Como parte imprescindible de los productos electrónicos, las placas de circuito impreso (PCB) desempeñan un papel clave en la implementación de la funcionalidad de los productos electrónicos, lo que conduce a la destacada importancia del diseño de PCB, ya que el rendimiento del diseño de PCB determina directamente la función y el costo de los productos electrónicos. Un diseño de PCB excelente puede mantener los productos electrónicos alejados de muchos problemas, de modo que se garantice que los productos se fabriquen sin contratiempos y sean capaces de satisfacer todas las exigencias de la aplicación práctica.
Entre todos los elementos que contribuyen al diseño de PCB, el Diseño para Manufactura (DFM) es sin duda uno esencial, ya que vincula el diseño de PCB yFabricación de PCBde modo que los problemas se expongan pronto y se resuelvan a tiempo durante todo el ciclo de vida de los productos electrónicos. Ha sido un mito que la complejidad del diseño de PCB aumentará cuando se tenga en cuenta la fabricabilidad de los productos electrónicos durante la fase de diseño de la PCB. Cuando se trata del ciclo de vida del diseño de productos electrónicos, el DFM no solo puede lograr que los productos electrónicos se integren sin problemas en la fabricación automática, ahorrando costos de mano de obra durante el proceso de producción, sino que también puede acortar eficazmente el tiempo de fabricación para garantizar la finalización oportuna de los productos electrónicos finales.
Fabricabilidad de PCB
El diseño para la manufactura es un elemento clave que conduce a una fabricación de alta eficiencia, alta calidad y bajo costo, ahora que la fabricabilidad y el diseño de PCB se han combinado. El estudio de la fabricabilidad de PCB abarca un amplio rango que, en general, puede clasificarse en fabricación de PCB y ensamblaje de PCB.
• Fabricación de PCB
En lo que respecta a la fabricación de PCB, deben tenerse en cuenta los siguientes aspectos: tamaño de la PCB, forma de la PCB, carril técnico y marca fiducial. Si estos aspectos no se consideran plenamente durante la etapa de diseño de la PCB, es posible que las placas de PCB fabricadas no puedan ser aceptadas por el montador automático de chips a menos que se apliquen medidas de procesamiento adicionales. Aún peor, algunas placas pueden no ser aptas para la fabricación automática ni siquiera recurriendo al soldado manual. Como resultado, el período de fabricación se prolongará y también aumentará el costo de mano de obra.
a. Tamaño de la PCB
Cada montadora de chips tiene su propio tamaño de PCB requerido, que difiere de una a otra de acuerdo con los parámetros de cada montadora. Por ejemplo, el tamaño máximo de PCB aceptado por la montadora de chips en PCBCart es de 500 mm × 450 mm, mientras que el tamaño mínimo de PCB es de 30 mm × 30 mm. Esto no significa que no podamos manejar el ensamblaje de placas PCB más pequeñas que 30 mm × 30 mm; cuando se requiere un tamaño menor, se puede recurrir a paneles. Las montadoras de chips nunca aceptan placas PCB que sean demasiado grandes o demasiado pequeñas, en cuyo caso solo se puede depender del montaje manual, con el aumento del costo de mano de obra y el período de producción fuera de control. Por lo tanto, durante la etapa de diseño de PCB, se debe considerar plenamente el requisito de tamaño de PCB establecido por la fabricación de montaje automático y debe mantenerse dentro de un rango válido.
La imagen siguiente muestra un archivo de diseño de panel de PCB completado con software EDA. Como panel de 5x2, cada unidad cuadrada es una placa individual con un tamaño de 50 mm × 20 mm. La conexión entre cada unidad individual se logra mediante la tecnología de corte en V/puntuado en V. En esta imagen, el cuadrado completo muestra el tamaño final del panel, que es de 100 mm × 100 mm. Con base en el requisito de tamaño de panel mencionado anteriormente, se puede concluir que el tamaño del panel se encuentra dentro del rango aceptable.
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b. Forma de la PCB
Además del tamaño de la PCB, todos los montadores de chips también imponen requisitos en cuanto a la forma de la PCB. La forma ordinaria de la PCB debe ser un rectángulo cuyo cociente entre longitud y anchura sea 4:3 o 5:4, que son los óptimos. Cuando una PCB presenta una forma irregular, deben tomarse medidas adicionales antes del ensamblaje SMT, lo que conduce a un aumento de costos. Para evitar que eso ocurra, las PCBs deben diseñarse con una forma ordinaria durante la etapa de diseño de PCB, de modo que se puedan cumplir los requisitos de SMT. Sin embargo, esto difícilmente puede lograrse en situaciones prácticas. Cuando algunos productos electrónicos deben tener una forma irregular, es necesario utilizar agujeros de troquelado más un puente para que la forma de la PCB final sea una forma ordinaria. Después del ensamblaje, la parte adicional puede eliminarse de la PCB, lo que satisface tanto los requisitos de montaje automático como de espacio.
La imagen siguiente indica una PCB de forma irregular con un borde de procesamiento añadido mediante software EDA. El tamaño total de la placa es de 80 mm × 52 mm, mientras que el área cuadrada es el tamaño de la PCB práctica. El tamaño del área de la esquina superior derecha es de 40 mm × 20 mm, que es el borde de procesamiento resultante de los orificios de troquelado más el puente.
c. Riel técnico
Para satisfacer las demandas de la fabricación automática,carril técnicotiene que colocarse en las PCB para fijar las PCB.
