22 Resolvíveis Design Problemas no fabrico de placas de circuito impresso e Referência para a Análise de DFM
Durante a fase de planeamento de um novo projeto, as empresas de todos os tipos costumam concentrar-se nos aspetos técnicos e financeiros da produção em série de placas de circuito impresso (PCB). Neste processo, os custos de fabrico das placas de circuito impresso devem ser minimizados e as alterações ao projeto devem ser evitadas, caso contrário, as margens de lucro serão afetadas. Para evitar revisões, os engenheiros devem conceber meticulosamente o layout da placa de circuito impresso, de modo a garantir um processo Processo de fabrico de placas de circuito impresso. Após receberem os dados CAM, os fornecedores corrigem frequentemente pequenos erros, o que acarreta custos e tempo adicionais. Este artigo resume 22 aspetos relacionados com o Design for Manufacturing (DFM) que podem melhorar o fabrico de placas de circuito impresso (PCB), ajudando os designers de produto, engenheiros e gestores de compras a analisar rapidamente potenciais problemas de fabrico nos atuais projetos de conceção de PCB.
O que é o DFM num PCB?
DFM significa «Design for Manufacturability» (Conceção para a Fabricabilidade). É um tema que ajuda a reduzir os problemas de fabrico. Nas regras de conceção, definimos distâncias de segurança e tolerâncias. Por isso, no DFM de PCB, preparamos a placa para aplicações no mundo real. As tolerâncias devem corresponder ao sistema real. Durante a fase de layout da PCB, os projetistas seguem uma lista de verificação de DFM para PCB. Este processo ajuda a otimizar o projeto da PCB para a fase de fabrico. Reduz os custos e garante a qualidade, além de servir como um lembrete para que os projetistas sigam as verificações de DFM sempre que pretendam fabricar um projeto. O DFM de PCB é um componente essencial do trabalho em equipa multifuncional e da colaboração com equipas na cadeia de abastecimento, sendo também parte integrante do processo global de conceção do produto.
22 perguntas sobre o desenho de placas de circuito impresso e referências sobre análise DFM
A seguir, apresentamos 22 erros de conceção de PCB que podem ser evitados antes do fabrico, resumidos pela equipa de engenharia da Geyuan Electronics. Como engenheiros, todos nós já passámos por esta situação: depois de concluirmos meticulosamente um projeto e de terminarmos a placa, enviamos-a para prototipagem, apenas para descobrir, quando a amostra chega, que todos os nossos esforços foram em vão. Os problemas específicos com a placa podem estar relacionados com o projeto ou com o fabrico. É claro que muitos problemas podem ser evitados antes do fabrico. O nosso resumo dos 22 erros evitáveis no projeto de PCB pode ajudá-lo a construir PCBs eficientes e sem defeitos.
1. Documentos de conceção incompletos e inválidos
Quer se trate de um ficheiro Gerber, ODB++ ou BOM, os ficheiros de entrada contêm informações cruciais, tais como imagens das camadas, lista de materiais, contornos das placas, listas de ligações IPC, desenhos de referência e ordem das camadas. Qualquer confusão nas especificações pode causar problemas em fases posteriores. Por conseguinte, todos os documentos obrigatórios devem ser revistos antes do envio para produção.
2. Material de substrato inadequado
Alguns circuitos requerem materiais especiais, dependendo da sua função. Por exemplo, os substratos comuns não conseguem lidar bem com sinais de alta frequência. Nesses casos, os fabricantes têm de analisar os requisitos relativos aos materiais e selecionar os materiais adequados para o substrato da placa de circuito impresso (PCB) logo nas fases iniciais.
3. Largura inadequada do cabo
As pistas de cobre ligam todos os componentes de um circuito. Quaisquer defeitos nas pistas podem provocar curto-circuitos, distorção do sinal e sobreaquecimento. A capacidade de condução de corrente de um condutor (pista) aumenta com a sua largura. Se uma corrente mais elevada circular pela pista, será dissipado mais calor, o que provocará o sobreaquecimento da placa. Por conseguinte, otimize a largura do condutor de acordo com os requisitos do seu circuito e certifique-se de que a largura do traço na camada exterior se mantém acima de 4 mil. Pode utilizar ferramentas online para otimizar a largura do traço, a capacidade de corrente e o aumento de temperatura.
