Gestión del Diseño para la Fabricación (DFM) de PCB

Si te encuentras en el blog de Altium, es muy probable que hayas diseñado o fabricado placas de circuito impreso. Si te pasa como a mí, enviar un diseño a fabricación puede ser una experiencia agridulce. Por un lado, pronto tendrás en tus manos el hardware que tanto te ha costado diseñar. Pero, por otro lado, sabes que el fabricante va a enviar una lista de solicitudes de DFM, y eso nunca es divertido. En este artículo, hablaremos de las características clave del diseño que conviene poner en práctica y de los pasos que se deben dar antes de la fabricación para evitar ciertos problemas en el proceso de DFM. También expondré ejemplos de dónde suelo ver estos problemas relacionados con el DFM en los circuitos de integridad de la señal.

Empieza con un buen apilado

Muchos ingenieros eligen un material basándose en las características físicas del laminado, y olvidan que el laminado sólo se encuentra disponible en determinados espesores. Por tanto, el apilamiento debe diseñarse a partir de las opciones disponibles, no de espesores arbitrarios. Si no diseñas con estos espesores ya definidos, es posible que tengas que hacer cambios significativos en la geometría de las pistas una vez que el centro de fabricación recomiende un apilamiento que se pueda realizar. Por ejemplo, si diseñas una stripline basándote en una separación arbitraria del plano de tierra de 8 mils. (dos capas dieléctricas de 4 mils), y el fabricante te comunica que el material sólo está disponible en incrementos de 5 mils, es posible que tengas que ensanchar o acercar las pistas de forma significativa para mantener la impedancia. Esto resulta especialmente problemático si el diseño ya está sobrepasando los límites de la densidad.

Para evitar este problema, ponte en contacto con el fabricante antes de empezar el diseño, y diles para qué necesitas la placa. Indícale, como mínimo, la gama de frecuencias que debe soportar el PCB, el número de capas y el grosor total que quieres conseguir. Detalles como el objetivo del material DK para el control de la impedancia, el tamaño del panel y el uso final previsto son muy útiles para que el fabricante reduzca las posibles opciones. Elegir un material con el que le resulte cómodo trabajar también ayuda a obtener buenos resultados a la primera.

Ten en cuenta el IPC-A-610

El ICP-A-610 va a ser tu mejor aliado para entender lo que hace falta para conseguir que tu placa pase por la fase de fabricación sin problemas. Este documento es relativamente asequible, y si no tienes acceso a un ejemplar, te recomiendo que lo consigas [1]. Conforme a la norma, las placas de circuito impreso se clasifican en tres clases. La clase 1 se refiere a artículos de un solo uso en los que la tasa de fallos no es muy importante. La clase 2 corresponde a dispositivos electrónicos que deben funcionar de forma fiable y tienen un bajo índice de fallos gracias al proceso de fabricación. La clase 3 es para dispositivos que no pueden presentar fallos, cuyo ejemplo clásico es un marcapasos. Las especificaciones requeridas para las distintas clases son básicamente el margen de seguridad establecido con el fin de compensar los modos de fallo relacionados con las placas de circuito impreso y los criterios de diseño relacionados con las limitaciones físicas del proceso de fabricación de placas de circuito impreso en un lugar determinado.

Para la mayoría de los dispositivos, deberás incluir una nota de fabricación en tu capa de dibujo de perforación en la que se indique: "Esta placa de circuito impreso se fabricará de acuerdo con la norma ICP-A-610 Clase 2". Esto informa al fabricante de la placa sobre la necesidad de asegurarse de que todo el material gráfico cumpla con esta norma. Pero te voy a contar un secreto sobre los fabricantes de placas: revisan todos los diseños siguiendo los criterios de la clase 2 de ICP. Y lo hacen para asegurarse de que no devolverás tu placa debido a algún defecto. Así que si van a comprobar tu placa de circuito impreso según los criterios de la clase 2 del ICP, debes asegurarte de que el material gráfico cumple la especificación antes de que llegue a sus manos. Puede parecer sencillo, pero es el problema más común que me plantean los ingenieros.

Cumplir la mayor parte de las normas IPC requiere básicamente de algo de sentido común. Por ejemplo, no poner serigrafía sobre las pistas de cobre, o no poner máscara de soldadura en los pads SMT. Sin embargo, hay algunos criterios que son fáciles de pasar por alto, cuando el diseñador se centra en otro aspecto del diseño, como la integridad de la señal o la potencia, en lugar de la fabricabilidad.

Tamaño del anillo anular

En el documento sobre ICP, se describe y cuantifica la rotura de la broca. Para evitar dicha rotura, el anillo anular alrededor de una vía debe tener un diámetro 12 milésimas de pulgada mayor que el del taladro en la mayoría de los lugares de fabricación. Este problema suele presentarse en los trabajos con conectores coaxiales o conectores en serie de alta velocidad. Para la integridad de la señal, este pad no es más que una molestia y debe minimizarse en todo momento. Los ingenieros de integridad de la señal suelen intentar llevar esta dimensión a 8 milésimas, lo cual es posible. Sin embargo, no todos los fabricantes de placas pueden hacerlo.

