DISEÑO PARA OPTIMIZACIÓN DE LA FABRICACIÓN (DFM)
A la hora de diseñar una PCB, el objetivo principal es garantizar que el resultado cumple con las expectativas de funcionamiento. Sin embargo no es el único punto a tener en cuenta.
La complejidad de los procesos de diseño y fabricación hace que existan muchas oportunidades de fallo en el PCB, algunos catastróficos. Afortunadamente la mayoría pueden ser evitados mediante el conocimiento del proceso de fabricación y de los problemas más populares durante el mismo.
La lógica sugiere que el diseño sea lo más sencillo posible; esto se traduce en pistas y separaciones con el mayor ancho o taladros mayores de 0,30mm entre otros. Sin embargo hay otros puntos que fácilmente pueden tenerse en cuenta a la hora del diseño. Ayudarán al fabricante para que su producción sea más económica, rentable, con un nivel menor de defectivo y una calidad mucho mayor. Veamos algunos de dichos puntos.
TEARDROPS
Cuando se diseña un circuito de una cierta complejidad, uno de los puntos que más problemas puede originar al fabricante son los annular ring (coronas) de las vías. Para un circuito CLASS VIII (nota: esta denominación no tiene nada que ver con el criterio de clases establecida en IPC; es una forma que tienen los fabricantes de clasificar los circuitos por su nivel de dificultad) hablamos de diámetros de 150μm y pads de cobre de 350μm. Esto dejaría al fabricante un margen de 100 μm a cada lado del taladro (annular ring). Teniendo en cuenta que a la hora de taladrar se utilizará una broca de al menos 50μm mayor para compensar el regrueso de cobre tras metalizar el orificio, al fabricante le queda un margen de escasamente 75μm para poder centrar la imagen con el taladro.
Como además los diseños de complejidad alta no permiten el aumento de los pads de cobre (no hay espacio para ello) los teardrops son una buena opción para minimizar los riesgos de rotura por un mal registro cobre-taladro:
Dado que la probabilidad de descentramiento entre capas aumenta con el número de estas, la utilización de teardrops tanto en los cobres exteriores como en las caras internas es SIEMPRE un aspecto positivo a tener en cuenta a la hora de diseñar circuitos con varias capas de cobre.
UNIFORMIDAD DE SUPERFICIE DE COBRE EN CARAS EXTERNAS
A la hora de realizar el rutado de las pistas, el cobre debe de estar bien compensado, siendo en la medida de lo posible lo más regular y homogéneo tanto en la misma cara como entre distintas caras. Veamos por qué.
El proceso de adición de cobre electrolítico funciona aplicando una cantidad de Amperios por unidad de superficie de cobre a cubrir (normalmente medida en dm2) teniendo en cuenta todas las pistas, pads, cobres y pared de taladros que contiene el circuito. Por poner un ejemplo, si una línea funciona a 2,5A/dm2 y una cara tiene 20dm2 de cobre, será necesario aplicar un amperaje de 2,5 x 20 = 50A a esa cara para aportar una media de 20μm de cobre tanto a los conductores como a los taladros.
Un buen proceso galvánico puede ayudar y minimizar el impacto de una distribución desigual del cobre, pero nunca será suficiente. Cuál es pues, el problema que provoca una mala homogeneidad del cobre? Para explicarlo, imaginemos este caso:
Efectos adversos:
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Drástica reducción del diámetro de los taladros y dificultades de inserción de componentes through hole, especialmente en componentes con tolerancias reducidas (press-fit).
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Reducción de la distancia teórica entre conductores. En casos límite, el regrueso de cobre provoca atrapamientos de film y cortocircuitos irreparables entre conductores.
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Estética muy pobre en las pistas sobrecargadas de cobre, debido a la poca uniformidad del cobre aportado en forma de cristales de gran tamaño y muy irregulares.
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Insuficiente recubrimiento del solder mask en zonas donde la carga de cobre ha sido excesiva.
La solución es sencilla: compensar o igualar la superficie de cobre en todo el circuito, añadiendo blindajes en las zonas más aisladas, en pistas finas con separaciones reducidas y zonas con componentes PTH con tolerancias muy ajustadas.
