Guia completo para a conceção de PCB para fabrico (DFM)

No domínio do desenvolvimento de placas de circuitos impressos, a análise da integridade do sinal (SI), da compatibilidade electromagnética (EMC) e da integridade da potência (PI) capta frequentemente a atenção principal dos engenheiros. No entanto, Conceção de PCB para a capacidade de fabrico (DFM) é igualmente crucial. Negligenciar este aspeto pode levar ao fracasso da conceção do produto, ao aumento dos custos e a atrasos na produção. A TOPFAST ajuda os clientes a identificar e resolver problemas de manufacturabilidade no início do ciclo de desenvolvimento do produto através de serviços profissionais de análise DFM.

O DFM de PCB bem sucedido começa com o estabelecimento de regras de conceção adequadas que devem ter em conta as capacidades de produção reais dos fabricantes. Este artigo explora os elementos essenciais do DFM para a disposição e o encaminhamento de PCB, permitindo aos engenheiros conceber placas de alta qualidade que satisfaçam os requisitos funcionais e a viabilidade de produção.

Pontos-chave para DFM no layout de PCB

1. SMT Especificações da disposição dos componentes

A qualidade da disposição dos componentes da tecnologia de montagem em superfície (SMT) tem um impacto direto na taxa de rendimento do processo de montagem:

• Requisitos de espaçamento dos componentes: O espaçamento geral dos componentes SMT deve ser superior a 20 mils, o dos componentes do tipo IC deve ser superior a 80 mils e o dos componentes do tipo BGA deve ser superior a 200 mils.
• Projeto de espaçamento de almofadas: O espaçamento das almofadas SMD deve ser superior a 6 mils, tendo em conta a capacidade geral da barragem da máscara de soldadura de 4 mils. Quando o espaçamento das almofadas SMD é inferior a 6 mils, o espaçamento da abertura da máscara de solda pode cair abaixo de 4 mils, impedindo a retenção da barragem da máscara de solda e levando a pontes de solda e curtos-circuitos durante a montagem.

2. DIP Considerações sobre a disposição dos componentes

Para componentes com tecnologia de orifício passante (THT/DIP), a disposição deve ter em conta os requisitos do processo de soldadura por onda:

• Um espaçamento insuficiente entre pinos pode levar a pontes de solda e curtos-circuitos.
• Reduzir ao mínimo a utilização de componentes com orifícios de passagem ou concentrá-los no mesmo lado da placa.
• Quando os componentes de furo passante estão na parte superior e os componentes SMT estão na parte inferior, isso pode interferir com a soldadura por onda de um só lado, exigindo potencialmente processos mais dispendiosos como a soldadura selectiva.

3. Distância segura entre os componentes e a borda da placa

• O equipamento de soldadura automatizada exige normalmente uma distância mínima de 7 mm entre os componentes electrónicos e o bordo da placa (os valores específicos podem variar consoante o fabricante).
• A adição de separadores de separação durante o fabrico da placa de circuito impresso permite que os componentes sejam colocados perto do bordo da placa.
• Os componentes na extremidade da placa podem colidir com os carris da máquina durante a soldadura automática, causando danos, e as suas almofadas podem ser parcialmente cortadas durante o fabrico, afectando a qualidade da soldadura.

4. Disposição racional de componentes altos e curtos

Os componentes electrónicos têm várias formas e tamanhos; uma boa disposição aumenta a estabilidade do dispositivo e reduz os danos:

• Assegurar um espaço suficiente à volta dos componentes altos para os componentes adjacentes mais baixos.
• Um rácio insuficiente entre a distância e a altura do componente pode levar a um fluxo de ar térmico irregular durante a soldadura, podendo causar juntas de soldadura deficientes ou dificuldades de retrabalho.

5. Espaçamento de segurança entre componentes

O processamento SMT deve ter em conta a precisão da colocação do equipamento e as necessidades de retrabalho:

• Espaçamento recomendado: 1,25 mm entre componentes de chip, entre SOTs e entre SOICs e componentes de chip.
• Espaçamento recomendado: 2,5 mm entre PLCCs e componentes de chip, SOICs ou QFPs.
• Espaçamento recomendado: 4 mm entre PLCCs.
• Ao projetar tomadas PLCC, certifique-se de que é reservado espaço adequado (os pinos PLCC estão localizados na parte inferior interna da tomada).

