Los 5 mejores consejos de diseño para la fabricación para 2019

Recientemente, mientras navegaba por un importante blog de la industria electrónica, me encontré con un artículo sobre los 10 principales errores de ‘diseño para fabricación’. Leí el artículo pensando que podría ser interesante e innovador, pero para mi sorpresa, era esencialmente un copiar y pegar de un artículo que había leído hace 10 años, el cual a su vez era una reiteración de un artículo casi 10 años más antiguo. No soy fan de reutilizar artículos antiguos y etiquetarlos como contenido ‘nuevo’, ya que es una forma principal de crear y perpetuar falsas reglas generales o peor aún, ‘mejores prácticas de la industria’ inválidas. La industria electrónica cambia tan rápidamente que la mayoría del contenido escrito hace más de una década ahora es obsoleto. Vamos a echar un vistazo a algunos de los principales errores que estos artículos mencionaron y arrojar luz sobre ellos, luego considerar algunos consejos actuales que son relevantes para los estándares de la industria de hoy.

Errores Principales en los Principales Errores

Evitar Ángulos Agudos

Ahora estamos en la segunda mitad de 2019; estamos en una era donde incluso las PCBs prototipo más baratas y triviales reciben una revisión con sonda volante para descartar placas que tengan cualquier falla eléctrica, incluso si el problema fue con el proceso de grabado. El principal error que un artículo antiguo que leí nos advertía evitar eran los ángulos agudos, porque pueden crear trampas de ácido. Si estás utilizando transferencia de tóner y grabado casero, esto podría ser cierto, pero con los métodos de fabricación modernos, esto no va a ser un problema.

Las soluciones de grabado fotoactivadas utilizadas en placas con capas de resistencia fotoactivada son muy comunes en las fábricas de placas. Estos agentes de grabado proporcionan características nítidas y precisas, y si el agente de grabado se acumula, no recibirá suficiente luz para activarse. Incluso puedes usar capas de resistencia fotoactivada en casa muy fácilmente. Los procesos de grabado contemporáneos hacen que las trampas de ácido sean mucho menos riesgosas de lo que alguna vez fueron en el pasado.

Evita Via-en-Pad

Generalmente estoy de acuerdo con que el uso de via-en-pad es un error. Sin embargo, el artículo utilizó un ejemplo en el que el via-en-pad debería haberse usado por razones térmicas. Muchos dispositivos de alta corriente requieren via-en-pad hasta el punto de que el fabricante lo recomienda para el footprint. Es la única manera de poder disipar el calor del paquete de manera eficiente.

El artículo afirmaba que si usas un via-en-pad, succionará todo el soldante y te dejará con una unión seca. Esto es 100% cierto; la acción capilar de hecho tirará del soldante a través, sin embargo, cubrir el via por ambos lados lo prevendrá completamente. En casos específicos, si realmente no quieres ninguna máscara de soldadura en tu pad, puedes cubrir solo el lado opuesto del via al pad. Esto funciona para vias de hasta 0.4mm de manera bastante fiable, pero si aún tienes dudas, puedes añadir algo de serigrafía al via en el lado opuesto también, asegurando así que el via esté completamente tapado.

Por cierto, no solo debes tener cuidado con las vías en el pad. Si colocas una vía que no ha sido cubierta (tentada) muy cerca de un pad, también puede succionar soldadura de tu pad.

Evita Usar Múltiples Tamaños de Herramientas

El artículo argumentaba que si tu fabricante va a trabajar con tolerancias increíblemente ajustadas, usar una multitud de tamaños de agujeros similares, pero no exactamente idénticos en tu placa podría aumentar el costo de tu placa. Sin embargo, una mirada a la tecnología de perforación de hoy muestra que esto está lejos de ser verdad. Los magazines de herramientas en los taladros industriales de PCB contienen prácticamente todos los tamaños de micro taladros conocidos por la humanidad, y los cambios de herramienta son increíblemente rápidos. Incluso si todos los agujeros de 13.5mil y 14mil son perforados por sus brocas de tamaño exacto, solo podría tomar un segundo o dos extra por hoja de PCB. Generalmente, la fábrica de placas simplemente redondeará todos estos agujeros a un tamaño siempre y cuando el dimensionamiento se ajuste dentro de sus requisitos de tolerancia o dentro de las tolerancias que especificaste en un dibujo.

