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Estudio de caso: Placa de circuito impreso (PCBA) del sensor de contador de ejes en vía
En un sistema de señalización ferroviaria, un contador de ejes utiliza sensores al borde de la vía para detectar ruedas que pasan y ayudar a determinar si una sección de vía está ocupada o libre. La placa de circuito impreso (PCBA) de este proyecto se encuentra en la parte inicial de ese proceso, donde la detección de ruedas y el procesamiento de señales son fiables y esenciales.
PCBCool recientemente trabajamos en una placa de circuito impreso (PCB) de un sensor de detección de ruedas en el lado de la vía para este tipo de sistema de conteo de ejes. Seleccionamos el proyecto como un caso de estudio representativo para mostrar cómo progresó desde el desarrollo del prototipo hasta el programa de producción subsiguiente.
Nota: Este estudio de caso se publica con el permiso del cliente y fue revisado por el mismo antes de su publicación.
Antecedentes del proyecto
The customer is an independent European subsidiary of a global rail technology group founded in 1938, with more than 50,000 employees worldwide. The group supplies railway infrastructure and signalling equipment, including axle-counting systems, track circuits, railway signals, and point-control systems, to major rail operators across Europe.
For this project, the customer selected PCBCool’s turnkey service. The cooperation began with 20 assembled prototypes and later expanded into a rolling program of 800 PCBAs, covering eight related board variants used within the same signalling system.
Especificaciones de la PCB
| Parámetro | Especificación |
|---|---|
| Diseño de PCB | Placa de circuito impreso de 6 capas diseñada en Cadence Allegro 25.1 |
| Formato de Junta | Placa de sensor lateral de vía larga y estrecha con almohadillas terminales en ambos extremos |
| Material Base | FR-4 de alta Tg, Tg ≥170°C |
| Espesor acabado | 1.6 mm típico |
| Peso de cobre | 1 oz capas exteriores; 0.5–1 oz capas interiores |
| Acabado superficial | ENIG |
| Rastro Mínimo / Espacio | 5 mil / 5 mil (0.127 mm) |
| Tamaño mínimo de broca | 0.2 mm |
| Tolerancia de perforación | ±0.05 mm |
| Procesos especiales | Via-en-pad y control de impedancia |
Referencias de Diseño Ferroviario
| Estándar | Solicitud |
|---|---|
| EN 50125 | Condiciones ambientales para equipos ferroviarios |
| EN 50121 | Requisitos de compatibilidad electromagnética ferroviaria |
| EN 50155 | Requisitos de equipo electrónico utilizados como referencia de diseño de proyecto |
Componentes principales de la lista de materiales
| Función | Componente |
|---|---|
| Universo Cinematográfico de Marvel | ST STM32U073RCI6 |
| Convertidor Buck | TI TPS62840DLC |
| Sensor Magnético | Sensor de efecto Hall 3D TI TMAG5173A2-Q1 |
| Sensor de Temperatura y Humedad | TI HDC3022QDEFRQ1 |
| Traductor de nivel | Traductor de nivel 4 bits TI TXU0104RUTR |
| Protección de circuitos | Littelfuse SC3051-04HTG Matriz TVS |
| Reloj | Cristal Abracon de 32.768 kHz |
| Condensadores | Capacitores Murata de 4.7 µF, 10 µF y 100 nF |
| Inductor | Inductor de 2.2 µH |
| Resistores | Resistores Vishay |
| Tamaño de la lista de materiales | 16 partidas en la lista |
Requisitos de Montaje
| Parámetro | Requisito |
|---|---|
| Abastecimiento de componentes | Suministro de componentes «llave en mano» 100% |
| Proceso de Ensamblaje | ensamblaje SMT, including BGA, QFN, and other leadless packages |
| Recubrimiento protector | Recubrimiento conforme para protección ambiental en el lado de la vía |
| Ensamblaje del conector | Soldadura selectiva por ola para conectores de orificio pasante |
| Inspección | AOI y Inspección por rayos X |
| Prueba | Pruebas eléctricas antes del envío |
Desafíos del Proyecto
La dificultad de este proyecto no provino de una única especificación técnica, sino de varias restricciones que ocurrieron al mismo tiempo.
The board used a 6-layer construction with via-in-pad structures and 5 mil trace and space. Together, these features required a level of process control approaching HDI production and increased the manufacturing risk. Because some vias were located directly within component pads, any solder loss into the via or unevenness on the pad surface could affect component seating and solder-joint consistency. With an initial order of only 20 boards, there was also little yield buffer.
La lista de materiales (BOM) de 16 líneas añadió un desafío de abastecimiento por separado. Incluía sensores calificados para automoción y varios componentes con disponibilidad limitada o incierta. Cada pieza debía cumplir con la especificación aprobada, mantener la trazabilidad y llegar a tiempo para el ensamblaje. Por lo tanto, la adquisición de componentes no fue una tarea administrativa separada; se convirtió en parte del cronograma de producción en sí.