4. Espaçamento inadequado entre os cabos
Certifique-se de que o espaçamento entre condutores não seja sacrificado em prol de um layout de circuito mais compacto, uma vez que um espaçamento insuficiente entre as pistas pode provocar descargas elétricas e interferências. Deve seguir as diretrizes padrão e garantir uma distância suficiente entre os condutores. Tal como acontece com a largura das pistas, pode utilizar uma calculadora de espaçamento entre condutores e tensão para determinar o espaçamento ideal entre os condutores.
5. Coletor de ácido
Durante o traçado, se alguma pista formar um ângulo agudo (inferior a 90°), será criada uma armadilha de ácido. Durante a gravação, o ácido residual pode ficar retido na curva, levando a uma gravação excessiva da pista. As armadilhas de ácido podem ser evitadas em Conceção de placas de circuito impresso evitando curvas de ângulo agudo durante o fresamento.
6. Distância insuficiente entre o traço ou o orifício de perfuração e a borda
Deve manter um espaçamento ideal entre as bordas e os traços no layout do seu circuito. Se reduzir o espaço por qualquer motivo, os condutores externos podem ser parcialmente rasurados ou cortados durante a desmetalização. Um espaçamento insuficiente entre o cobre e a borda da placa de circuito pode resultar em cobre exposto e rebarbas nas bordas.
7. Erro no processo de perfuração
Em placas de circuito impresso (PCBs), os fabricantes perfuram orifícios para diversos fins, tais como vias, alinhamento e colocação de componentes. A perfuração é um processo irreversível e qualquer perfuração desnecessária pode comprometer o seu projeto. Outros fatores a ter em conta incluem o tamanho, o espaçamento, a relação de aspecto, o número de orifícios na placa e o tipo de máquina (laser/mecânica). Erros comuns que afetam a perfuração incluem anéis de furo e distância insuficiente entre a broca e o cobre.
8. Defeitos do anel
O anel anular liga o via ao traço. Se o diâmetro do anel anular for insuficiente, irá interromper o fluxo de sinal entre o condutor e o via. Os orifícios perfurados podem ter uma tolerância de ±2 mils; por isso, quando esta é inferior a 2 mils, o anel anular pode partir-se. Isto resultará num circuito aberto. Além disso, um anel anular insuficiente para o orifício de um componente pode conduzir a juntas de solda de má qualidade após a montagem.
9. erro na máscara de soldadura
A máscara de solda numa placa de circuito impresso (PCB) protege a superfície contra a contaminação e isola as ligações. Os fabricantes deixam áreas expostas (pés e almofadas) para a colocação dos componentes durante o processo de soldadura. Se não houver uma distância adequada entre a abertura da máscara correspondente à via e a abertura do componente adjacente, podem formar-se pontes de solda durante a montagem, o que resulta em juntas de solda de má qualidade e em ineficiência. Por conseguinte, deve ser mantida uma camada adequada de máscara de solda entre a abertura do via e a abertura do componente adjacente. Por outro lado, uma camada inadequada de máscara de solda pode causar furos de solda, expondo o cobre à corrosão.
10. Cobre e revestimento resistente à solda
As tiras de cobre são segmentos finos de cobre residual, frouxamente ligados, formados durante a fase de impressão. Durante a galvanoplastia, estas tiras frouxamente ligadas podem soltar-se e cair na solução de galvanoplastia. Estes fragmentos de fotorresistência podem depositar-se em qualquer ponto da placa de circuito, causando curto-circuitos. Simultaneamente, as áreas onde o fotorresistente é removido podem resultar na presença indesejada de cobre na placa de circuito, afetando potencialmente a sua funcionalidade. As tiras da máscara de solda são formadas durante o processo de imagem da máscara de solda, mantendo a camada da máscara de solda no lugar para impedir a formação de pontes de solda. Quando a barreira tem menos de 4 mils, estas barreiras com ligação fraca podem potencialmente transformar-se em tiras e ser removidas durante a fase de revelação.