Lo mismo ocurre con las ranuras en un PCB. No he encontrado una fábrica de PCB que me penalice por usar ranuras muy pequeñas (30-40mil) o que especifique una ruta de fresado separada para cuadrar las esquinas de una herramienta más grande en una ranura con una fresa de 20mil.

Evitar Serigrafía en los Pads

Evitar que la serigrafía de un componente termine en el pad de otro puede ser imposible para una placa con rutas muy ajustadas. En mi biblioteca de Altium, utilizo tanto un punto de serigrafía designador del pin 1 como una característica de serigrafía debajo del componente cuando es posible, para facilitar la orientación por esta exacta razón. Todavía no he encontrado una casa de placas, económica o cara, que no limpie automáticamente la serigrafía de los pads por ti, o al menos pregunte si quieres que lo hagan.

Si recibiste una placa con serigrafía en un pad, ciertamente podría causar problemas mayores con la humectación del soldante en ese pad, lo que provocaría una unión deficiente. Sin embargo, con los fabricantes de hoy en día, no es un problema que haya experimentado.

No Agregar Máscara de Soldadura Entre Pads

Este "error" simplemente me hace sacudir la cabeza asombrado. ¿Cómo puedes olvidar añadir máscara entre los pads en una placa? Altium y prácticamente todas las demás herramientas de diseño se encargarán de esto por ti. Muchos componentes de paso fino tienen espacios de separación entre pads que no permiten ninguna máscara de soldadura entre ellos. Sin embargo, he visto a Altium generar máscara entre pads que tiene 1/1000 de mil de ancho. Incluso las reglas de diseño predeterminadas en Altium funcionan perfectamente para especificar máscara de soldadura entre pads.

Si la máscara entre los pads es demasiado pequeña, una buena casa de placas te lo hará saber antes de proceder, y una casa de placas menos preocupada simplemente eliminará la característica y continuará.

Huellas de Tamaño Incorrecto

Desde hace años, he estado publicando una gran biblioteca de base de datos de componentes de código abierto que te permite colocar partes reales y comprables en tu diseño a nivel de captura esquemática. Con modelos 3D completos y precisos, y la vista 3D de la placa de Altium así como la verificación de colisión en cuerpos 3D, es muy difícil completar un diseño donde las partes colisionen. Ahora puedes obtener la misma funcionalidad en una gama más amplia de componentes usando Concord Pro, un producto adicional para Altium.

Han pasado al menos 5 años desde la última vez que fui capaz de especificar erróneamente una pieza en mi lista de materiales que no encajaría en la huella que coloqué en la placa. Relegaré este 'error' a no usar las mejores herramientas durante el diseño, en lugar de ser un error con el proceso de diseño en sí.

Mis Principales Consejos

Ahora que hemos descartado una amplia gama de 'errores principales' de años pasados, veamos algunos consejos que podrían ayudarte si estás comenzando con el diseño para la fabricación.

Claridad Alrededor de los Sujetadores

Es muy fácil colocar un orificio mecánico para un elemento de fijación y olvidar tener en cuenta el tamaño de la cabeza de dicho elemento. Algo que es más grande, pero irónicamente más fácil de olvidar, es la arandela para ese elemento de fijación. Generalmente, coloco un vía con el orificio de holgura correcto para el elemento de fijación y especifico el anillo (el círculo de cobre adjunto a él) para que sea del mismo tamaño que la arandela más grande disponible para ese elemento de fijación (donde existen múltiples estándares de arandelas), más un poco extra. Si realmente necesitas pasar una pista bajo la cabeza del elemento de fijación y no puedes hacerlo de otra manera, añade un silkscreen sólido sobre el área del elemento de fijación como protección extra para tu pista. La pequeña cantidad de protección extra que proporciona el silkscreen podría ser lo que salve a tu pista de daños cuando alguien apriete demasiado el elemento de fijación.