Perforación

Distancia entre la pista y la perforación

La distancia nominal entre el cobre de cualquier capa y el borde de una perforación no debe ser inferior a 8 mils, a fin de garantizar que el taladro no se desplace y entre en contacto con otra net. Ahora bien, aunque 8 mils. puede ser demasiado poco, el estado actual de la técnica empuja la densidad de los circuitos y hace que cumplir esta restricción sea una lucha constante. La clave está en planificar con antelación, crear canales de enrutamiento dentro del diseño y diseñar las pistas en consecuencia. Por ejemplo, imagina que tenemos dos filas de vías que se crean con brocas de 10 mil. y las filas están en una línea central de 40 mil. Tu canal de enrutamiento es entonces de 30 mils. menos 8 mils. a cada lado para DFM, resultando en 14 mils. Si necesitas encajar dos pistas, podrías utilizar trazas de 5 mil. que estén separadas por 4 mil. En las aplicaciones de integridad de la señal, esta situación se produce con bastante frecuencia cuando se utilizan conectores de placa base. En AirMAXTM [2], por ejemplo, el conector tiene filas de vías creadas por brocas de 24 mils. (0,6mm) con una línea central de 80 mils. (2mm). Esto hace que el canal de enrutamiento tenga un máximo de 40 mils. (80 - 24 - 8 - 8). Este ejemplo se muestra en la figura siguiente.

Distancia entre broca y broca

La distancia mínima absoluta entre perforaciones es complicada. La broca se tambalea al girar, creando su tolerancia de posición, lo que se conoce como oscilación de la broca. La broca también se ve arrastrada por el contenido no resinoso del laminado (tejido de vidrio, tela o cerámica). La posición de la broca se altera entonces a medida que continúa a través de la placa. Esto se conoce como avance de la broca. Para calcular de forma prudente la distancia que hay que mantener entre las brocas, quizás te resulte útil seguir la siguiente fórmula:

Distancia mínima entre perforación y perforación = Diámetro de la broca x 2

En realidad, este multiplicador, 2, procede de otros dos números relacionados con el apilamiento y el material. Este número puede ser menor, y si necesitas una densidad de vía más ajustada, ponte en contacto con el centro de fabricación para conocer su mínimo.

Tamaño máximo de la broca

Como ya se ha dicho, la perforación tiene obviamente limitaciones. Además de lo que ya se ha dicho, el tamaño máximo del taladro está relacionado con el grosor de la placa de circuito impreso. Esta limitación se llama relación de aspecto. La relación de aspecto es específica del fabricante de la placa, y debe figurar en su documento público de capacidad. Normalmente, los fabricantes de placas pueden hacer la placa 12 veces más gruesa que la perforación más pequeña. Dependiendo del lugar de fabricación, esto puede superarse perforando por ambos lados. Esta idea duplica efectivamente la relación de aspecto. A continuación se muestra una placa con el espesor máximo del PCB para unos tamaños mínimos de taladro determinados, para facilitar la consulta.

La relación de aspecto también cambia en función de si la vía necesita un tamaño de perforación acabado, o si el tamaño de la perforación terminada es "indiferente". Por ejemplo, las perforaciones de 9,7 mil. (0,25 mm) son muy comunes para varias vías de conexión a tierra, y estos agujeros no necesitan tener un tamaño de agujero acabado. Sin embargo, los conectores actuales para 56 Gb/s y superiores tienen perforaciones de 17,7 mil. (0,45 mm) que exigen que el agujero acabado esté dentro de un rango aceptable. Por tanto, la perforación de 17,7 mil. probablemente seguirá la relación de aspecto de 12:1, y la de 9,7 mil. seguirá la relación de aspecto de 20:1. Esto delimitará la placa a aproximadamente 194 mils. (5mm).

Conclusión

Para que tu PCB avance sin problemas en la fase de fabricación, es importante diseñar en torno al proceso de fabricación. Sigue las indicaciones anteriores y llevarás mucha ventaja. Es probable que se presenten otros problemas que no se tratan en este artículo. Cuando se presenten, toma nota de ellos y crea más normas para ti y tu empresa de cara a la próxima fabricación. Te ahorrará semanas de esfuerzo en la gestión del DFM, y tal vez incluso unos cuantos euros en ibuprofeno.

[1] Sitio web donde puedes comprar IPC-A-610: https://shop.ipc.org/IPC-A610G-English-D
[2] AirMAX connector: https://www.amphenol-icc.com/airmax-10016527101lf.html

¿Quieres saber cómo puede ayudarte Altium en tu próximo diseño de PCB? Ponte en contacto con un experto de Altium o sigue informándote acerca de las directrices para el diseño y la fabricabilidad.