Requisitos de DFM/DFA en la Ingeniería de Sistemas

Como se discutió en el artículo anterior, al diseñar un PCB, es esencial considerar un conjunto de requisitos técnicos relacionados con la funcionalidad, el consumo de energía, el tamaño, la compatibilidad electromagnética, etc. Sin embargo, los requisitos de fabricabilidad y ensamblaje son igualmente importantes. Diseñar un circuito de alto rendimiento, cumpliendo todas las especificaciones funcionales o requisitos regulatorios sería inútil si el diseño no es fabricable o si encuentra problemas de ensamblaje que podrían aumentar los costos de producción o, en el peor de los casos, hacer que el producto sea inviable.

En este artículo, nos centraremos en cómo abordar la gestión de requisitos para asegurar que un diseño sea fabricable y pueda ser ensamblado. Específicamente, discutiremos cómo integrar CAD y CAM dentro del sistema de gestión, considerando no solo los requisitos técnicos descritos en el artículo anterior sino también los factores que influyen en la fabricación y ensamblaje de un circuito (como los anchos de traza, espaciado, perforación, máscaras, colocación de componentes, etc.).

Introducción a DFM/DFA

Tanto los fabricantes de PCB como los ensambladores requieren que los circuitos diseñados sean fabricables y capaces de ser ensamblados, respectivamente. Esto destaca la necesidad de seguir reglas o directrices de diseño específicas que consideren las diversas etapas y tecnologías utilizadas en la fabricación de PCB y las diferentes técnicas de ensamblaje, asegurando que el producto sea tanto fabricable como ensamblable. Esta necesidad da lugar a los conceptos de DFM (Diseño para la Fabricabilidad) y DFA (Diseño para el Ensamblaje).

• DFM, o Diseño para la Fabricación, es el conjunto de procesos, reglas y directrices que deben seguirse durante la fase de diseño para asegurar que una placa de circuito impreso (PCB) pueda ser fabricada utilizando las tecnologías y limitaciones de fabricación actuales.
• De manera similar, DFA, o Diseño para el Ensamblaje, es el conjunto de procesos, reglas y directrices que deben seguirse durante la fase de diseño para asegurar que una placa de circuito impreso (PCB) pueda ser ensamblada utilizando las tecnologías y limitaciones de ensamblaje actuales.

Al crear un diseño, debemos considerar las siguientes preguntas:

• ¿Puede ser fabricada la PCB que estamos diseñando?
• ¿Podría haberse diseñado de manera diferente para optimizar costos?
• ¿Puede ser ensamblada utilizando procesos automatizados?
• ¿Requiere procesos manuales o complejos que aumenten los costos?
• ¿Existen problemas de stock?

Todas estas preguntas pueden abordarse a través de los conceptos de DFM (Diseño para la Fabricación) y DFA (Diseño para el Ensamblaje). Aunque no hay regulaciones obligatorias, diseñar un circuito con reglas básicas de fabricabilidad es esencial para asegurar que el diseño sea manufacturable. De lo contrario, podemos encontrarnos con sorpresas desagradables una vez que enviemos la documentación de fabricación al fabricante seleccionado. Lo mismo se aplica a las reglas de diseño dirigidas al ensamblaje de la placa electrónica. Si no se siguen las pautas de diseño adecuadas para un ensamblaje automatizado factible, enfrentaremos problemas de producción significativos, requiriendo procesos manuales y complejos que aumentarán el costo de ensamblaje de la placa electrónica.

Es importante señalar que cada fabricante tiene diferentes capacidades basadas en los procesos y maquinaria que utilizan. Por lo tanto, podemos decir que DFM/DFA dependen del fabricante. Ejemplo: Un fabricante con capacidades para fabricar un PCB de 8 capas no puede fabricar un PCB de 12 capas debido a sus capacidades de fabricación.

A medida que los diseños se vuelven más complejos (con más capas, mayor densidad, anchos de traza y separaciones más pequeñas, diámetros de perforación más pequeños, vías ciegas o enterradas, etc.), el DFM se vuelve cada vez más complejo. Como resultado, hay más reglas de diseño a considerar, y se vuelve más crítico cumplir con estas reglas para asegurar que un PCB pueda ser fabricado.

Por lo tanto, los objetivos de DFM/DFA son:

1. Definir procesos, reglas y directrices de diseño.
2. Asegurar que el diseño sea fabricable y pueda ensamblarse.

Para simplificar todo esto, el Instituto de Circuitos Impresos (IPC) fue establecido en 1957 y desarrolló el estándar IPC, que asiste a diseñadores y fabricantes en la tarea de crear diseños fabricables. Los estándares IPC consideran las diversas tecnologías de fabricación y limitaciones, y se han creado diferentes documentos basados en estos, abordando varias áreas de diseño. El árbol de estándares IPC se muestra en el siguiente enlace.