Para estar doblemente seguro, añade un modelo 3D del elemento de fijación a tu placa y móntalo en el orificio. Esto asegurará que puedas colocar y retirar el elemento de fijación, y no termines colocando el cuerpo de otro componente en el camino.

Distancia de Seguridad del Cobre a los Bordes de la Placa

Altium se encarga prácticamente de esto por ti. Sin embargo, si has evitado las configuraciones predeterminadas para introducir una pista de manera sigilosa, asegúrate de que no esté demasiado cerca del borde. Muchos artículos en línea mencionarán la corrosión como el impedimento indiscutible al optimizar el espacio libre de cobre, porque no quieres cobre expuesto y sin platear. Sin embargo, al trazar una pista fina cerca del borde de la placa, el fresado final/la broca de ranurar podría astillar la pista y destruirla. Al usar el V-Scoring para separar las placas en un panel, el corte ocupa cierto ancho y no siempre es perfectamente preciso, lo que puede dañar o eliminar la pista fácilmente.

Después de hacer ranuras en la placa, suelo hacer una última revisión para intentar encontrar errores con el espacio libre antes de enviar mi trabajo. Ha habido ocasiones en las que por error tracé una pista en una capa interna justo a través de una ranura. En las preferencias de tu placa, establece la capa de fresado en la capa en la que tienes tus caminos de fresado para que Altium renderice las ranuras en vista 3D. Después de eso, copia la capa de fresado a tu capa de prohibición para asegurar que las reglas de diseño resalten cualquier problema existente y prevengan cualquier futuro.

Cubre Tus Vías

Altium tiene reglas de diseño para la expansión de la máscara de soldadura en las vías que pueden usarse para el tenting, así que aprovéchalas. Cualquier cosa menor a 15mil/0.4mm debería estar tentada. Por encima de eso, es posible que quieras considerar qué tan gruesa es la máscara de soldadura de tu fabricación de placas. Una vía completamente tentada y cerrada es algo bueno, ya que evita que cualquier material corrosivo como el flux, la suciedad y la humedad entren en el agujero y corroan tu vía.

Cuando el agujero es demasiado grande para cubrirse completamente, intentar hacerle tenting podría en cambio crear un agujero mayormente cubierto que atrapa más fácilmente las cosas que estás tratando de mantener fuera. En tales circunstancias, es mejor usar vías sin tenting y permitir que el recubrimiento proteja el agujero. Sin embargo, mantén el espacio de la máscara de soldadura alrededor del agujero bastante pequeño, ya que no quieres que la vía se convierta en una ubicación potencial para un cortocircuito.

Las placas de especificaciones muy altas probablemente tendrán las vías llenas de epoxi durante la fabricación. Si estás diseñando esas, los consejos que cubrimos probablemente no sean relevantes para ti, ¡ya que hace tiempo que no necesitas ningún consejo de diseño para la fabricación!

Placas de Doble Cara

Muchos de los productos que diseño utilizan placas de doble cara. Sin embargo, deberías tener una buena razón para optar por una doble cara. Si te sientes tentado a colocar solo uno o dos componentes pasivos en la parte inferior de la placa, podrías estar causándote muchos problemas cuando llegues al ensamblaje. Comprométete completamente con un diseño de doble cara o mantente en una sola cara. Si no tienes una razón realmente buena para colocar partes en ambos lados de las placas, simplemente quédate con la capa superior. Si las restricciones de tamaño o las especificaciones de densidad de la placa requieren una cantidad significativa de componentes en la parte inferior, entonces que así sea.

