DFM en el diseño de su PCB

Construir una placa implica ajustarse al proceso de fabricación para su selección de capas y materiales. En algún momento, tendrás que diseñar las conexiones en tu PCB, e incluso estas tienen requisitos específicos que tienen como objetivo asegurar la fabricabilidad. En esta sección de nuestro curso intensivo de DFM, veremos algunas de las restricciones básicas de DFM en elementos conductivos de una PCB, así como el desarrollo de las capas de serigrafía/soldadura de superficie para DFA.

El éxito del DFM en el diseño de PCB comienza por establecer tus reglas de diseño para tener en cuenta las restricciones importantes de DFM. Las reglas de DFM mostradas a continuación reflejan algunas de las capacidades de diseño contemporáneas que uno encontraría en la mayoría de los fabricantes. Asegúrate de que los límites que estableces en las reglas de diseño de tu PCB no violen estos límites para que puedas asegurarte de cumplir con la mayoría de las limitaciones de diseño estándar.

Estrategizando tu Diseño de PCB

Con tus selecciones de materiales finalizadas, es ahora el momento de sumergirte en los detalles específicos de tu diseño de PCB. Aunque los flujos de trabajo de ingeniería individuales pueden diferir de un diseñador a otro, hay una serie de consideraciones de diseño primarias que necesitan requisitos de DFM precisos para considerar una placa 100% lista para la fabricación. En las siguientes secciones aprenderás los detalles específicos de cómo estrategizar tu diseño de PCB incluyendo especificaciones de SMT y de montaje a través de orificios, documentación de serigrafía, aplicaciones de máscara de soldadura, y más.

Requisitos de Tamaño y Espaciado de Vías

Los diseñadores profesionales usan PCBs multicapa con enrutamiento en dos capas, lo que requiere el uso de vías. Las vías son una parte crítica de cada diseño de PCB y son responsables de transmitir la corriente eléctrica entre capas. Al diseñar vías de orificio pasante metalizado, se recomienda mantener una relación de aspecto de 8:1 entre el diámetro del orificio y la longitud de la vía. La tabla a continuación muestra un conjunto de tamaños de taladro estándar (en mils):

Las vías estándar deben mantener distancias mínimas de separación de los conductores adyacentes. La separación dependerá de las capacidades de procesamiento particulares de la casa de fabricación, así como de la necesidad de distancias específicas según se requiera para ciertos tipos de PCBs (como las placas de alto voltaje). Existe una separación entre vías que limitará la densidad permitida de vías, con separaciones típicas de pared de agujero de taladro a pared de agujero de taladro siendo de hasta 10 mils. Estos requisitos limitarán cuán densamente se pueden enrutar las conexiones entre capas, así como la densidad de vías de unión al conectar planos o polígonos.

¿Agujero pasante o SMD?

Elegir entre componentes de montaje en orificio pasante o dispositivos de montaje superficial (SMD) tendrá un impacto directo en los costos totales y el tiempo de fabricación. Se recomienda optar por SMD para diseños de placas modernos, ya que esto resulta en tiempos de producción más rápidos y una mayor fiabilidad. La mayoría de los componentes que se necesitarían para un diseño moderno se fabrican como componentes SMD. Algunas excepciones incluyen conectores, que a menudo están disponibles tanto en SMD como en componentes de orificio pasante. Para mantener los costos de producción bajos en un diseño y asegurar que se necesiten la menor cantidad de pasadas de soldadura posible, es deseable tener colocación solo en una capa, incluso en casos donde ambos tipos de componentes se mezclan en el mismo diseño.

Anillos Anulares

El anillo anular se define usualmente como la diferencia entre el diámetro deseado del pad y el diámetro del taladro correspondiente, aunque esto no es completamente correcto. La definición clásica que acabo de mencionar se refiere al pad de aterrizaje en una vía. La realidad es que el anillo anular es bastante diferente del tamaño del pad de aterrizaje de la vía; se refiere al anillo de cobre restante alrededor de un agujero taladrado después de que el agujero es taladrado, grabado y plateado con cobre. El taladro no siempre golpea el pad perfectamente en el centro debido a la desviación durante la fabricación. El resultado es que el taladro podría estar ligeramente descentrado y dejaría algo de cobre alrededor del agujero de la vía.

A partir de la imagen anterior, podemos ver que el ancho del anillo anular para un vía fabricado perfectamente obedecería la siguiente fórmula:

Ancho del Anillo Anular = (Diámetro del pad – Diámetro del agujero) / 2

Para asegurar que la placa cumpla con los estándares de fiabilidad de IPC, el diámetro del pad debería ser 8 mils (Clase IPC 2) o 10 mils (Clase IPC 3) mayor que el diámetro del agujero del vía. Este es un límite conservador que asegurará que casi siempre haya algún anillo anular alrededor del vía terminado.

• Aprende más sobre el diseño de vías de alta fiabilidad en tu diseño de PCB.

Relación de Aspecto de un Vía

La relación de aspecto de un vía es la proporción entre la profundidad del vía y el diámetro del agujero perforado (después de aplicar el chapado). La relación de aspecto de los vías debe mantenerse lo suficientemente baja para asegurar la fabricación de alta rendimiento de estas estructuras. Para diseños más avanzados, como las PCB HDI que utilizan microvías, el límite de la relación de aspecto puede ser muy pequeño, alcanzando 1:1 o menor. Asegúrate de verificar las capacidades de tu fabricante antes de comenzar a añadir vías en el diseño de la PCB. Puedes establecer los límites en los tamaños de los vías dentro de las reglas de diseño de tu PCB.