Elementos fundamentais do DFM para o encaminhamento de PCB

1. Estratégia de otimização da largura/espaçamento do traço

O projeto deve equilibrar os requisitos de precisão com as limitações do processo de produção:

• Design padrão: Largura/espaçamento do traço de 4/4 mils e vias de 8 mils (0,2mm) são produzidos por aproximadamente 80% dos fabricantes de PCBs ao menor custo.
• Design de alta densidade: A largura/espaçamento mínimo do traço de 3/3 mils e vias de 6 mils (0,15mm) podem ser produzidos por cerca de 70% dos fabricantes, a um custo ligeiramente superior.

2. Evitar traços agudos/angulares

• Os traços de ângulo agudo são estritamente proibidos no encaminhamento de PCB.
• Os traços em ângulo reto podem afetar a integridade do sinal ao criar capacitância e indutância parasitas adicionais.
• Durante o fabrico de PCB, podem formar-se "armadilhas de ácido" em ângulos agudos onde os traços se encontram, o que leva a uma gravação excessiva e a potenciais quebras de traços.
• Manter um ângulo de 45 graus nas curvas do traço.

3. Gestão de lascas e ilhas de cobre

• As grandes ilhas de cobre isoladas podem atuar como antenas, introduzindo ruído e interferências.
• Pequenas lascas de cobre podem soltar-se durante a gravação e deslocar-se para outras áreas gravadas, causando curto-circuitos.

4. Requisitos do anel anular para as brocas

A conceção do anel anular (o anel de cobre à volta de um furo) deve ter em conta as tolerâncias de fabrico:

• As vias requerem um anel anular superior a 3,5 mils por lado.
• Os pinos com furo passante requerem um anel anular superior a 6 mils.
• A insuficiência de anéis anulares pode levar à quebra de anéis e a circuitos abertos devido às tolerâncias de perfuração e de registo camada a camada.

5. Adicionar gotas de lágrima aos traços

O design em forma de lágrima aumenta a robustez das ligações dos circuitos:

• Evita que os pontos de ligação se partam quando a placa é submetida a um esforço físico.
• Protege as almofadas contra o desprendimento durante vários ciclos de soldadura.
• Evita fissuras causadas por gravuras irregulares ou por erros de registo.

A sinergia entre DFM e DFT

No fabrico de PCB, a conceção para a capacidade de ensaio (DFT) e a conceção para a capacidade de fabrico (DFM) são ambas fundamentais para o sucesso:

• DFT (Design for Testability): Centra-se em tornar os PCB fáceis de testar para detetar falhas, por exemplo, adicionando pontos de teste para verificações da integridade do sinal.
• DFM (Design for Manufacturability): Assegurar a otimização da conceção para uma produção e montagem eficazes.

A investigação indica que os ensaios podem representar 25-30% do custo total de produção de PCB, ao passo que as más escolhas de conceção podem aumentar as taxas de refugo de fabrico até 10%. A aplicação sinérgica de DFM e DFT ajuda efetivamente a reduzir estes custos.

Práticas integradas de DFT e DFM

1. Estratégia de colocação de componentes: Manter um espaçamento suficiente entre os componentes (por exemplo, pelo menos 0,5 mm) facilita a montagem (DFM) e garante um acesso desobstruído às sondas de teste (DFT).
2. Conceção do ponto de teste: A adição de pontos de teste para redes críticas (por exemplo, sinais de alta velocidade de 2,5 GHz) ajuda na deteção de falhas (DFT) e orienta os fabricantes no ajuste dos processos de montagem (DFM).
3. Normalização dos materiais: A utilização de materiais amplamente aceites (por exemplo, FR-4 com uma constante dieléctrica de 4,5) permite uma produção rentável (DFM) e assegura resultados de ensaio consistentes (DFT).

Principais diretrizes DFM para Fabrico de placas de circuito impresso

1. Otimização da largura e do espaçamento do traço

• Em geral, recomenda-se uma largura mínima de traço e um espaçamento de 6 mils para evitar a gravação excessiva ou curtos-circuitos.
• Os projectos de maior densidade podem utilizar traços mais estreitos, mas isso aumenta o risco e o custo de produção.

2. Utilização de tamanhos de componentes normalizados

• Prefira pacotes de componentes padrão como 0603 ou 0805.
• Os tamanhos não normalizados complicam a montagem e aumentam o risco de erros com equipamento automatizado.

3. Princípio da minimização da contagem de camadas

• Reduzir o número de camadas sempre que possível, satisfazendo simultaneamente as necessidades de desempenho (por exemplo, de 8 camadas para 6).
• Cada camada adicional aumenta o custo de fabrico e o tempo de produção.

