La fabricación de PCBs y sus implicaciones en el diseño

El diseño y la fabricación de PCBs son tareas llevadas a cabo por diferentes agentes. El diseñador de PCBs está encargado de generar la documentation que el fabricante usa para la manufactura. El objetivo del diseñador es producir un diseño que sea factible para la fabricación, es decir, el diseño debe estar dentro de las capacidades y tolerancias de producción de su proveedor. Este objetivo debe estar presente durante todas las fases de diseño de PCBs.

La fabricación es un proceso complejo que implica multitud de pasos. Cada uno de estos pasos tiene unos parámetros y tolerancias específicas que el diseño debe cumplir. Además, este proceso suele variar ligeramente en función del fabricante. Es por ello que el diseñador debe familiarizarse con el proceso de fabricación en términos generales y conocer las particularidades de su fabricante.  

Etapas en la fabricación de un PCB de cuatro capas. Fuente

 

Los fabricantes definen unas capacidades y tolerancias de fabricación estandares para su proceso. Cualquier desviación de este proceso estándar requerida por el diseño tendrá un coste extra. Por ejemplo, si un fabricante tiene su línea de producción configurada para un acabado superficial tipo HASL (Hot Air Solder Leveling) y el diseño requiere un acabado tipo ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), el fabricante tendrá que subcontratar este proceso externamente lo que significará un incremento en el coste y un mayor plazo de entrega. Una buena comunicación entre el diseñador y el fabricante durante todas las etapas del diseño es fundamental.

Extracto de las capacidades de fabricación de los fabricantes Lab-Circuits y Zubelzu
 

El revelado del cobre y la mínima distancia entre pistas

Uno de los principales pasos en la fabricación de PCBs es el revelado de las capas de cobre para formación de las pistas (paso número 8 en el diagrama anterior). Durante este proceso el PCB se sumerge en el líquido revelador y las áreas libres de película protectora son atacadas por el revelador. Este proceso produce pistas con una sección trapezoidal debido a que la parte superior de las pistas permanece más tiempo en contacto con el revelador que la inferior. El parámetro etch factor da una medida de la desviación respecto a una sección rectangular.

 

 
 
 

El calculador de impedancia incluído en Altium Designer permite definir el parámetro etch factor. El valor por defecto es Infinito (Inf), es decir se considera una sección de pista rectangular. Normalmente el valor real de etch factor es aproximadamente uno.

 

Para compensar esta desviación respecto a una sección rectangular el fabricante debe aumentar la base de la pista ( en la imagen anterior) para conseguir una sección equivalente. Al mismo tiempo ha de evitar cortocircuitos entre pistas adyacentes. Todo esto, junto a la resolución del proceso de revelado, define la mínima distancia entre pistas.

Muchos fabricantes definen una separación mínima de pista entorno a 0.1mm para un espesor de cobre de 17μm. Generalmente una distancia mínima de 0.2mm suele ser suficiente para la mayoría de diseños.

Definición de distancia mínima entre pistas de dos fabricantes. El primer fabricante define diferente distancias en función de la complejidad del PCB. Se aprecia que a medida que el espesor del cobre aumenta la distancia mínima también lo hace ya que el parámetro Etch Factor depende del espesor de la capa de cobre, .

Definición de la regla de diseño tipo Clearance para una distancia mínima de 0.2mm.
 

La tolerancia en el registro del taladrado, la metalización de agujeros y la corona de mínima.

Todos los agujeros en el PCB son producidos a través de un proceso de taladrado durante la fabricación (paso número 12 en el primer diagrama). Este taladrado suele ser mecánico aunque también existe un taladrado láser para las denominadas microvias. El taladrado mecánico, como cualquier proceso de fabricación, tiene una tolerancia de registro, es decir la posición real del agujero puede desviarse ligeramente de la posición nominal definida en el diseño. Esta desviación es la tolerancia en el registro del taladrado.


Tolerancia en el registro del taladrado según diferentes fabricantes

Si el agujero es metalizado, tras el proceso de taladrado hay una metalización electrolítica para metalizar el interior de estos agujeros. Esta metalización suele tener un espesor alrededor de 25μm. Además, la práctica habitual en el diseño de PCBs es definir el diámetro final de los agujeros metalizados, es decir el tamaño del agujero tras metalización. Por tanto, el fabricante debe usar un taladro ligeramente mayor (aproximadamente 0.25μm x 2 mayor) para permitir la metalización.

Una última consideración es la corona del agujero metalizado, es decir el tamaño del pad respecto al diámetro del agujero final.

 

 

Esta corona permite que, a pesar de la tolerancia en el registro del taladrado, el taladro se realice dentro del pad y conecte eléctricamente todas las capas. La regla general es una anchura mínima de corona de 0.127mm. Esta regla se encuentra dentro de las capacidades de los fabricantes.

Definición de corona mínima en capas externas e internas según diferentes fabricantes. De nuevo, el primer fabricante define diferente anchuras según la complejidad del PCB (la complejidad aumenta de izquierda a derecha).

Definición de la regla de diseño tipo Minimum Annular Ring igual a 0.127mm

 

Un diseño listo para fabricación

Estos son dos ejemplos de cómo las capacidades y las tolerancias de fabricación han de considerarse durante el diseño de PCBs. Es labor de diseñador crear las reglas de diseño necesarias para conseguir un diseño listo para fabricación.

 

Acerca del autor

Jesus Castane


Jesús Castañé es diseñador de PCBs para la compañía ARRIVAL donde desarrollan la futura generación de automóviles eléctricos y autónomos. Cuenta con 10 años de experiencia como diseñador de PCBs en diferentes industrias: telecomunicaciones, automoción y electrónica de consumo. Posee la certificación CID otorgada por IPC.

Jesus Castane works as a PCB Designer at ARRIVAL developing the next generation of Electric and Smart vehicles. He has 10 years of experience in different industries: RF, automotive and consumer electronics. He is CID certified by IPC.

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