejam construídas por uma casa de montagem pode custar US $ 500. Considerando que a construção de 25 pode custar US $ 1200. (Mais uma vez, o problema aqui são os custos da NRE.) Reduzir para apenas alguns dólares por cartão exige (novamente) grandes quantidades.

E alguém já discutiu o problema de obter peças.

Certifique-se de usar peças prontamente disponíveis - se tanto a DigiKey quanto a Mouser tiverem centenas da peça disponível, você deve ficar bem. Se, em vez disso, eles o tiverem em seu catálogo, mas atualmente não houver estoque, tente encontrar outra coisa. Se você precisar de algumas peças especiais que não sejam transportadas pela DigiKey ou pela Mouser, verifique se você possui uma fonte confiável antes de incorporá-la ao seu produto. (Nota: quanto mais peças incomuns você usar, maior será a probabilidade de adicionar a peça manualmente à sua biblioteca de peças de PCB.)

Casos personalizados

Deseja colocar sua placa em um caso? Se você precisar projetar um caso personalizado, será um par para o designer usando um programa como o SolidWorks (eu não faço isso, mas posso recomendar alguém que possa). Se você iniciar apenas alguns casos, provavelmente precisará de prototipagem rápida, como a Sinterização seletiva a laser (SLS). Calcule pelo menos US $ 100 por caso, em pequenas quantidades. Para reduzir alguns dólares por custo de caixa, é necessário ter um molde personalizado. NRE novamente! Planeje gastar US $ 10.000 ou mais para o molde.

E nem começarei os testes EMC ou EMI, pois não sei se isso se aplica ao seu produto.

Como você pode ver em tudo isso, até você entrar em produção, o custo das peças eletrônicas geralmente não é o maior item por placa. Fazer sua própria montagem para pequenos volumes economizará muito dinheiro. Portanto, é importante projetar com isso em mente - não é impossível soldar peças à mão.

Para obter preços realmente baixos para grandes volumes, geralmente você precisa ir para o exterior - China etc. Mas eu evitaria fazê-lo no começo.

Eu segui esse caminho nos últimos anos e agora estou vendendo pequenas quantidades de meus desenhos. Eu escolhi os microcontroladores Microchip desde o início e os colei, mas os microcontroladores Arduinos e AVR parecem uma solução igualmente boa.

PCB Design

Para o design de placas de circuito impresso, posso recomendar a Eagle - nunca passei da versão Light, pois estou construindo apenas placas muito pequenas. Ele permite que você adicione suas próprias peças, das quais você precisará em algum momento. Ele faz o roteamento automático de trilhas PCB, embora eu ache que o uso menos com o passar do tempo - em parte porque estou criando placas com restrições de espaço muito apertadas e estou constantemente mexendo com o posicionamento e o roteamento das peças para obter tudo Ele fornece verificação de regras de design, o que ajuda a detectar erros no seu layout. Há muito o que aprender, mas você se aperfeiçoará com o tempo e as placas poderão ser fabricadas a partir de seus arquivos digitais.

Fabricação de PCB

Eu construo minhas próprias placas de protótipo e as construo profissionalmente depois de passar pela prototipagem inicial. Protótipo de placas frente e verso usando o filme de transferência Press-n-Peel e uma impressora a laser. Eu costumo fazer pranchas com os pequenos pacotes de montagem em superfície QFN com espaçamento de 0,5 mm - é complicado, mas pode ser feito com cuidado. Os custos para pranchas feitas profissionalmente variam entre US $ 3 e US $ 10 para quantidades em torno de 100.

Montagem PCB

Com sucesso, refluo a solda usando uma frigideira elétrica. Tome um pouco de cuidado, mas é razoavelmente confiável e bastante rápido. A parte mais lenta é colocar a pasta de solda na placa, embora se você se incomodar em fazer uma máscara de solda que também pode ser mais fácil. Costumo usar pacotes sem chumbo como o QFN, porque são pequenos e não têm muitos problemas com eles. Pacotes com leads podem ser soldados à mão, se você quiser, mas acho que é mais rápido usar pasta de solda e refluxo na panela.