Durante la etapa de diseño de la PCB, se debe dejar por adelantado un carril técnico de 5 mm de ancho donde no se coloquen componentes ni pistas. Es habitual colocar el carril técnico en el lado más corto de una PCB, pero se puede seleccionar el lado más corto cuando la relación entre la longitud y el ancho supera el 80 %. El carril técnico se eliminará después del ensamblaje, ya que cumple una función auxiliar en la producción.
d. Marca de referencia
Para las PCB con componentes montados, se deben añadir marcas fiduciales como puntos de referencia comunes que garanticen que cada equipo de ensamblaje determine con precisión las posiciones de los componentes. Por lo tanto, las marcas fiduciales son puntos de referencia de la fabricación SMT, necesarias para la fabricación automática.
Los componentes requieren 2 marcas fiduciales, mientras que las PCB requieren 3 marcas fiduciales, que deben colocarse en el borde de la placa PCB y cubrir todos los componentes SMT. La distancia entre el centro de la marca fiducial y el borde de la placa debe ser de al menos 5 mm. Para las PCB con componentes SMT en ambas caras, las marcas fiduciales deben estar disponibles en ambos lados. Si los componentes están colocados demasiado densamente como para ubicar marcas fiduciales en la placa, estas pueden colocarse en el raíl técnico.
• Ensamblaje de PCB
El ensamblaje de PCB, abreviado como PCBA, es en realidad el proceso de soldar componentes en placas PCB desnudas. Para cumplir con los requisitos de la fabricación automática, el ensamblaje de PCB establece ciertos requisitos sobre el encapsulado de los componentes y la disposición de los componentes.
a. Paquete de componentes
Durante el proceso de diseño de la PCBA, si el encapsulado del componente no cumple con las normas adecuadas y la distancia entre los componentes es demasiado reducida, no se realizará el montaje automático.
Para obtener el encapsulado óptimo para los componentes, se debe utilizar un software profesional de diseño EDA que sea compatible con los estándares internacionales de encapsulado de componentes. En el proceso de diseño de PCB, el área de vista de pájaro nunca debe superponerse con otra área y los montadores automáticos de CI podrán reconocer con precisión y realizar el montaje en superficie.
b. Disposición de componentes
La disposición de los componentes es una tarea importante en el diseño de PCB porque su rendimiento está directamente asociado con el aspecto que tendrán las PCB y el nivel de complejidad del proceso de fabricación.
Durante el proceso de distribución de componentes, deben determinarse los lados de montaje para los componentes SMD y los componentes THD. Aquí, establezcamos el lado frontal de la PCB como lado de componentes A, mientras que el lado posterior será el lado de componentes B. La distribución de componentes debe tener en cuenta la forma de ensamblaje, incluyendo ensamblaje de una sola capa y un solo tipo de encapsulado, ensamblaje de doble capa y un solo tipo de encapsulado, ensamblaje de una sola capa con encapsulados mixtos, ensamblaje con encapsulados mixtos en el lado A y un solo tipo de encapsulado en el lado B, y ensamblaje con THD en el lado A y SMD en el lado B. Diferentes ensamblajes requieren diferentes procesos y tecnologías de fabricación. Por lo tanto, en lo que respecta a la distribución de componentes, se debe seleccionar una distribución óptima de componentes para que la fabricación sea simple y fácil, mejorando la eficiencia de fabricación de todo el proceso.
Además, es necesario tener en cuenta la orientación de la disposición de los componentes, el espacio entre ellos, la disipación térmica y la altura de los componentes.
En términos generales, la orientación de los componentes debe mantenerse consistente. La disposición de los componentes se ajusta al principio de la menor distancia de trazado, sobre cuya base la orientación de polaridad debe ser consistente para los componentes con marcas de polaridad, y los componentes sin marcas de polaridad deben estar ordenados de manera uniforme en el eje X o Y. La altura de los componentes debe ser como máximo de 4 mm, mientras que la dirección de transmisión del componente y de la PCB debe mantenerse a 90°.
Para mejorar la velocidad de soldadura de los componentes y facilitar la inspección posterior, el espaciado entre los componentes debe ser uniforme. Los componentes deben estar próximos entre sí dentro de la misma red, mientras que se debe dejar una distancia de seguridad entre redes diferentes de acuerdo con la caída de tensión. La serigrafía y las almohadillas nunca deben superponerse; de lo contrario, los componentes no podrán montarse.
Se deben considerar los problemas de disipación térmica debido a la temperatura de funcionamiento real de la PCB y a las propiedades térmicas de los componentes eléctricos. La disposición de los componentes debe centrarse en la disipación térmica, mientras que se deben utilizar ventiladores o disipadores de calor cuando sea necesario. Se deben seleccionar disipadores de calor adecuados para los componentes de potencia y los componentes sensibles a la temperatura deben colocarse lejos de aquellos que generan calor. Los componentes altos deben colocarse detrás de los componentes bajos.
Todavía hay más detalles en los que se debe prestar atención en lo que respecta al DFM de PCB, y la experiencia debe acumularse en la práctica. Por ejemplo, el diseño de PCB de señales de alta velocidad exige requisitos especiales de impedancia, que deben discutirse con el fabricante de la placa antes de la fabricación real para determinar la impedancia y la información de apilado de capas. Para la preparación de la fabricación de algunas placas PCB de tamaño reducido y trazado denso, se deben discutir con el fabricante de PCB las capacidades de fabricación en cuanto al ancho mínimo de pista y el diámetro de los orificios metalizados, a fin de garantizar una fabricación fluida de esas PCB.
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