También podrías considerar usar un componente de paquete más pequeño para recuperar algo de espacio en la placa. Para la mayoría de los ensambladores, un componente 0402 no es exigente y será mucho más barato que colocar componentes en ambos lados de la placa. Muchos ensambladores no tendrán costos extras significativos o desperdicio al usar pasivos 0201, lo que puede darte una enorme cantidad de espacio libre incluso si ya estás usando partes 0402. Consulta con tu ensamblador antes de usar 0201 o más pequeños, ya que las máquinas más antiguas pueden no ser capaces de manejarlos de manera confiable. Si el ensamblador puede manejar componentes más pequeños, es probable que sea mucho más barato que depender del ensamblaje de doble cara.

Verifique sus archivos de salida

Finalmente, y espero que esto no necesite decirse, asegúrese de que todos sus archivos de salida estén presentes. He pasado por situaciones en las que olvidé agregar archivos de perforación NC a un archivo de trabajo de salida, o accidentalmente deseleccioné una capa de más para los gerbers. Utilice un visor de gerber, incluso si es solo el que está integrado en Altium, para verificar que todos sus polígonos estén completamente renderizados, todos sus taladros estén en su lugar, y la serigrafía y la máscara estén presentes donde sea necesario. Si va a enviar la placa a un ensamblador o a un fabricante por contrato, asegúrese de tener las capas de pasta, los centros de recogida y colocación, y los dibujos de ensamblaje exportados también.

Consejo adicional - Térmicas

Tengo que admitir, las térmicas son un poco mi punto débil. Algunos software por defecto añaden térmicas prácticamente en todo. Si añades un vía, obtiene una térmica; añades un pad, obtiene una térmica. Las térmicas pueden crear puntos de alta inductancia y empezar a causar problemas con señales de moderada y alta velocidad. En situaciones de alta corriente, la sección transversal baja de cobre de la térmica puede no ser capaz de conducir suficiente corriente.

Los térmicos pueden facilitar el soldado manual en grandes superficies de cobre y podrían haber sido necesarios para las antiguas máquinas de soldadura por ola. Si estás diseñando una placa principalmente de montaje superficial con un par de componentes pasantes como conectores, no hay muchos casos de uso para un térmico en un pad. Los componentes de montaje superficial se someterán a soldadura por reflujo, mientras que los componentes pasantes se soldarán con una máquina de soldadura selectiva.

Esta capacidad de prevenir la transferencia de calor del pad a una gran superficie de cobre funciona en ambos sentidos. Por un lado, puede hacer que el ensamblaje sea un poco más fácil, pero por otro, igualmente impedirá que cualquier calor escape de un paquete. He visto múltiples placas de producción con un paquete D-Pak (TO-252) o similar que tenían térmicos en el pad de tierra, lo cual destroza completamente la capacidad del paquete para disipar calor.

Densidad de corriente en paquete de alta amperaje con térmicos activados. Imagina los problemas térmicos.

Asimismo, los térmicos en vías limitarán severamente cuánta corriente y calor pueden transferir. Peor aún, agrupar vías juntas para transferir extra calor o corriente puede privar al área de cualquier cobre y diezmar la capacidad de llevar corriente o calor en toda la región.

Si está diseñando placas para procesos de fabricación y ensamblaje modernos, puede agregar características que no habrían sido confiables hace una o dos décadas. El volumen y la complejidad de las placas en las últimas 2 décadas han aumentado exponencialmente. Para permitir este ritmo de cambio, los fabricantes de PCB han estado utilizando métodos más eficientes, más precisos y más efectivos para crear placas para diseños altamente sofisticados. La prueba eléctrica posterior a la fabricación es estándar incluso en las instalaciones de fabricación de menor presupuesto, y detecta la gran mayoría de los problemas de producción. Si está diseñando una placa de alta corriente utilizando una herramienta de análisis de distribución de energía como PDN Analyzer de Altium, puede ayudar a detectar errores relacionados con un área de cobre insuficiente para la aplicación. Si su diseño no es lo suficientemente robusto para manejar la corriente, frecuencia o requisitos térmicos de la aplicación, no importa si la placa es funcional eléctricamente o no.

¿Tiene más preguntas? Llame a un experto en Altium.