Depois de obter um volume significativo, você precisará pagar outra pessoa para fazer a montagem por você. Ainda não o fiz, mas fui cotado na ordem de US $ 6500 para 30 placas, para as quais as peças custam cerca de US $ 80. Portanto, o custo adicional não é insignificante, mas depende de como você gasta seu tempo para fazer a montagem você mesmo :)

Além do (grande) investimento de tempo, meu maior investimento individual provavelmente foi um osciloscópio digital USB e analisador lógico da Bitscope - inestimável para descobrir o que realmente está acontecendo, em oposição ao que você acha que deve acontecer!

Otimização prematura é a raiz de todo o mal.

O Arduino é um ótimo lugar para começar. Não se preocupe com a produção em massa ainda. Depois de criar alguns designs, você terá uma idéia muito melhor do que precisa fazer.

Aprender novo hardware faz parte do jogo aqui. Não tente evitá-lo. Quanto mais você estiver familiarizado, melhor será o engenheiro.

Assista a este vídeo que destaca as diferenças entre software e hardware:

O hardware cortará você (contans NSFW language)

Mitch Altman, designer da TV-B-Gone, fez uma palestra no The Next Hope sobre como levar seu projeto da ideia à realidade.

Aqui está o MP3 .

Mitch trouxe seus projetos pessoais para animais de estimação (incluindo os controles remotos universais da TV-B-Gone) da ideia para a realidade e tem a sorte de ganhar a vida fazendo o que ama. Mitch descreverá as etapas práticas que ele adotou para levar seus projetos a partir de uma mera idéia, através das etapas de pesquisa, desenvolvimento, fabricação, vendas e distribuição, levando, finalmente, à coleta de cheques no conforto de sua casa (e durante a viagem pelo mundo). Essa palestra também mostrará algumas das armadilhas da administração do próprio negócio.

Dave Jones publicou um tutorial sobre o design de PCB de alto volume:

http://www.eevblog.com/2010/11/15/eevblog-127-pcb-design-for-manufacture-tutorial

Para a fabricação de PCBs, você pode fazer muitos protótipos em placas de tiras e placas de pão e pular diretamente para PCBs profissionais para as unidades de "produção", eu uso esses caras e estou muito feliz: http://iteadstudio.com /store/index.php?main_page=product_info&cPath=19_20&products_id=175 Seeed usa a mesma fábrica que ele a um preço mais ou menos.

Para o layout de PCB, não invista muito tempo no EAGLE, pois ele tem várias limitações na versão gratuita e é bastante desajeitado e difícil de usar; em vez disso, dê uma boa olhada no kicad e geda, ambos são software livre e mais capazes que o EAGLE.

Eu mesmo sou um novato, então leve isso com grãos de sal, mas pesquisei muito sobre isso no último mês e espero trazer uma boa perspectiva de necessidade de novatos. Aqui está o que eu descobri:

NOTA: Estou usando algumas siglas (PCB, SMD etc.). Não escrevi o que isso significa de propósito, pois você definitivamente também precisará conhecer intimamente esses conceitos.