Aunque el estándar IPC merecería su propio artículo debido al gran número de reglas que abarca, vale la pena destacar que hay un conjunto de reglas para diseñar PCBs rígidos, flexibles y rígido-flexibles (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), así como un conjunto de reglas relacionadas con el diseño para el ensamblaje (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Cohesión Entre CAD/CAM y DFM/DFA

CAD y CAM se refieren a los procesos de Diseño Asistido por Computadora y Fabricación Asistida por Computadora, respectivamente.

Así como los diseñadores utilizan herramientas CAD (ECAD en el caso de los ingenieros electrónicos), tales como Altium Designer, los fabricantes usan otras herramientas que les asisten en la fabricación de PCB, ensamblaje y procesos relacionados, conocidas como software CAM. Ejemplos incluyen CircuitCAM8 o cualquier software específico integrado en una máquina de ensamblaje automático (Pick & Place). 

Desde la perspectiva del proceso de diseño (CAD), los ingenieros, basándose en las directrices de DFM/DFA, introducen reglas en la herramienta de diseño (por ejemplo, usando Altium's Constraint Manager) y luego verifican el cumplimiento de estas reglas (DRC – Chequeo de Reglas de Diseño).

Una vez que el diseño está completo y verificado para cumplir con todas las reglas necesarias para la manufactura y el ensamblaje, se envía al fabricante. Utilizando diferentes herramientas (CAM), el fabricante puede verificar todos los parámetros de fabricación de la PCB y detectar si algún valor está fuera de tolerancia y necesita modificación para asegurar una fabricación confiable. De manera similar, los ensambladores de PCB analizan el circuito diseñado y verifican si podrían surgir problemas potenciales durante la etapa de ensamblaje antes de proceder con el mismo. 

Entonces, surge la pregunta: ¿Qué parámetros se verifican para determinar si una PCB es manufacturable y puede ser ensamblada? O, dicho de otra manera, ¿qué reglas se deben seguir para asegurar que mi diseño es tanto manufacturable como ensamblable?

Ejemplo de Requisitos DFM/DFA

Una vez que todos los requisitos funcionales, de sistema y subsistema, requisitos del cliente, etc., están definidos, debemos definir los requisitos DFM/DFA. En otras palabras, necesitamos considerar estos requisitos antes de comenzar el diseño para asegurar que nuestro diseño pueda ser fabricado sin sorpresas o problemas.

Aunque la lista de parámetros a considerar puede ser extensa y depende en gran medida de cada fabricante y sus capacidades de fabricación, un resumen de los requisitos necesarios para definir podría ser el siguiente.

Ejemplos de requisitos DFM

• REQ-DFM-01: Diámetro mínimo de agujero metalizado.

• REQ-DFM-02: Diámetro mínimo de agujero no metalizado.

• REQ-DFM-03: Relación de aspecto.

• REQ-DFM-04: Ancho mínimo de traza / Espaciado (Capas externas).

• REQ-DFM-05: Ancho mínimo de traza / Espaciado (Capas internas).

• REQ-DFM-06: Anillo anular mínimo (Capas externas).

• REQ-DFM-07: Anillo anular mínimo (Capas internas).

• REQ-DFM-08: Diámetro mínimo de Microvía.

• REQ-DFM-09: Espaciado mínimo de Microvía.

• REQ-DFM-10: Espaciado mínimo entre Microvías de Diferentes Niveles (Vías escalonadas).

• REQ-DFM-11: Relleno de Microvía.

• REQ-DFM-12: Grosor de PCB y Configuración de Capas (ejemplos de 6, 8 y 10 Capas)

• REQ-DFM-13: Tipos de vías.

• REQ-DFM-14: Definición de impedancias de trazas de Extremo Único.
• REQ-DFM-15: Definición de Impedancia de Pares Diferenciales.
• REQ-DFM-16: Definición de perforación posterior si es necesario.
• 
• REQ-DFM-17: Espacios libres en la máscara de soldadura (especialmente en pads muy pequeños, por ejemplo, BGAs)
• REQ-DFM-18: Espacios libres en la serigrafía.
• REQ-DFM-19: Tamaños de la serigrafía.

Ejemplos de Requisitos DFA

• REQ-DFA-01: Montaje de un solo lado o doble lado y tecnología de montaje.

• REQ-DFA-02: Estandarización y unificación de componentes.
• REQ-DFA-03: Espacios libres entre componentes.
• REQ-DFA-04: Alturas de los componentes.
• REQ-DFA-05: Distancia entre componentes y el borde del PCB.
• REQ-DFA-06: Bandas de PCB para transportadores.

