Que es Diseño para Manufactura – DFM (Design for Manufacture)-Introducción

Uno de los aspectos que genera más errores, reprocesos, demoras y sobrecostos en el diseño de los circuitos Impresos PCB, es que el diseñador desconoce las características básicas de la fabricación y ensamble de un PCB, es decir las especificaciones para obtener un PCB fabricado, ensamblado (y mejor si es probado) sin errores.

1. Características básicas de los circuitos impresos PCBs:

DFM-Diseño para manufactura de circuitos impresos PCB

Muchas veces el diseñador sólo se preocupa por estas especificaciones, cuando termina el diseño, o lo peor, no se comunica con el fabricante, ANTES de enviar su diseño a producción, para no tener errores DURANTE o DESPUÉS de recibir el circuito impreso. Cuando el diseñador envía al fabricante su diseño, sin tener en cuenta lo anterior, pueden ocurrir 3 casos:

Caso 1: Que el fabricante no revise el diseño antes de ingresarlo a sus maquinas, y lo fabrique con defectos, o inservible (peor caso).

Caso 2: Que el fabricante revise el diseño y lo devuelva varias veces al diseñador, con las observaciones respectivas, luego modificar el diseño, y enviarlo varias veces hasta que este listo, sin errores, para su fabricación, con pérdidas de tiempo.

Caso 3: Que el fabricante revise el diseño y tenga que corregirlo, generando un costo, pero sin comunicarle al diseñador los cambios o mejoras que éste debe tener en cuenta para siguientes diseños, para aprender y mejorar sus habilidades de diseño, para una siguiente oportunidad.

Una conclusión rápida de cualquiera de los casos anteriores, es que el diseñador debería diseñar de acuerdo a la manufactura, para evitar no solamente pérdidas de tiempo y financieras, también de prestigio y reputación, o incumplir con sus clientes, o trabajos de Escuela, Universidad o Investigación, esto en el mundo se conoce como DISEÑO PARA MANUFACTURA.

La más simple recomendación y regla número 1 es comunicarse continuamente con el fabricante, antes, durante y después del proceso de manufactura, pues cualquier cambio tecnológico puede tener implicaciones en el proceso, ahorrando tiempo y costos.

En el desarrollo de productos electrónicos se han desarrollado reglas, técnicas, métodos, guías, buenas prácticas, recomendaciones para diseñadores, de manera que orienten su diseño, desde el inicio a la manufactura, o diseñen para la manufactura (DFM-Design for manufacture) para que este desde la planeación del diseño, y en todas las etapas, incorpore los lineamientos de diseño, y así:

Facilitar la manufactura, así como ahorrar costos, tiempos de proceso, retrabajos, daños y reparaciones.

Impactar en la robustez, confiabilidad o desempeño del producto en el campo de trabajo.

Ayudar a tener más rápido el producto para el cliente o usuario.

Adicionalmente, existe aparte del diseño orientado a la manufactura, también el Diseño para el Ensamble DFA (Design For Assembly), Diseño para Pruebas DFT (Design for Testing), Diseño para Confiabilidad DFR (Design for Reliability), Diseño para el Ambiente DFA (Design for Enviroment), Diseño para Costo DFC (Design for Cost), Diseño para Remanufactura y reuso DFMR (Design for Remanufacture), todo esto en ultimas conlleva al Diseño para la Excelencia DFE (design for X- excellence).

Lo anterior porque un 70% a 80% de estas decisiones de diseño impactan la manufactura y los costos. El diseño orientado desde el lado de la manufactura, ayuda al diseñador a balancear las restricciones de diseño y fabricación, para tomar las mejores decisiones o para obtener el producto que desea.

2. CONSIDERACIONES BÁSICAS DE DISEÑO PARA LA MANUFACTURA (DFM)

Dependiendo de los requerimientos del cliente, y el tipo de producto o clase de desempeño del mismo, es necesario contrastar y traducir estos, a las especificaciones de manufactura, que son las características técnicas que los manufacturadores están en capacidad de ofrecer, de acuerdo a sus máquinas, procesos, experiencia, para los PCB que nos van a fabricar, ensamblar o probar.

Básicamente nos ofrece especificaciones de dos tipos, estándar o comunes, y especiales o personalizadas.

Un ejemplo de ellas, tomadas de la empresa 4pcb.com:

3. Especificaciones estándar vs personalizadas de fabricación de PCB

¿Cuales especificaciones escogerías, estándar (normal) o custom (personalizadas)?

Estándar

Las especificaciones estándar son las de menor costo, siempre que nuestro diseño no esté obligado a tener especificaciones especiales o custom, debemos escoger estas, o si se tratara de un diseño de alta confiabilidad, como militar o médico, justificaría las especificaciones Personalizadas o Custom.