4. Definição de tolerâncias realistas

• Evitar requisitos de tolerância demasiado rigorosos.
• A maioria dos processos padrão pode atingir uma tolerância de ±10%; especificações mais rigorosas aumentam significativamente o custo.

5. Marcações serigráficas transparentes

• Incluir etiquetas claras para os componentes, pontos de teste e marcações de polaridade.
• Manter uma altura mínima de texto de 0,8 mm para garantir a legibilidade após a impressão.

Métodos profissionais de inspeção e análise DFM

O serviço de análise DFM da TOPFAST avalia de forma abrangente os projectos de PCB em relação aos parâmetros do processo de produção:

• Análise de placas de circuito impresso: 19 grandes categorias, 52 regras de inspeção pormenorizadas.
• Análise de montagem PCBA: 10 grandes categorias, 234 regras de inspeção pormenorizadas.

Estas regras de inspeção cobrem essencialmente todos os potenciais problemas de manufacturabilidade, ajudando os engenheiros de design a identificar e resolver os desafios DFM antes do início da produção.

Fundamentos do processo de PCB e fluxo de fabrico

Compreender a estrutura da placa multicamada

As placas de circuito impresso são classificadas como de face simples, dupla face ou multicamadas. As placas multicamadas são constituídas por folha de cobre, pré-impregnado (PP) e laminados de núcleo:

• Tipos de folha de cobre: Laminado recozido (frequentemente utilizado para placas flexíveis), Electrodepositado (frequentemente utilizado para placas rígidas).
• Conversão da espessura: 1 OZ = 35μm (OZ é uma unidade de peso). O cobre de 1/2 onça é normalmente utilizado para as camadas exteriores.
• Tecnologias de base para placas multicamadas: Conceção de empilhamento e processos de perfuração.

Fluxo de fabrico de placas multicamadas

1. Fabrico da camada interior: Essencialmente um processo de placa de uma face que envolve exposição UV, revelação e gravação.
2. Estratificação / laminação: As folhas de cobre, PP e núcleo são alinhadas e prensadas sob calor para formar uma estrutura multicamada.
3. Perfuração / galvanização: Criação de vias (passantes, cegas, enterradas) para estabelecer ligações eléctricas entre camadas.
4. Máscara de solda / Acabamento de superfície: Aplicação da máscara de solda para proteger as camadas exteriores de cobre, seguida da abertura da máscara de solda e da aplicação do acabamento da superfície.

Ficheiros de design essenciais

O desenho da placa de circuito impresso requer a preparação de quatro ficheiros-chave:

• Desenho de fabrico/desenho de contorno (formato DXF para contorno mecânico).
• Lima de broca / lima de broca NC (para fazer furos).
• Ficheiros Gerber / Ficheiros de fotoplotagem (dados para gráficos de camadas, dimensões e posições).
• Ficheiro Netlist (define a conetividade do sinal para os traços das camadas).

Conceção de PCBA e encaminhamento de processos

• Soldadura por Refluxo: Utilizado principalmente para componentes SMT.
• Soldadura por onda: Normalmente utilizado para componentes com orifícios de passagem.
• Conceção do itinerário do processo: Seleção da combinação adequada de processos de soldadura com base nos tipos e na distribuição dos componentes.

Conclusão: O valor estratégico do DFM no desenvolvimento de PCBs

A conceção de PCB para fabrico evoluiu de uma mera consideração de produção para um elemento estratégico fundamental para o sucesso do produto. Ao integrar os princípios DFM no processo de design, as empresas podem reduzir significativamente os custos de produção, melhorar a qualidade do produto e encurtar o tempo de colocação no mercado. A TOPFAST recomenda a introdução da análise DFM no início do ciclo de vida do projeto para garantir uma integração perfeita entre a intenção do design e a realidade do fabrico, conseguindo, em última análise, uma produção de PCB eficiente, económica e de alta qualidade.

A análise DFM profissional actua como uma "verificação da qualidade do design", alinhando na perfeição os designs criativos dos engenheiros com as capacidades práticas do processo das fábricas, garantindo a produção de placas de circuito impresso que cumprem os requisitos das especificações e possuem uma excelente capacidade de fabrico.

Perguntas frequentes sobre PCB DFM

É essencial auditar e atualizar regularmente as suas bibliotecas de componentes em relação a Normas IPC e recomendações do seu fabricante/montador. A análise DFM do TOPFAST inclui verificações para esses problemas comuns de pegada de biblioteca.