Guía completa de diseño de placas de circuito impreso para la fabricación (DFM)

En el campo del desarrollo de placas de circuitos impresos, los análisis de integridad de la señal (SI), compatibilidad electromagnética (EMC) e integridad de la potencia (PI) suelen captar la atención principal de los ingenieros. Sin embargo, Diseño de PCB para la fabricación (DFM) es igualmente crucial. Descuidar este aspecto puede provocar fallos en el diseño del producto, un aumento de los costes y retrasos en la producción. TOPFAST ayuda a sus clientes a identificar y resolver los problemas de fabricabilidad en una fase temprana del ciclo de desarrollo del producto mediante servicios profesionales de análisis DFM.

El éxito de la DFM de PCB comienza con el establecimiento de unas reglas de diseño adecuadas que deben tener en cuenta las capacidades reales de producción de los fabricantes. Este artículo explora los elementos esenciales de DFM para el trazado y enrutamiento de PCB, permitiendo a los ingenieros diseñar placas de alta calidad que cumplan tanto los requisitos funcionales como la viabilidad de producción.

Puntos clave para DFM en el diseño de PCB

1. SMT Especificaciones de disposición de los componentes

La calidad del diseño de los componentes de tecnología de montaje superficial (SMT) influye directamente en el índice de rendimiento del proceso de montaje:

• Requisitos de espaciado de los componentes: En general, la separación entre componentes SMT debe ser superior a 20 mils, entre componentes de tipo IC superior a 80 mils y entre componentes de tipo BGA superior a 200 mils.
• Diseño del espaciado de las almohadillas: El espaciado de los pads SMD normalmente debe ser superior a 6 mils, teniendo en cuenta la capacidad general de retención de la máscara de soldadura de 4 mils. Cuando la separación de los pads SMD es inferior a 6 mils, la separación de la abertura de la máscara de soldadura puede caer por debajo de 4 mils, impidiendo la retención del dique de la máscara de soldadura y provocando puentes de soldadura y cortocircuitos durante el montaje.

2. DIP Consideraciones sobre la disposición de los componentes

En el caso de los componentes con tecnología de agujeros pasantes (THT/DIP), el diseño debe tener en cuenta los requisitos del proceso de soldadura por ola:

• Una distancia insuficiente entre las patillas puede provocar puentes de soldadura y cortocircuitos.
• Reduzca al mínimo el uso de componentes con orificios pasantes o concéntrelos en el mismo lado de la placa.
• Cuando los componentes con orificios pasantes están en la parte superior y los componentes SMT en la inferior, pueden interferir con la soldadura por ola por una sola cara, lo que puede requerir procesos más costosos, como la soldadura selectiva.

3. Distancia de seguridad de los componentes al borde de la placa

• Los equipos de soldadura automática suelen exigir una distancia mínima de 7 mm entre los componentes electrónicos y el borde de la placa (los valores específicos pueden variar según el fabricante).
• La adición de lengüetas de separación durante la fabricación de la placa de circuito impreso permite colocar los componentes cerca del borde de la placa.
• Los componentes situados en el borde de la placa podrían chocar con los raíles de la máquina durante la soldadura automática, causando daños, y sus almohadillas podrían cortarse parcialmente durante la fabricación, afectando a la calidad de la soldadura.

4. Disposición racional de componentes altos y bajos

Los componentes electrónicos tienen diversas formas y tamaños; una buena disposición mejora la estabilidad del dispositivo y reduce los daños:

• Asegúrese de que haya suficiente espacio libre alrededor de los componentes altos para los componentes adyacentes más cortos.
• Una relación insuficiente entre la distancia y la altura de los componentes puede provocar un flujo de aire térmico desigual durante la soldadura, lo que puede causar uniones de soldadura deficientes o dificultades de retrabajo.

5. Distancia de seguridad entre componentes

El procesamiento SMT debe tener en cuenta la precisión de colocación del equipo y las necesidades de retrabajo:

• Espaciado recomendado: 1,25 mm entre componentes de chip, entre SOT y entre SOIC y componentes de chip.
• Distancia recomendada: 2,5 mm entre PLCC y componentes de chip, SOIC o QFP.
• Espaciado recomendado: 4mm entre PLCCs.
• Al diseñar zócalos PLCC, asegúrese de reservar el espacio adecuado (las patillas PLCC se encuentran en la parte inferior interna del zócalo).