1. Você precisa ir do protótipo (Arduino?) Para a versão PCB. Primeiro de tudo, veja estes dois vídeos de EEVBlog: Vídeo 1 , Vídeo 2
2. Passar do protótipo para a versão PCB significa alternar dos componentes de furo passante para os componentes SMT e de um Arduino completo para uma solução de chip barebones. A boa notícia é que você ainda pode programá-lo como um Arduino. Veja esta postagem do blog para saber como fazer isso. Se o seu projeto for bastante simples, use um ATTINY (45 ou 85) em vez do ATMEGA328p. Veja esta postagem do MIT Lab para saber como.
3. Crie seu protótipo no-arduino usando uma tábua de pão ou outra ferramenta de prototipagem normalmente. Você pode encontrar as peças necessárias usando o Octopart . Uma coisa muito boa a se usar é o recurso de lista técnica.
4. Agora descubra quanto custará seus componentes criando uma BOM (lista de materiais). Use a Octopart para encontrar o preço e o melhor local para comprar suas peças.
5. Depois que seu protótipo for feito dessa maneira, é hora de convertê-lo para uma versão PCB. Você pode usar o Fritzing para esquemas de PCB e os arquivos Gerber para fabricação de PCB se a sua placa for bastante simples. Caso contrário, use um programa como EAGLE ou kiCAD .
6. Obtenha seu PCB e solda manualmente nos componentes. Aqui está um vídeo com uma boa técnica para peças SMD . Para mais informações (eu precisava de tudo), aqui está .
7. Após a soldagem, TESTE OBSESSIVAMENTE. Você não deseja comprar 500 fabricados apenas para descobrir que cometeu um erro e nenhum deles funciona. A Fritzing produzirá placas pontuais feitas com seu programa. Eles vão custar cerca de 40-50 $. Não é barato, mas este é um protótipo, afinal. Você também pode fazer o PCB usando o processo de pressionar e soltar. Há um bom vídeo aqui .
8. ENORME pegadinha! Pode ser necessário obter sua placa CERTIFICADA. Este é um processo demorado e caro.
9. Quando você estiver confiante em seu PCB, o Seeed studio fabricará (não apenas PCB, toda a placa) para pequenas quantidades (100-1000) a preços razoáveis, por meio do programa Propagate .

Dê uma olhada no SeeedStudio , eles parecem fornecer muitas ferramentas para ajudar alguém a iniciar um projeto de HW.

Não sei se é com os cantos técnicos que você está preocupado ou com os negócios.

Posso estar um pouco ictérico com relação a "entusiastas", mas duvido seriamente que o mundo precise de mais subsistemas robóticos com qualidade não industrial.

Existem instalações de produção subcontratadas para cada volume, de 1 a 1 milhão de dólares, e coisas como PCBs podem ser feitas a cada escala de tempo, do dia seguinte às semanas. Minha experiência na produção eletrônica é que o suprimento de componentes é um dos maiores problemas, a menos que você esteja em volumes suficientes para que os fabricantes de componentes rodem por você. Hoje em dia, para peças de baixo valor, isso será muito, muito alto.

Talvez você deva esclarecer sua pergunta um pouco - você planeja projetar dispositivos especulativamente e fabricá-los, depois colocá-los no mercado aberto?

Se você está procurando um começo fácil e barato para a programação de microcontroladores, um bom lugar para começar seria usar o novo kit de ferramentas de desenvolvimento do Launchpad da TI. Plataforma de lançamento

Isso custa apenas US $ 5 e é muito fácil de aprender na minha opinião.

Já existem muitas informações excelentes sobre fabricação e montagem de PCB. Vou passar algumas das minhas próprias opiniões. Você pode ir a uma casa de montagem, mas isso custará, principalmente o custo inicial do estêncil. Se você decidir montar em casa, será surpreendentemente fácil soldar grandes ICs (FPGAs, microcontroladores, RAMs etc.), mas é difícil lidar com peças de montagem em superfície com apenas 2 ou 3 conexões. A coisa sobre o uso de componentes passantes para essas pequenas coisas. Pessoalmente, evitei tentar soldar qualquer tipo de matriz de grade de bolas. Talvez eu deva tentar me curar disso, mas não é uma questão premente para mim.

Se você pretendesse fazer grandes volumes (pense em milhões), faria "design for manufacturing" para otimizar seu design para que fosse fácil e barato de montar e testar. Pense nisso: se um engenheiro de produção puder reduzir em 2 centavos o custo de fabricação para 1.000.000 de unidades, você terá uma grande economia.

Para 500 unidades, você é um volume relativamente baixo. Aqui está uma boa apresentação, Faça suas coisas - apresentação de hardware aberto em Tóquio , da Dangerous Prototypes . Basicamente, eles afirmam que, no nível em que você está falando, você é muito pequeno para construir as placas e deve usar uma casa de atendimento como eles ( Seeed Studios ). Eles seguem as etapas envolvidas e o que você precisa. O deck de slides também está disponível para download.