11. dissipador de calor
O processo de soldadura gera calor excessivo, o que pode danificar a placa de circuito. Para evitar isso, é necessário utilizar almofadas térmicas em quantidade suficiente. As almofadas térmicas são constituídas por pequenos raios de cobre, denominados “placas térmicas”, que auxiliam na condução do calor. Se estas placas térmicas estiverem desligadas dos pontos de soldadura ou do plano de soldadura, são designadas por «placas térmicas com deficiência de calor». Um número insuficiente de placas de calor resulta numa condutividade térmica deficiente e provoca o sobreaquecimento da placa de circuito.
12. Erro de serigrafia
A serigrafia é realizada numa fase avançada do processo de fabrico. Se a serigrafia se sobrepor a pontos de contacto, superfícies da placa de circuito impresso, orifícios, etc., pode causar problemas durante a montagem. Por exemplo, se a serigrafia for aplicada nos pontos de contacto, pode derreter e infiltrar-se nas juntas de solda, criando descontinuidades.
13. Conceção de placas de circuito impresso orientada para a montagem
O Design for Assembly (DFA) faz a ponte entre a visão do projetista e a realidade do processo de produção. É necessário verificar a disponibilidade e o posicionamento dos componentes; o DFA pode ajudar a simplificar o layout da placa de circuito impresso (PCB), reduzindo os custos globais do projeto e a probabilidade de falhas no projeto. .
14. Ineficácia dos dados
À semelhança do DFM, deve verificar todas as fichas técnicas básicas e os parâmetros-chave, tais como as dimensões da embalagem, os dados XY, as especificações DNI, os dados SI e os números de peça, antes de o projeto entrar no processo de montagem. Isto ajudará a evitar correções e confirmações posteriores.
15. Escolher o componente errado
A escolha dos componentes afeta o processo de montagem. Por exemplo, os componentes de furo passante exigem processos de fabrico mais complexos em comparação com a tecnologia de montagem em superfície (SMT). Por isso, é melhor utilizá-los apenas quando necessário. Opte sempre por componentes padrão em vez de componentes personalizados, uma vez que os elementos padrão estão facilmente disponíveis junto de vários fornecedores. As peças personalizadas, por outro lado, são frequentemente inadequadas para a produção em grande volume e aumentam os custos, pois só podem ser adquiridas junto de fornecedores selecionados.
16. Disponibilidade de componentes
Antes de criar uma lista de materiais (BOM), deve sempre confirmar-se a disponibilidade dos componentes. Se o stock for insuficiente, deve estar preparado para utilizar componentes alternativos de diferentes fornecedores. Atualmente, existem muitos sites disponíveis para consultar os materiais da BOM, que fornecem informações sobre os materiais e alertas de falta de stock.
17. Embalagem incorreta do objeto
A Lista de Materiais (BOM) especifica todos os componentes necessários para montar a placa de circuito. Se as dimensões dos componentes especificadas na BOM não corresponderem aos dados do software de CAD, será difícil concluir o circuito. Isto causará dificuldades significativas nas linhas de montagem automatizadas. Corrigir esta situação será demorado e dispendioso. Por conseguinte, as dimensões dos componentes devem ser cuidadosamente verificadas durante a fase de conceção.
18. Espaçamento insuficiente entre os componentes
Um espaçamento insuficiente durante a colocação dos componentes pode levar à sobreposição dos mesmos e à formação de pontes de solda. Assegurar um espaço livre adequado entre os componentes também facilita a soldadura manual e o retrabalho. Preste especial atenção ao espaçamento de componentes sensíveis, tais como QFP/QFN, POP ou BGA. Por vezes, os elementos são colocados muito próximos uns dos outros para se obter um formato mais compacto. É aconselhável seguir as diretrizes de espaçamento para garantir tolerância zero no espaçamento entre componentes.