Los prototipos también debían llegar dentro de la ventana de puesta en marcha fija del cliente. Los proyectos de bajo volumen y con poca antelación a menudo se enfrentan a plazos de entrega más largos y a primas por lotes pequeños, especialmente cuando la fabricación y el ensamblaje de PCBs son gestionados por diferentes proveedores.
This was the model the customer was really testing:
Whether one partner could manage high-reliability manufacturing, low-volume production, and fast turnaround without dividing PCB fabrication and assembly between separate vendors.
Solución de ingeniería
Tras revisar estos desafíos, nuestro equipo de ingeniería adoptó las siguientes medidas:
- Para Via-in-Pad
The vias located within component pads were filled, planarized, and plated over. Filling closed the path that could otherwise draw solder into the hole during Soldadura por reflujo, while planarization and plating restored a flat surface for component soldering.
- Para Fine-Line
Direct imaging was used for the 5 mil trace-and-space pattern instead of conventional film exposure, reducing registration variation caused by phototool movement or dimensional change. Vacuum-assisted etching improved the circulation of etchant across the panel and reduced solution pooling, helping maintain the intended conductor width and spacing.
- Para la Adquisición de Componentes
Todos los 16 artículos de la lista de materiales (BOM) fueron adquiridos a través de canales autorizados y rastreables, y se verificaron contra los números de pieza de los fabricantes aprobados y las especificaciones de empaque. La adquisición comenzó junto con la fabricación de las PCB para que la disponibilidad de los componentes no retrasara el cronograma de ensamblaje.
- Para ensamblaje de PCBA
La placa combinó dispositivos sin plomo de paso fino en el área del sensor central con almohadillas terminales grandes en ambos extremos. Por lo tanto, la configuración de colocación y reflujo se planificó para acomodar ambos tipos de componentes dentro del mismo flujo de producción. Una vez completado el ensamblaje, las placas pasaron directamente a la inspección y pruebas sin ser transferidas a un proveedor separado.
Esfuerzos en Aseguramiento de la Calidad
Se realizaron controles de calidad en cada etapa del proyecto en lugar de solo después del ensamblaje:
| Puerta | Enfoque | Verificaciones Clave |
|---|---|---|
| IQC | Materiales y componentes |
|
| Control de calidad en proceso | Fabricación y ensamblaje |
|
| Cualquier cosa | PCBA terminada |
|
Para este proyecto, la inspección por rayos X era obligatoria debido a que las uniones de soldadura de los componentes sin plomo se encontraban ocultas debajo del encapsulado.
Consideraciones finales
El prototipo de 20 piezas hizo más que demostrar que la placa podía ser construida. Mostró que PCBCool podía gestionar el proyecto de manera confiable, lo suficiente como para ganarse la confianza continua del cliente y el trabajo posterior.
Si está buscando un socio de fabricación real, y no solo un proveedor para un pedido único, considere a PCBCool para obtener soporte desde el desarrollo de prototipos hasta la producción repetida.
Preguntas frecuentes
A: No siempre. Las vías ubicadas dentro de las almohadillas de soldadura activas suelen estar rellenas, mientras que las vías térmicas pueden usar otros tratamientos dependiendo del diseño del ensamblaje.
Los riesgos principales incluyen la migración de soldadura, deformación superficial, llenado incompleto y mala planitud de la almohadilla.
A: No. Una vía de 0.2 mm a menudo se perfora mecánicamente. Bajo la guía de IPC, las microvías utilizadas en estructuras HDI generalmente se limitan a 150 µm o menos de diámetro.
El registro de imágenes, el espesor del cobre, la uniformidad del grabado y las dimensiones conductoras finales requieren un control más estricto porque las pequeñas variaciones pueden consumir gran parte del margen de proceso disponible.
La imagen directa reduce la variación del registro asociada con las fotoplantillas físicas y proporciona un mejor control de las características finas en todo el panel de producción.
Mejora el intercambio de grabador en el panel, reduce la acumulación de solución y el grabado lateral desigual, y ayuda a mantener anchos y espaciados de traza más consistentes.
A: La revisión debe cubrir el tratamiento vía-en-pad, tolerancias de anillo anular y taladro, separación de cobre a borde, capacidad de línea fina, geometría de pad, aberturas de máscara de soldadura, apilamiento y acceso de prueba.
Andy es un profesional experimentado en la industria de PCBs con décadas de experiencia en fabricación, ensamblaje y soporte al cliente de PCBs. En PCBCool, lidera el equipo de marketing y ayuda a convertir la experiencia práctica de proyectos en contenido técnico útil para ingenieros, compradores y desarrolladores de productos.
