Optimizando el Diseño de PCB para Fabricación: Estrategias Clave y Mejores Prácticas

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¿Qué es el Diseño para Fabricación?
¿Cuál es el Propósito del DFM?
Los Factores del DFM
Cómo el Diseño para Fabricación se Traduce en Layout de PCB
Revisiones DFM de Millennium Circuits Limited

Diseño para Fabricación de PCB

A lo largo de los sectores de fabricación y negocios, una gran cantidad de máquinas dependen de placas de circuito impreso, o PCB. Del mismo modo, las capacidades de los PCB hacen realidad los dispositivos que los consumidores usan a diario.

Con tanto en juego en el diseño y fabricación de PCB, es crucial implementar la producción con la máxima eficiencia. Para que esto suceda, sin embargo, todas las partes involucradas en la etapa de diseño y el proceso de fabricación deben estar en contacto constante para llevar una idea de producto a su fructificación. Aquí es donde entra en juego el concepto conocido como diseño para fabricación (DFM) y su secuencia de pasos.

¿Qué es el Diseño para Fabricación?

El diseño para fabricación (DFM) es un proceso que permite a los fabricantes examinar el diseño de un producto en una serie de categorías para optimizar sus dimensiones, materiales, tolerancias y funcionalidad a través de los medios de fabricación más eficientes posibles. Con DFM, contratistas de producto certificados examinan cada nueva idea de producto en una gama de áreas para encontrar las mejores medidas, materiales y procesos de fabricación para los productos en cuestión.

Los fabricantes que desean reducir simultáneamente los costos generales y mejorar la calidad del producto emplean DFM. El DFM también hace posible encontrar métodos de fabricación alternativos para artículos en tiradas cortas. Por ejemplo, si una empresa solo necesita un producto en pequeñas cantidades, podría ser un desperdicio configurar un costoso arsenal de alta tecnología de dispositivos de formación para producir ese artículo de tirada limitada.

Al mismo tiempo, ese producto podría requerir medidas únicas que serían difíciles de fabricar sin un arsenal industrial convencional. El DFM ayuda a los fabricantes a encontrar métodos alternativos que pueden ahorrar dinero, como métodos de conformado por calor para piezas que de otro modo requerirían cavidades de moldeo separadas.

El DFM también ayuda a los fabricantes a mejorar diseños preexistentes. Si una empresa ha producido en masa un producto en el pasado y ahora planea ponerlo de nuevo en producción, puede ahorrar dinero esta vez reevaluando el diseño original y los procesos utilizados para convertirlo en un producto. Si determinan que alguno de los pasos anteriores involucrados son desperdicio, pueden eliminarlos del proceso.

¿Cuál es el Propósito del DFM?

El propósito del DFM es eliminar la comunicación errónea una vez común entre diseñadores y fabricantes. En décadas pasadas, las dos partes a menudo entraban en conflicto debido a malentendidos mutuos. En un escenario típico, el diseñador concebía un producto con un conjunto de medidas y una lista de materiales. El diseñador enviaría entonces el plano y bocetos al fabricante, cuya tarea era poner el diseño en producción. Si encontraban algún problema en el diseño, el diseñador dejaría al fabricante rectificar estos problemas.

Desde el punto de vista del diseñador, los pasos que ocurrían después de la etapa de diseño, incluyendo modificaciones, eran responsabilidad del fabricante. El problema es que el fabricante usualmente no entendía las complejidades del proceso de diseño, pero sabría cuando ciertas medidas o materiales eran imprácticos o imposibles. En casos como estos, las producciones a veces se retrasaban para renovaciones de diseño de último minuto que a menudo resultaban costosas para las partes involucradas. A veces, los fabricantes apresuraban los diseños a producción de todos modos, a pesar de los defectos y el riesgo de defectos de producto e insatisfacción del cliente.

Con la ingeniería DFM, especialistas de todas las etapas en los procesos de diseño, desarrollo y producción trabajan juntos en cada paso del camino. Juntos, forman un equipo combinado donde los ingenieros de cada departamento escuchan la entrada y retroalimentación del otro en tiempo real a medida que los productos se desarrollan, prueban y envían de vuelta para revisiones. El DFM ahorra dinero y tiempo al ayudar a las empresas a detectar fallos de diseño casi de inmediato y rectificarlos mucho antes de que el equipo de fabricación comience con la producción.

Los equipos de producto y desarrollo que emplean DFM también incluyen la entrada de partes fuera del proceso de fabricación, como compradores, vendedores y abogados. Después de finalizar el diseño de un producto, las empresas solo habrán gastado una fracción del presupuesto general de fabricación, sin embargo, el diseño determinará la mayor parte de los costos del producto. Como tal, los fabricantes tienen demasiado en juego cuando se comprometen con un producto.