El tener capas de cobre uniformes supone claras ventajas. Sobre todo en placas con líneas de impedancia controlada ya que:
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Si las líneas de señal críticas crecen desproporcionadamente (tanto en altura como en anchura) los valores teóricos de las señales se modificarán. Por ello, un buen diseño con cobres proporcionados hará que los valores finales sean lo más ajustados posible a lo que el diseñador había previsto.
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Un buen blindaje de cobre puede reducir señales parasitarias.
Si no está seguro de cómo o donde añadir los blindajes, siempre existe la posibilidad de permitir que el departamento de CAM del fabricante sea quien los añada. Su experiencia se torna valiosísima, al conocer de primera mano todos los problemas que las descompensaciones de cobre provocan.
UNIFORMIDAD DE SUPERFICIE DE COBRE EN CARAS INTERNAS
Aunque la situación no es la misma que para las caras externas, interesa en la medida de lo posible realizar el mismo trabajo de masificación de cobre ya que:
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Los promotores de adherencia aportados durante el proceso de oxidación de caras internas trabajan mejor sobre cobre y a más superficie, mayor zona de adherencia y menores posibilidades de delaminación.
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La presión durante el proceso de prensa es mucho más regular. Esto permite una licuación más controlada del prepreg y una distribución más uniforme del mismo, eliminando problemas de arrugas en las hojas de cobre, reduciendo la posibilidad de aparición de zonas mal encapsuladas en las caras internas y permitiendo que el espesor final del PCB sea más exacto y regular.
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Una superficie similar de cobre en todas las caras internas permite una mayor estabilidad dimensional durante los procesos de temperatura y presión durante el proceso de prensa, reduciendo en gran medida los alabeos por tensiones.
SLIVERS DE COBRE
Los slivers son un problema potencial para todos los fabricantes de PCBs. Durante el proceso, se aplica un film fotosensible que protege sólo aquellas áreas en las que NO van a existir pistas, pads ni planos de masa. Obtendremos así un negativo en el que permanecen los conductores en cobre (en rojo en la imagen), y las zonas donde no deseamos cobre quedarán protegidas por el film aportado (en negro en la imagen).
Si las zonas protegidas por film son demasiado largas o finas (ver imagen superior), estaremos creando zonas muy débiles con una capacidad de adherencia muy reducida. Cuando el circuito pasa a través de los procesos químicos, estos atacan el cobre debajo del film despegándose y provocando un cortocircuito. El film además permanecerá flotando en los baños químicos pudiendo pegarse aleatoriamente a cualquier zona provocando uno varios cortes de pista. Debido a su naturaleza aleatoria, los slivers pueden aparecer en diferentes áreas incluso para un mismo lote de producción lo que puede llegar a ser una pesadilla al no aparecer dos placas con el mismo problema en el mismo sitio.
En este punto es donde el diseño del LayOut del PCB entra en juego: la forma de prevenir las consecuencias negativas de los slivers es vigilar que no existan pequeños hilos moviendo pistas y pads para crear una separación apropiada. De esta forma la posibilidad de crear slivers se reduce.
PADS AISLADOS EN CARAS INTERNAS
Son pads que no aportan valor alguno para el funcionamiento del circuito (podríamos calificarlos de dummy pads); por el contrario, pueden originar problemas durante la fabricación.
Si durante la fabricación ese aro se quiebra (ver punto donde tratábamos los slivers) se producirá un cortocircuito entre ese pad y el plano de masa o bien como se observa a continuación, entre dos pads cercanos
En ocasiones un mal proceso de taladrado tras la Prensada puede provocar también cortos internos al levantar rebabas del cobre presentes en el pad.
Dado que son pads totalmente inservibles, su existencia supone un riesgo innecesario para la fabricación por lo que se recomienda eliminarlos durante el diseño de la PCB
CONCLUSIÓN
Los puntos anteriores representan ayudas importantes para la fabricación. Cuando estos puntos no se realizan en el diseño es el departamento de CAM del fabricante quien debe de proponer y trasladar las mejoras al Cliente para su validación. Esto se traduce en pérdidas de tiempo en consultas y penalización en el plazo de entrega.
Si el diseño recibido está optimizado para su fabricación estos tiempos se eliminan, siendo el proceso de CAM fluido y rápido y sobre todo, optimizado para fabricar las placas.