Vía-en-Pad y Micro Vías

Cuando las densidades de conexión se vuelven muy altas, como en un BGA con paso fino, es posible colocar el vía directamente en la almohadilla de aterrizaje para un componente. El diseño de vía-en-almohadilla permite una colocación cercana de componentes porque los vías no tienen que colocarse a cierta distancia de su almohadilla de conexión. Los diseños de vía-en-almohadilla requieren algún relleno con epoxi conductor o no conductor, seguido de tapado y chapado para proteger el interior de la estructura del vía.

El vía-en-almohadilla se usa con vías pasantes en casos donde aún es posible el taladrado mecánico, cuyo límite puede ser tan pequeño como 8 mils. Cuando la densidad de componentes es extremadamente alta, se necesitan técnicas de diseño HDI para hacer conexiones a capas internas. Este es un tema más avanzado que se discute en nuestros otros eBooks.

¿Deberían los Vías Estar Cubiertos?

Un via cubierto es un via estándar que tiene sus capas superficiales cubiertas con máscara de soldadura de modo que no se expone el cobre. Es típico definir los vias pequeños (12 mils o menos) como cubiertos. Los vias más grandes pueden requerir tapado y relleno antes de que puedan ser cubiertos con máscara de soldadura. Los vias se cubren por varias razones, y es una buena idea hacerlo cuando están muy cerca de las almohadillas de aterrizaje en componentes SMD. El ejemplo a continuación muestra una instancia donde es necesario aplicar el cubrimiento debido a la proximidad entre los vias y un banco de almohadillas de soldadura en un componente SMD. En este caso, si los vias no estuvieran cubiertos, es posible que la soldadura se filtre a través de estos hacia la parte posterior de la placa, causando posiblemente un cortocircuito.

Aunque hay preocupaciones de ensamblaje, aún puede haber una razón para dejar los vias sin cubrir. Por ejemplo, si un via específico es deseable para usar como un punto de prueba, entonces necesita ser accesible con una sonda, por lo que la máscara de soldadura necesitará ser removida de ese via. Las pruebas se discutirán más en el próximo capítulo de esta serie.

• Aprende más sobre el cubrimiento de vias

Vias Ciegos y Enterrados

Similar a los agujeros pasantes, las vías ciegas y/o enterradas (BBV) son agujeros que conectan una o más capas. En este proceso, una vía ciega conecta una capa exterior con una o más capas internas pero no con ambas capas exteriores, y una vía enterrada conecta una o más capas internas, pero no con una capa exterior. La imagen a continuación muestra un ejemplo de vista en sección transversal de un PCB de 6 capas con vías ciegas y enterradas:

No asuma simplemente que su fabricante será capaz de producir todas las combinaciones posibles de vías ciegas y enterradas. Las vías ciegas y enterradas perforadas mecánicamente y perforadas con láser deben colocarse en capas específicas para asegurar una fabricación exitosa, no pueden colocarse en pares de capas arbitrarios. Asegúrese de contactar primero a su casa de fabricación y obtener alguna orientación sobre el uso de vías ciegas y enterradas en un diseño de PCB.

Estrechando una Pista

En algunos casos, es necesario estrechar una pista para poder enrutar hacia una almohadilla de aterrizaje para un componente. Una pista estrechada (a veces llamada reducción) se conecta a una almohadilla y corre al menos 0.010” alejada de la almohadilla antes de ensancharse hacia el ancho grande de la pista.

Para trazas de impedancia controlada, como las que se necesitarían en diseños de alta velocidad, generalmente es una mala idea aplicar el estrechamiento ya que esto crea una desviación de impedancia. En su lugar, usa capas más delgadas si necesitas mantener un ancho menor. Los componentes para estos diseños tenderán a tener pads de aterrizaje más pequeños de todos modos, por lo que no necesitarán estrechamiento si el apilado y las trazas están dimensionados correctamente.

Colocación y Orientación de Tus Componentes

Con tus tipos de componentes preferidos ya establecidos, ahora es momento de decidir cómo colocar y orientar esas partes en tu placa de manera eficiente. Este proceso tendrá un gran efecto en cómo utilizas el espacio disponible en el diseño de tu placa, y puede ser uno de los pasos más desafiantes en tu proceso de diseño. A continuación, encontrarás recomendaciones específicas sobre cómo optimizar la colocación de tus componentes para que sea tanto manufacturable como capaz de cumplir con tus requisitos de diseño específicos.

Antes de entrar en los detalles específicos de la colocación y orientación de componentes, hay varias pautas generales a tener en cuenta:

• Orienta los componentes con E/S y huellas similares en la misma dirección.
• Intenta colocar todos tus componentes SMT en el mismo lado de la placa, y todos los componentes through-hole (si se mezclan) en el lado superior de la placa.
• Cuando tienes componentes de tecnología mixta (SMT y PTH), los fabricantes podrían requerir un proceso de soldadura extra para colocar los componentes inferiores.
• Debes terminar todas las pistas con solo una traza.
• Cuando especificas un chip debajo de un dispositivo, esto puede dificultar las inspecciones, el retrabajo y las pruebas.
• Todos los componentes utilizados en el lado de soldadura por ola de un ensamblaje deben ser primero aprobados por tu fabricante para la inmersión en un baño de soldadura.

Con la información presentada en este capítulo, ahora estás bien equipado para comenzar tu proceso de colocación y orientación de componentes para cumplir con los requisitos fundamentales de fabricabilidad. Ahora que tu diseño está bien encaminado hacia su finalización, es momento de finalizar el proceso de diseño de la placa configurando tus requisitos de puntos de prueba en el próximo capítulo.

• Ir a la Parte 4: Limpieza de la Placa y Requisitos de Pruebas

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