Directrices para principiantes en diseño de PCB para la fabricación

Los profesionales del diseño se preocupan mucho de las directrices de diseño para la fabricación, pero ¿qué son exactamente y cómo puedes implementarlas en tu software de diseño de PCB? En el desarrollo de PCB, el diseño para la fabricación tiene un significado muy simple: solo debes implementar opciones de diseño si puedes garantizar que se podrán fabricar con el máximo rendimiento. Esta explicación engañosamente simple deja fuera muchas cosas. Asimismo, es natural que des por hecho que el fabricante será capaz fabricar cualquier cosa que puedas imaginar en PCB mediante tu software de diseño.

Lo cierto es que ls distintas empresas de fabricación tienen diferentes capacidades, opciones de materiales y opciones de servicios estándar sin intervención. Hay algunos errores o descuidos muy comunes que provocan que una placa no se pueda fabricar y que podrían forzar un rediseño de la PCB exhaustivo. En este artículo, repasaré algunos de los errores más comunes que pueden cometer tanto los diseñadores noveles como los experimentados. Yo mismo he cometido estos errores, pero te garantizo que siempre podrás encontrar una solución y que tu placa será fabricable.

Algunas directrices básicas de diseño de PCB para la fabricación

Los puntos que describiré a continuación se relacionan casi por completo con dos áreas importantes:

• Consideraciones sobre el material, concretamente, sobre los materiales del núcleo y el laminado, y el peso del cobre.
• Límites de fabricación, en particular, el tamaño y el espaciado de los diversos elementos en la disposición de la PCB.

Con esto en mente, entremos de lleno en el tema y empecemos a examinar algunas de las directrices fundamentales del diseño de PCB para la fabricación a fin de garantizar el éxito del diseño.

Preparar primero el apilado o stackup de capas

Te sorprendería ver lo sencillo que es meterse de lleno en el nuevo diseño y empezar a colocar componentes por la placa. Para placas de PCB más sencillas que no requieran una impedancia controlada, una capacitancia de bus específica o un enrutado digital denso, solo tienes que empezar a colocar las piezas sobre una placa con un número de capas par y con un grosor de capa estándar. Dependiendo del diseño, la PCB fabricada puede que acabe por no hacer lo que esperabas de ella.

En la mayoría de los diseños, incluso en placas de microcontroladores para uso aficionado, necesitarás conocer al menos la disposición de las capas y las propiedades de los materiales. Ponte en contacto con tu empresa de fabricación y pídeles la pila de capas estándar antes de empezar a diseñar las pistas para los buses digitales o cualquier otra pista de impedancia controlada. Si no lo haces, la empresa de fabricación podría producir la placa utilizando una pila de capas que no dé como resultado las funciones que esperabas. Otro riesgo es que crees una pila de capas que no se pueda fabricar, generalmente por la falta de existencias del material necesario para tus especificaciones de stackup o apilamiento de capas.

Adecuar el peso del cobre a la densidad de corriente y a los laminados

Cuando selecciones materiales o solicites la aprobación de un stackup, no te sorprendas si el fabricante rechaza los pesos de cobre que le hayas indicado. Tienes que utilizar los pesos de cobre que estén disponibles en el conjunto de materiales del fabricante, no puedes especificar el peso de cobre que te apetezca. Si te has tomado el tiempo de calcular el peso del cobre y el ancho de la pista que necesitas para una densidad de corriente determinada (como en los rieles de alimentación), debes asegurarte de indicar el peso necesario al concretar el stackup con el fabricante.

Aplicar las clearances de cobre a cobre

Cuando inicies un nuevo diseño de PCB, tu software ECAD aplicará un conjunto de reglas de clearance por defecto, que serán unos valores conservadores para casi cualquier PCB. Estos valores suelen ser excesivamente conservadores, por lo que es habitual ignorarlos sin programar los valores de clearance correctos antes de ponerte con el diseño de la PCB. Y lo que es peor, puede que introduzcas valores demasiado pequeños, lo que te permitirá colocar los elementos demasiado juntos, de forma que la placa no se pueda fabricar.

La solución: solicita a tu fabricante los límites antes de empezar a diseñar y programar estos valores como reglas de diseño en tu proyecto de PCB. Si quieres asegurarte de que tienes en cuenta las infracciones de clearance más comunes, céntrate en estas clearances:

• De pista a pista.
• Pista/almohadilla a polígono.
• De pista a almohadilla. 
• De almohadilla a almohadilla.

Los dos últimos puntos se aplicarán a las almohadillas SMD y a las almohadillas para agujeros pasantes (vías o conexiones de componentes). Ten en cuenta que estos valores serán mayores para el cobre más pesado debido a la necesidad de compensación del grabado.