• REQ-DFA-07: Fiduciales (Tamaño, posición y cantidad por lado).

• REQ-DFA-08: Máscara de pasta (apertura y reducciones).
• REQ-DFA-09: Tecnología de soldadura por orificio pasante (ola, selectiva, manual).

Una vez que un diseño se completa y cumple con los requisitos mencionados anteriormente, el primer paso es el análisis DRC utilizando la herramienta de Verificación de Reglas de Diseño (Design Rule Check). Esta herramienta verifica todos los parámetros que hemos definido en las reglas contra lo que se ha diseñado y proporciona un informe de cualquier parámetro que no se haya seguido. Esta herramienta puede mantenerse activa durante toda la fase de diseño (DRC en Línea) para que Altium nos notifique en tiempo real si se está violando alguna regla. 

Cuando el DRC muestra cero errores, estaremos listos para generar la documentación necesaria para enviar al fabricante y ensamblador de PCBs. 

• Archivos Gerber
• Archivos de perforación
• Archivos ODB++
• Lista de Materiales (con la alternativa para componentes críticos)
• Archivos de coordenadas de componentes (XY) para la máquina de Pick & Place
• Dibujos de ensamblaje (archivos de Draftsman) en PDF
• Procedimientos de Inspección, Prueba y Programación, si se necesitan
• Instrucciones Especiales de Ensamblaje (montaje de disipadores de calor, dispensación de recubrimiento, o lo que se necesite)

Si hemos cumplido todos los requisitos de diseño relacionados con DFM y DFA, superado el DRC sin errores y enviado al fabricante toda la documentación necesaria para la fabricación y ensamblaje de nuestra placa, habremos reducido significativamente la incertidumbre en caso de fallos funcionales durante la fase de validación de nuestro diseño. Esto nos permitirá descartar problemas de fabricación y/o ensamblaje, permitiéndonos centrarnos exclusivamente en analizar el circuito diseñado. 

Claves a tener en cuenta

La importancia de diseñar teniendo en cuenta DFM/DFA

Los diseñadores de PCB deben recordar que lo que dibujan en un ordenador debe eventualmente cobrar vida en el mundo real. El papel (o, en este caso, el ordenador) puede acomodar cualquier cosa, pero la realidad es bastante diferente. Por lo tanto, es crucial diseñar considerando las capacidades y procesos de fabricación de un PCB y PCBA.

La necesidad de tratar DFM/DFA como requisitos de diseño desde el inicio

Es esencial tratar los requisitos de DFM/DFA como un conjunto adicional de criterios, tan importante como los requisitos funcionales o de sistema. No tenerlos en cuenta desde el principio del proyecto puede llevar a retrasos y sobrecostos que podrían poner en peligro el éxito del proyecto.

Interactuar con los fabricantes antes de comenzar el diseño

Basándose en el punto anterior, es altamente recomendable (si no obligatorio) comunicarse con los fabricantes y, si es posible, seleccionar al fabricante antes de comenzar el proceso de diseño. Esto asegura una comprensión profunda de sus capacidades y materiales, permite la verificación de cálculos de impedancia, etc. Abordar estos temas durante o después de la fase de diseño puede llevar a sorpresas desagradables.

Dar la Importancia Debida al DRC (Control de Reglas de Diseño)

No subestime la importancia de la herramienta DRC (Control de Reglas de Diseño). Este es el primer paso después de completar el diseño de PCB para verificar si cumple con los requisitos de DFM/DFA establecidos al principio y sirve como el primer nivel de aseguramiento de que el diseño es fabricable.

El Fabricante Requiere Documentación Completa

Al concluir el diseño, es esencial crear documentación de alta calidad que contenga todos los archivos necesarios para la construcción del PCB y, si es posible, incluya todas las instrucciones de ensamblaje y cualquier otro detalle adicional requerido para la fabricación y ensamblaje adecuados de la placa. Asimismo, si se requiere, la documentación debe incluir los diversos procesos de inspección, prueba y programación.

Asegurando el Éxito Mediante la Integración de DFM/DFA en el Diseño de PCB

Diseñar un PCB es más que cumplir con los requisitos funcionales. Necesitas asegurarte de que el diseño pueda ser fabricado y ensamblado con riesgos y costos mínimos. Al integrar los principios de Diseño para la Fabricabilidad (DFM) y Diseño para el Ensamblaje (DFA) desde el principio, los diseñadores pueden reducir significativamente los problemas de producción, retrasos y costos imprevistos que de otro modo podrían poner en peligro el proyecto.