Concesiones en costos de fabricación con placas de circuito impreso de material FR4

4x Panelized FR4 PCB with green solder mask

Mi naturaleza económica implica que tengo la tendencia de ser un consumidor lento. No voy muy a menudo a los centros comerciales, pero cuando voy, me paso mucho tiempo en pesar los costos y beneficios de dos pares distintos de pantalones vaqueros. Es posible que este comportamiento neurótico moleste a su cónyuge, pero vale la pena ser neurótico cuando debate cuál material y grosor de placa debe utilizar en su placa de circuito impreso.   

La mayoría de los diseñadores consideran que los costos de fabricación asociados con las placas de circuito impreso de FR4 son una consideración simple. Si duplico el grosor de mi tabla, idealmente debo doblar los costos de fabricación. Pero, una vez que se comienza a incluir las consideraciones del verdadero diseño, esta idea de duplicación no siempre es la adecuada. 

En cuanto a su fabricante de placas de circuito impreso, debe considerar muchas facetas de la placa de circuito para asegurarse que el cobre, máscara de soldadura y demás materiales son aplicados de manera correcta. No debe reducir los costos y efectividad de la fabricación de su placa de circuito impreso a causa de una falta de conocimiento; aprenda cómo fabricar su placa de circuito impreso con los materiales que usted desea. 

Costos de fabricación con material FR4

Los costos de fabricación para las placas de FR4 son una función lineal del grosor de la placa. Si usted aumenta el grosor de la placa, por lo general aumenta de manera proporcional los costos de fabricación. Una vez que usted comienza a tomar en cuenta la presencia de las vías en las placas multicapa, el número de capas presentes en la placa de circuito impreso, y los pasos de fabricación, es más difícil de formular declaraciones tan generalizadas sobre los costos de fabricación.

Agujeros de vías con una alta relación de aspecto requieren un tiempo más extenso de taladro y aumentan el desgaste del mecanizado sobre la mecha rebajadora. Las placas de circuito impreso, sobre todo las placas de circuito impreso multicapa, con un área más pequeña, también tienden a requerir que todas las vías tengan un diámetro disminuido para poder encajar el número exigido de conexiones. 

Ambos factores disminuyen el rendimiento total, lo que aumenta los costos de fabricación. Optar por una placa generalmente más delgada disminuye la relación de aspecto para un diámetro particular de una vía, y puede disminuir de forma global los costos de fabricación. Las placas más delgadas con ruteo de interconectores de alta densidad que son utilizadas en dispositivos móviles de alta velocidad precisan de una gran cantidad de vías. Los costos de fabricación aumentan de forma lineal con el número de vías en la placa.

El uso de una placa más delgada también puede cambiar los costos de fabricación, ya que es posible que la maquinaria automatizada de fabricación no se puede utilizar con las placas delgadas. Algunas máquinas de recogida y colocación pueden romper las placas delgadas con una gran superficie, y se tendría que utilizar una maquinaria más especializada con estas placas. Esto puede limitar sus opciones de fabricación, o quizá hasta puede requerir que las placas sean trasladadas por las instalaciones a mano, lo que aumenta sus costos de fabricación por cada placa.

Green PCB on an automatic pick and place machine

Máquinas de recogida y colocación pueden ser optimizadas para su proceso de fabricación

Costos y paneles

Su fabricante va a producir múltiples placas en paneles, por lo tanto, los diseñadores deben tomar en cuenta las dimensiones de sus placas y las capacidades de su fabricante antes de diseñar las placas de circuito impreso. El costo para producir un solo panel FR4 será fijo para un grosor y conteo de capas en particular. El esquema de paneles correcto puede aumentar el rendimiento de la placa, y así puede reducir el costo por placa. Considere el siguiente ejemplo simple:

Supongamos que usted calcula que su placa debe tener 12 pulgadas cuadradas de superficie para acomodar todos sus componentes. Su fabricante puede trabajar con paneles de 16 por 20 pulgadas. Si usted crea sus placas de 2 por 6 pulgadas, puede encajar un total de 21 placas en cada panel. Pero, si usted crea las placas de 3 por 4 pulgadas, ahora puede acomodar un total de 25 placas por panel. Si los requerimientos de factor de formas lo permiten, costaría menos producir las placas de 3 por 4 pulgadas.

Panelized PCBs prepared for assembly

Placas de circuito impreso en paneles, preparadas para el ensamblaje

Si las dimensiones de la placa y el factor de forma son requerimientos muy estrictos, otra alternativa al diseño que podría reducir los costos en el ejemplo anterior es de producir placas más delgadas de 2 por 6 pulgadas. Puede que esto no sea posible si su placa de circuito ya es bastante delgada y puede perder la oportunidad de ahorrar en los costos. El tomar en cuenta el potencial de sus materiales con respecto a la placa de circuito puede garantizar un mayor conocimiento de cómo abordar sus costos de fabricación de las placas de circuito impreso

Other Design Aspects That Affect Cost: FR4 Alternatives

La lista de los aspectos de diseño que pueden afectar el costo (con la excepción de la impresión de la leyenda) es muy larga para mencionar. En pocas palabras, todo aspecto de diseño tiene un efecto sobre el costo. Los aspectos de diseño que se relacionan particularmente al FR4 que afectan los costos de fabricación implican las propiedades del material del mismo FR4. Dado el uso universal del FR4, los fabricantes de materiales saben cómo modificar algunas de las propiedades importantes del material de FR4, aunque sea a cierto costo para los diseñadores de placas.

Ya que el FR4 puede volverse eléctrica y mecánicamente inestable en temperaturas superiores a la de la transición vítrea, optar por una placa más gruesa elaborada de un FR4 con alta temperatura de transición vítrea [Tg, por sus siglas en inglés] puede ser una mejor opción para los dispositivos que operan con altas temperaturas o que serán sometidos a un frecuente ciclo térmico. Puede que sus costos iniciales sean mayores, pero sus componentes electrónicos se lo agradecerán más adelante.

Las pérdidas en la radiofrecuencia no se aprecian en el FR4 hasta que se comienza a trabajar en el rango de frecuencia de GHz. En altas frecuencias (superiores a 2.4 GHz), el FR4 funciona con pérdidas y puede ser preferible utilizar un material de placa especializado. Obviamente, las mezclas especializadas de FR4 son más costosas y pueden ser preferibles en radiofrecuencias de baja potencia y las aplicaciones de alta velocidad

Se encuentran disponibles los materiales alternativos que son especializados con una alta temperatura de transición vítrea y bajas pérdidas de radiofrecuencias, aunque éstos son más costosos. Estos materiales especializados pueden costar aproximadamente 20% más que un FR4 estándar, pero se puede compensar el costo del material con el uso de una placa más delgada.  

La selección del grosor, la pila de capas, y el esquema de paneles para sus placas de FR4 crean varias concesiones de diseño. Pero si está buscando un software de diseño que es compatible con cualquiera de sus decisiones de placa y que le puede permitir tener una fácil comunicación con su fabricante, considere Altium Designer®. Altium Designer tiene potentes herramientas de diseño asistido por ordenador (CAD) y funciones de revisión de reglamentos que hace fácil diseñar su dispositivo al entorno del grosor correcto de placa.    

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