Orificios superpuestos

Si has seguido las directrices de clearance anteriores y has establecido los valores mínimos de separación entre las almohadillas, es posible que ya hayas tenido en cuenta esta directriz de diseño para la fabricación. Si los orificios están demasiado cerca los unos de los otros, es posible que se superpongan debido a la desviación de la perforadora CNC. Cada orificio podría estar ligeramente descentrado con respecto a su ubicación predeterminada y eso es algo que debes tener en cuenta al colocar las vías y las conexiones de los agujeros pasantes.

Recuerda que, aunque respetes las distancias entre las almohadillas para las vías y las conexiones de los agujeros pasantes, esto puede no garantizar que hayas satisfecho las clearances de perforación. Supongamos que colocas una vía de 10 mils con una almohadilla de 12 mils. Si su límite de espaciado entre almohadillas es de solo 5 mils, pero su espaciado entre orificios es de 10 mils, infringirás el límite de perforaciones en 3 mils si solo tienes en cuenta el límite de almohadilla a almohadilla.

Puede producirse un problema similar entre los orificios que atraviesan un plano, como el clearance entre el alivio térmico y el plano GND que se muestra a continuación. Las dos regiones verdes muestran el espacio libre entre la pared de la vía y un plano para estas redes. En este caso, el sobrante es muy pequeño y no se podrá fabricar. El ejemplo concreto que se muestra a continuación es una instancia en la que dicho fallo de fabricación no hará que el dispositivo no sea funcional, pero puede que no sea así en todos los casos. Si dicho defecto se encontrara en la capa superficial entre dos orificios pasantes, se crearía un riesgo de puente durante la soldadura, ya que es probable que un elemento de cobre tan estrecho se desprendiera durante la fabricación.

La solución natural en este caso es utilizar una almohadilla más grande, que es exactamente lo que harías para satisfacer los requisitos básicos de la clase IPC, es decir, utilizar un tamaño de almohadilla mínimo de (diámetro de perforación) + 8 mils para garantizar que se satisface el límite de clearance de orificio a orificio en casi todos los casos.

Tamaños pequeños

Cuando se empieza a situar componentes y pistas en una placa, existe la tentación de crear dichas pistas, orificios y almohadillas con medidas innecesariamente pequeñas. Las reglas de clearance ya te limitan lo cerca que puedes colocarlo todo, pero un requisito de diseño igualmente importante es el tamaño mínimo de cada elemento. Los dos aspectos más habituales que deberás abordar son el tamaño mínimo de los orificios y el ancho de las pistas. Se trata de algo tan sencillo como consultar los tamaños del fabricante para esos elementos y programarlos en tus reglas de diseño. Los límites de fabricación típicos que se aplican a la mayoría de las placas tienen un ancho de pista de 4 mils y un ancho de orificio de 6 mils. En el caso de muchas placas más sencillas que no necesitan una impedancia controlada, es mejor utilizar un ancho de pista de 8-10 mils y un diámetro de perforación de 10 mils.

Sobrante de la máscara de soldadura

Este es un aspecto del montaje que a menudo se pasa por alto y que tiene por objeto garantizar que las aberturas de la máscara de soldadura puedan funcionar de forma fiable como un dique contra la soldadura fundida que pudiera fluir entre dos componentes adyacentes. Aunque las almohadillas estén espaciadas adecuadamente, una abertura excesiva de la máscara de soldadura en una almohadilla NSMD puede dejar un canal muy fino de máscara entre ellas.

En este caso, el requisito mínimo habitual de sobrante de máscara de soldadura es de 5 mils. Cuando la esquirla sobrante de máscara de soldadura está por debajo del límite del fabricante, puede desprenderse tras el curado y formarse un canal de soldadura que podría crear un puente entre dos almohadillas. La solución pasa por añadir algo de espacio o reducir la apertura de la máscara de soldadura en la almohadilla afectada de manera que el sobrante sea lo suficientemente grande.

Serigrafía superpuesta

Una vez terminada la distribución y el enrutado, vale la pena revisar la serigrafía para asegurarte de que no haya designadores de referencia superpuestos. Si los hubiera, puedes moverlos en la disposición de la PCB hasta que todo sea correcto. Aunque técnicamente no es un requisito de fabricación o montaje indispensable, un fabricante que sepa lo que hace lo marcará como problema durante la revisión del diseño.

Un problema más serio es la superposición de la serigrafía con las almohadillas/orificios en los que se aplicará la soldadura. Asegúrate de comprobarlo, ya sea con un visor de modelos 3D o revisando los Gerbers directamente.

La lista anterior de directrices en el diseño de PCB debería abordar los problemas más comunes de DFM que pueden afectar a casi cualquier diseño. Cuando implementes las directrices de PCB  anteriores en tus proyectos para la fabricación, pasarán a formar parte del proceso habitual de diseño. Una vez que estos puntos estén programados en tus reglas de diseño, puedes comprobarlos en cualquier momento como parte de una revisión del diseño antes de enviar la placa a la producción.

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