Elementos básicos de DFM para el encaminamiento de placas de circuito impreso

1. Estrategia de optimización de la anchura/espaciado de las trazas

El diseño debe equilibrar los requisitos de precisión con las limitaciones del proceso de producción:

• Diseño estándar: Aproximadamente el 80% de los fabricantes de placas de circuito impreso pueden fabricar anchuras/espacios de trazado de 4/4 mils y vías de 8 mils (0,2 mm) al menor coste.
• Diseño de alta densidad: La anchura/espaciado mínimo de las trazas de 3/3 mils y las vías de 6 mils (0,15mm) son producibles por alrededor de 70% de fabricantes, a un coste ligeramente superior.

2. Evitar los rastros agudos o angulosos

• Los trazos en ángulo agudo están estrictamente prohibidos en el encaminamiento de placas de circuito impreso.
• Los trazados en ángulo recto pueden afectar a la integridad de la señal al crear capacitancia e inductancia parásitas adicionales.
• Durante la fabricación de placas de circuito impreso, pueden formarse "trampas de ácido" en ángulos agudos donde se juntan las trazas, lo que provoca un grabado excesivo y posibles roturas de las trazas.
• Mantenga un ángulo de 45 grados para trazar curvas.

3. Gestión de astillas e islas de cobre

• Las grandes islas de cobre aisladas pueden actuar como antenas, introduciendo ruido e interferencias.
• Las pequeñas astillas de cobre pueden desprenderse durante el grabado y desplazarse a otras zonas grabadas, provocando cortocircuitos.

4. Requisitos del anillo anular para brocas

El diseño del anillo anular (el anillo de cobre alrededor de una perforación) debe tener en cuenta las tolerancias de fabricación:

• Las vías requieren un anillo anular superior a 3,5 mils por lado.
• Los pasadores pasantes requieren un anillo anular superior a 6 mils.
• La insuficiencia de anillos anulares puede dar lugar a anillos rotos y circuitos abiertos debido a las tolerancias de perforación y registro entre capas.

5. Añadir lágrimas a los rastros

El diseño en forma de lágrima mejora la robustez de las conexiones de los circuitos:

• Evita que los puntos de conexión se rompan cuando la placa sufre esfuerzos físicos.
• Protege las almohadillas del desprendimiento durante múltiples ciclos de soldadura.
• Evita las grietas causadas por un grabado desigual o por un registro incorrecto.

La sinergia entre DFM y DFT

En la fabricación de placas de circuito impreso, el diseño para la comprobabilidad (DFT) y el diseño para la fabricabilidad (DFM) son la clave del éxito:

• DFT (Diseño para la comprobabilidad): Se centra en facilitar la comprobación de fallos en las placas de circuito impreso, por ejemplo, añadiendo puntos de prueba para comprobar la integridad de la señal.
• DFM (Diseño para la fabricación): Garantiza la optimización del diseño para una producción y un montaje eficaces.

Las investigaciones indican que las pruebas pueden suponer entre 25 y 30% del coste total de producción de placas de circuito impreso, mientras que las malas elecciones de diseño pueden aumentar las tasas de desechos de fabricación hasta en 10%. La aplicación sinérgica de DFM y DFT ayuda eficazmente a reducir estos costes.

Prácticas integradas de DFT y DFM

1. Estrategia de colocación de componentes: Mantener una separación suficiente entre componentes (por ejemplo, al menos 0,5 mm) facilita tanto el montaje (DFM) como el acceso sin obstáculos de las sondas de prueba (DFT).
2. Diseño del punto de prueba: Añadir puntos de prueba para redes críticas (por ejemplo, señales de alta velocidad de 2,5 GHz) ayuda tanto a la detección de fallos (DFT) como a orientar a los fabricantes en el ajuste de los procesos de ensamblaje (DFM).
3. Normalización de materiales: El uso de materiales ampliamente aceptados (por ejemplo, FR-4 con una constante dieléctrica de 4,5) favorece una producción rentable (DFM) y garantiza la coherencia de los resultados de las pruebas (DFT).

Directrices clave de DFM para Fabricación de PCB

1. Optimización de la anchura y el espaciado de las trazas

• Generalmente se recomienda una anchura de traza y una separación mínimas de 6 mils para evitar sobregrabados o cortocircuitos.
• Los diseños de mayor densidad pueden utilizar trazas más estrechas, pero esto aumenta el riesgo y el coste de producción.

2. Uso de componentes de tamaño estándar

• Prefiera paquetes de componentes estándar como 0603 o 0805.
• Los tamaños no estándar complican el montaje y aumentan el riesgo de errores con equipos automatizados.

3. Principio de minimización del número de capas

• Reducir el número de capas siempre que sea posible sin dejar de satisfacer las necesidades de rendimiento (por ejemplo, de 8 capas a 6).
• Cada capa adicional aumenta el coste de fabricación y el tiempo de producción.