Custom o personalizadas

Las especificaciones Custom, son las más costosas, el diseño no lo requiere, no hay porque escogerlas. Según los requerimientos, el diseño es industrial, y no requiere especificaciones tan especiales.

4. Otras especificaciones básicas de diseño para manufactura son (relacionadas con la imagen de arriba):

N.	Descripción
1	Color de antisolder, o máscara (Solder Mask – LPI) Texto: Color de antisolder, o máscara, que cubrira la fibra de vidrio o lamina del PCB, que lo protegera de oxidación, el color tipico es verde, que es el más común y barato (dependiendo del fabricante). Además contrasta mejor con en screen blanco para facilitar el ensamble.
2	Color de screen de componentes o overlay (Legend) Text: El color de el screen, overlay, o mascara de componentes, permite identificar el lugar, ubicación y polaridad de cada componente que se ensamblara en el PCB. El color más común es Blanco, otros colores pueden costar más y tener problemas de contraste (visibilidad), con el antisolder, es decir un Antisolder negro con un screen azul oscuro no se recomienda, pues no se pueden leer los textos de éste último.
3	Ancho de pista (track width) con el que se fabricaran las pistas o caminos de cobre sobre el PCB, también el espaciamiento o distancia minima entre pistas, para que no se presenten cortos circuitos. Un PCB con pistas gruesas y amplio espacio entre ellas puede ocupar más área en un PCB y viceversa. A veces es necesario balancear el cobre sobre el PCB, distribuyendo uniformemente las pistas, para facilitar la manufactura. También el espaciamiento o distancia mínima entre pistas, para que no se presenten cortos circuitos. Distancias de menos de 8 ó 10 mils (0.2mm ó 0.254mm), son más caras. Se suelen usar reglas de mismo ancho/espaciamiento (witdh/spacing), para maximiza los canales de ruteo, esto es maximizar la densidad de pistas por área, usando el mismo ancho de pista y e mismo espaciamiento por ejemplo 10/10, significa 10 mils de ancho de pista y 10 mils de espaciamiento.
4	Mínimo tamaño de huecos (Min. Hole Size) Text: Los huecos, perforaciones, vías o huecos metalizados, permiten la conexión eléctrica de una capa a otra y también la inserción de componentes para ser soldados. Vías de menos de 16mils (0,016″), o 0.4 mm cuestan más, pero ocupan menos espacio, en PCB densos.
5	Espesor del PCB en pulgadas (Board Thickness), en este caso 1,5mm, 0,062″ pulgadas, es el más común. También hay de 0,5mm o 0.8mm para aplicaciones donde el espacio es crítico, o de 2.4mm para productos que sufren de estrés mecánico o requieren alta confiabilidad.
6	Tamaño del screen: el ancho del texto del screen debe estar alrededor de 0,2 mm y el ancho 1mm, aunque se puede especificar más pequeño, el texto perdería legibilidad y no podría ser fácilmente ensamblado.
7	Espesor del metalizado de cobre en onzas (Copper Weight), la hoja de cobre que esta sobre el PCB, en este caso 1 onza, más barata de 0.5 onzas, para aplicaciones de alta potencia o temperatura se usa de 2, 3 ó 4 onzas, o de alta confiabilidad, para conducir mejor la corriente y temperatura.
8	Area y forma del pcb (Size and Shape): Típicamente es rectangular, sin formas especiales, contornos o ruteos, es el más común y de menor precio. Las ranuras, slots, cortes (Slots/Cutouts/Edges) permiten dar formas especiales a los PCB para ser colocados en una caja especial, o por requerimientos especiales del cliente. Usualmente cuestan más, por tanto se recomienda que la forma del PCB sea rectangular, sin ningún corte especial, ranura o slot.
9	Numero de capas de un PCB (Layer Count):1 capa es la más economía, 2 es la más usada, multicapa requiere otras consideraciones de diseño, pero lo facilita y robustece. Para equipo médico o militar es fundamental.
10	Terminado del PCB (Plating Finish), proceso que se coloca un baño químico para protegerlo de la oxidación, entre los más comunes son HASL con plomo o libre de plomo, estaño de inmersión, oro-nickel electrolítico, OSP (Organic Surface Protecting), ENIG (Electroless nickel inmersión Gold). Para PCB con BGA se debe escoger un terminado muy plano (no HASL). Para duración y evitar la oxidaxión se puede usar HASL. Para mejorar la conductividad y evitar desgaste mecánico se suele usar ENIG. Para exportar a la Unión Europea : libre de Plomo.
11	Material con el que está hecho la lámina de un PCB (Materiales), el más común es FR-4 (flame retardant), el más barato es Fenólico (baquelita). Existen otros materiales como CEM, XPC. FR-6, Rogers, Isola, para aplicaciones de alto desempeño o confiabilidad.