Con DFM, las empresas pueden eliminar errores que podrían llevar a paradas costosas en producción y tiradas desperdiciadas, gracias al escrutinio cooperativo de ingenieros de cada departamento que tiene una mano en el proceso. El DFM también ayuda a los fabricantes a evitar escenarios donde productos defectuosos se lanzan al público, resultando en defectos abruptos, quejas de clientes, múltiples demandas y otros fiascos de relaciones públicas que podrían dañar el nombre de una marca a los ojos de los consumidores.

Los Factores del DFM

Los pasos del DFM incluyen la siguiente secuencia para determinar el proceso, diseño, material, entorno y cumplimiento de un producto dado.

1. Proceso de Fabricación

La primera parte del DFM es determinar los tipos correctos de procesos de fabricación para usar para el producto en cuestión. Cuando necesita producir un producto en una cierta cantidad, el proceso debe reflejar el alcance de la producción y el número de prensados planificados para la tirada.

Para determinar el mejor proceso de fabricación para un producto dado, debe considerar factores como el tamaño del producto y los materiales necesarios para su producción. Considere también los pasos que la superficie del producto requiere, y si algún paso secundario necesitará tener lugar más allá de las etapas fundamentales de ensamblaje.

2. Diseño del Producto

La siguiente parte del DFM es examinar el diseño del producto y determinar si las especificaciones se adaptarán al producto terminado, o si necesita hacer cambios adicionales antes de comenzar con la producción. El propósito de este paso es rectificar posibles problemas de diseño con la tirada anterior y hacer que su producción vaya más suavemente y eficientemente esta vez.

Si revisa un diseño existente, asegúrese de que las modificaciones estén en consonancia con los principios fundamentales de diseño. Asegúrese de discutir todas estas decisiones en esta área con su fabricante por contrato, ya que hacerlo le ayudará a asegurar que su próxima producción se ejecute según los principios de fabricación para el producto en cuestión.

3. Material del Producto

Otro aspecto crítico del DFM es determinar qué materiales son necesarios para el producto en cuestión. Dependiendo de la forma, tamaño y uso previsto del producto, necesitará tener en cuenta una variedad de factores, como la resistencia, textura y propiedades térmicas requeridas para el material o producto.

Durante este paso, necesitará consultar con un fabricante por contrato para asegurar que los materiales elegidos cumplan con los requisitos para la producción en cuestión. Si tiene un cierto material en mente, necesitará saber si ese material resistirá el calor y conducirá electricidad, ya que estos factores podrían hacer o deshacer el producto.

4. Entorno Eventual

Antes de finalizar sus elecciones para el proceso, diseño y material del producto, necesitará examinar los entornos en los que los consumidores lo usarán. Una vez que determine los tipos de efectos que este entorno podría tener en el material y la forma del producto, debe determinar si las tres elecciones previas de DFM serán suficientes.

Ejemplos de diseño para fabricación incluyen considerar cómo y dónde los consumidores usarán su producto. Si desarrolla un producto para uso en exteriores durante todo el año, los materiales necesitarán poder soportar la gama completa de temperaturas ambientales y condiciones climáticas. Si los usuarios montarán el producto en otros objetos, el diseño necesitará acomodar una variedad de configuraciones.

5. Pruebas/Cumplimiento

La etapa final del DFM es determinar si el diseño y materiales para el producto en cuestión cumplirán los estándares de seguridad y calidad de las diversas entidades que tienen voz en el asunto. Una instalación de pruebas certificada ISO de terceros puede determinar esto. Un analista de fabricación neutral debe supervisar las pruebas.

Diversas entidades podrían tener estándares que afectarán su capacidad para avanzar con un diseño en su estado actual. Por ejemplo, reglas regulatorias a nivel estatal, federal o internacional podrían considerar su producto inseguro en su configuración existente. El producto podría no cumplir el código de su industria prevista. El diseño del producto podría incluso no cumplir los estándares de seguridad de su empresa.

Errores Comunes de Diseño

Durante el diseño y producción de PCB, emplear DFM puede eliminar los siguientes errores.

1. Despeje de Borde (Edge Clearance)

Uno de los errores más significativos que un fabricante puede cometer con un diseño de PCB es no permitir suficiente despeje de borde. Este problema puede ser problemático para el cobre a lo largo del borde de un PCB, ya que el cobre puede corroerse si carece de recubrimiento protector. Si diseña un PCB sin tener en cuenta esta tolerancia, el recubrimiento podría eliminarse durante el corte final.