4. Establecer tolerancias realistas

• Evite requisitos de tolerancia demasiado estrictos.
• La mayoría de los procesos estándar pueden alcanzar una tolerancia de ±10%; las especificaciones más estrictas aumentan considerablemente el coste.

5. Marcas serigráficas transparentes

• Incluya etiquetas claras para los componentes, los puntos de prueba y las marcas de polaridad.
• Mantenga una altura de texto mínima de 0,8 mm para garantizar la legibilidad tras la impresión.

Métodos profesionales de inspección y análisis DFM

El servicio de análisis DFM de TOPFAST evalúa exhaustivamente los diseños de PCB en función de los parámetros del proceso de producción:

• Análisis de placas de circuito impreso: 19 categorías principales, 52 normas de inspección detalladas.
• Análisis de montaje de PCBA: 10 categorías principales, 234 normas de inspección detalladas.

Estas normas de inspección cubren esencialmente todos los posibles problemas de fabricabilidad, ayudando a los ingenieros de diseño a identificar y resolver los retos de DFM antes de que comience la producción.

Fundamentos del proceso de PCB y flujo de fabricación

Estructura de la placa multicapa

Las placas de circuito impreso se clasifican en monocapa, bicapa y multicapa. Las placas multicapa constan de láminas de cobre, preimpregnados (PP) y laminados de núcleo:

• Tipos de láminas de cobre: Recocido laminado (a menudo utilizado para placas flexibles), Electrodepositado (a menudo utilizado para placas rígidas).
• Conversión del grosor: 1 OZ = 35μm (OZ es una unidad de peso). Para las capas exteriores se suele utilizar 1/2oz de cobre.
• Tecnologías básicas para placas multicapa: Diseño de apilamiento y procesos de perforación.

Flujo de fabricación de placas multicapa

1. Fabricación de la capa interior: Esencialmente un proceso de cartón de una sola cara que implica la exposición UV, el revelado y el grabado.
2. Lay-up / Laminación: Las láminas de cobre, PP y núcleo se alinean y prensan bajo calor para formar una estructura multicapa.
3. Taladrado / Chapeado: Creación de vías (pasantes, ciegas, enterradas) para establecer conexiones eléctricas entre capas.
4. Máscara de soldadura / Acabado superficial: Aplicación de la máscara de soldadura para proteger las capas exteriores de cobre, seguida de la apertura de la máscara de soldadura y la aplicación del acabado superficial.

Archivos de diseño esenciales

El diseño de PCB requiere la preparación de cuatro archivos clave:

• Plano de fabricación / Esquema (formato DXF para el esquema mecánico).
• Lima de taladrar / Lima de taladrar NC (para taladrar agujeros).
• Archivos Gerber / Archivos Photoplotting (datos para gráficos de capas, dimensiones y posiciones).
• Archivo Netlist (define la conectividad de las señales para las trazas de capa).

Diseño de PCBA y enrutamiento de procesos

• Soldadura reflow: Se utiliza principalmente para componentes SMT.
• Soldadura por ola: Se utiliza normalmente para componentes con orificios pasantes.
• Diseño de rutas de proceso: Selección de la combinación adecuada de procesos de soldadura en función de los tipos y la distribución de los componentes.

Conclusiones: El valor estratégico de DFM en el desarrollo de PCB

El diseño para la fabricación de placas de circuito impreso ha pasado de ser una mera consideración de producción a convertirse en un elemento estratégico clave para el éxito del producto. Al integrar los principios de DFM en el proceso de diseño, las empresas pueden reducir significativamente los costes de producción, mejorar la calidad del producto y acortar el plazo de comercialización. TOPFAST recomienda introducir el análisis DFM en una fase temprana del ciclo de vida del proyecto para garantizar una integración perfecta entre la intención del diseño y la realidad de la fabricación, logrando en última instancia una producción de PCB eficiente, económica y de alta calidad.

La revisión profesional DFM actúa como un "control de calidad del diseño", alineando perfectamente los diseños creativos de los ingenieros con las capacidades prácticas de proceso de las fábricas, garantizando la producción de placas de circuitos impresos que cumplan tanto los requisitos de especificación como posean una excelente fabricabilidad.

Preguntas frecuentes sobre DFM de PCB

Es esencial auditar y actualizar periódicamente las bibliotecas de componentes para comprobar si cumplen los siguientes requisitos las normas IPC y las recomendaciones de su fabricante/ensamblador. El análisis DFM de TOPFAST incluye comprobaciones de estos problemas comunes de huella de biblioteca.