Afortunadamente, puede rectificar fácilmente los problemas de tolerancia de borde si añade el despeje necesario al diseño de la placa. Para las capas externas de un PCB, el recubrimiento solo debería requerir 0,010″ adicionales al diseño. Para las capas internas, el recubrimiento solo debería necesitar 0,015″ adicionales al diseño.

2. Creación de Trampas de Ácido (Acid Traps)

Las trampas de ácido podrían ser un problema recurrente en diseños de PCB que no toman en cuenta este asunto. Para evitar esta posibilidad, nunca diseñe trazos en ángulos agudos. Por ejemplo, un ángulo de 45 grados es mucho más preferible que un ángulo de 90 grados. Este último podría hacer que el PCB sea vulnerable a trampas de ácido, mientras que el primero generalmente no será propenso a este problema. Siempre verifique todos los ángulos de trazo después de terminar el enrutamiento para asegurar que ningún trazo unido haya creado trampas de ácido.

3. Layout de Placa Complicado

Si llega a una situación donde su placa se vuelve compleja, debería repensar el diseño en un plan más solvente donde pueda organizar todos los componentes necesarios en el mismo lado. Un error que algunos diseñadores de PCB a veces cometen es colocar algunos de los elementos en el lado opuesto de la placa para liberar espacio en el lado principal.

Cuando coloca componentes en ambos lados de un PCB, aumenta el costo del proceso de fabricación. Además, la adición de componentes en el otro lado de un PCB añade numerosas complicaciones para el fabricante.

4. Sin Máscara de Soldadura Entre Pads

En el diseño de PCB, la máscara de soldadura es uno de los elementos más cruciales de cualquier placa de circuito, ya que esto previene el contacto entre el cobre y otros metales. Sin la presencia de máscara de soldadura entre los pads, podría formarse contacto entre metales negativos, causando cortocircuitos inesperados.

Para asegurar que cada placa de circuito tenga suficiente máscara de soldadura, incluya esto en las reglas de diseño para todas sus producciones de PCB. De esa manera, nunca debería haber problemas con la aplicación de máscara de soldadura al convertir la configuración de un PCB grande a una placa de circuito más pequeña.

5. Colocación de Vías en Pads

Si el espacio es ajustado en su PCB, podría tentarse a añadir vías para liberar espacio. Sin embargo, esto podría debilitar las capacidades de montaje del PCB al desviar la soldadura lejos de la placa, tornando el proceso de soldadura ineficaz. Aunque la opción de vías puede ser útil en ciertas circunstancias, úsela solo cuando sea necesario. Lo mismo es cierto para vías micro, ciegas y enterradas.

Cómo el Diseño para Fabricación se Traduce en Layout de PCB

En la ingeniería de PCB, los principios de DFM ayudan a los fabricantes a mantener todas las especificaciones de diseño en un layout funcional, independientemente del tamaño del PCB en cuestión. Al incorporar los componentes de una placa en un PCB más pequeño, puede ser difícil encajar las piezas en su lugar y evitar problemas como trampas de ácido y problemas con el despeje de borde. El DFM ayuda a evitar estos problemas antes de que la placa vaya a producción.

Con la ingeniería DFM, fabricantes certificados inspeccionan el diseño de una placa de circuito para asegurar que sus medidas sean suficientes para los propósitos previstos del PCB. También examinan el diseño de la placa para asegurar que funcionará en sus entornos previstos. Por ejemplo, si la placa verá uso en maquinaria que genera tremendo calor, el diseño del PCB necesitará incorporar componentes y elementos protectores que puedan soportar estas condiciones.

El proceso DFM también asegura que un diseño de PCB no recibirá aprobación para producción si no pasa una serie de pruebas de estándares. Por ejemplo, si un PCB falla fácilmente bajo un conjunto de condiciones de trabajo probables, el diseñador necesitará retrabajar la placa con componentes adicionales hasta que pueda manejar las tareas de sus dispositivos correspondientes.

En la producción de PCB, los principios de DFM van de la mano con el diseño para fabricación (design for fabrication), que cubre los problemas de fabricación y cómo se aplica a un PCB.

Revisiones DFM de Millennium Circuits Limited

Cuando se trata de inspecciones de diseño y pruebas de cumplimiento, debe buscar la entrada de un tercero objetivo y calificado. En Millennium Circuits Limited, realizamos análisis DFM en diseños y prototipos de PCB para identificar defectos y otros problemas. Contacte a MCL hoy para saber cómo podemos ayudarle a mejorar sus PCB antes de ponerlos en producción.