19. Espaço insuficiente entre os componentes e as bordas
Após a montagem, o painel é submetido a um processo de separação. Durante este processo, os componentes nas extremidades das placas de circuito terão de suportar tensões elevadas que poderão danificá-los. Por conseguinte, deve ser garantido um espaçamento suficiente entre os componentes e as bordas. Além disso, as opções de espaçamento variam consoante o processo de montagem. Na montagem manual, em comparação com a montagem automatizada, é possível colocar as unidades mais próximas das bordas.
20. Tamanho e espaçamento incorretos das pastilhas
A escolha de pads de dimensões mais pequenas pode resultar em juntas de solda de má qualidade nos componentes SMT e pode até levar à quebra quando aplicada a componentes de furo passante. Tornar o tamanho do pad o maior possível provavelmente não é a solução. Pads mais largos ocupam mais espaço e podem fazer com que os componentes SMT se desloquem das suas posições durante a soldadura. À semelhança do tamanho das pastilhas, o espaçamento entre elas não deve ser nem demasiado próximo nem demasiado afastado, uma vez que pode causar problemas durante a colocação dos componentes.
21. erro de serigrafia
A camada de serigrafia contém uma grande quantidade de informações importantes. Entre os exemplos incluem-se as marcações de orientação dos componentes, as marcações do pino 1, as marcações de polaridade, as marcações do cátodo e assim por diante. Se estes detalhes estiverem em falta ou forem pouco claros, a fábrica de montagem perderá tempo a verificar os dados corretos. Na pior das hipóteses, se a polaridade ou outros dados estiverem impressos incorretamente na serigrafia e o montador instalar os componentes de acordo com esses dados, a placa de circuito poderá apresentar avarias. É necessário garantir que a serigrafia está legível antes do início da montagem.
22. Erro de temperatura elevada
Os fabricantes devem ter cuidado durante o processo de soldadura, uma vez que este gera calor excessivo que pode danificar a placa de circuito impresso. É fundamental controlar o calor gerado durante este processo. Deve-se disponibilizar almofadas térmicas suficientes para uma dissipação eficaz do calor. As diretrizes de DFM e DFA podem ajudá-lo a evitar alguns problemas de conceção de PCB e a minimizar o impacto de erros de conceção. Existem várias ferramentas de projeto DFM disponíveis no mercado, e eu próprio experimentei algumas que considerei bastante boas. Pode escolher uma que se adapte às suas necessidades.
O papel principal do DFM no projeto de placas de circuito impresso
O DFM é um processo essencial para o fabrico de produtos PCB de alta qualidade. Só após uma boa análise de fabricabilidade é que se podem produzir produtos que cumpram os requisitos de conceção, garantindo assim a qualidade do produto final. A seguir, apresentamos o papel do DFM na conceção de PCB.
Garantir a viabilidade de fabrico
Verifique se o projeto está em conformidade com as capacidades físicas e as limitações de processo do equipamento de produção (tais como linhas de gravação, máquinas de perfuração, máquinas de montagem «pick-and-place», fornos de refluxo, AOI, etc.) (tais como largura/espaçamento mínimo das linhas, diâmetro mínimo dos orifícios, tamanho dos pads, largura das pontes da máscara de solda, etc.).
Melhorar o rendimento da produção
Identificar e corrigir potenciais problemas no projeto que possam conduzir a defeitos de fabrico (tais como espaçamento insuficiente, propício a curto-circuitos; traços frágeis, propensos a quebras; projetos de pads propensos ao efeito «tombstone»; e espaçamento excessivamente reduzido entre os pacotes, que pode causar pontes de solda), reduzindo assim o desperdício e o retrabalho no processo de produção.
Reduzir os custos de produção
A redução de produtos com defeito e de retrabalho significa menos desperdício direto de materiais e mão-de-obra. Um projeto otimizado facilita a utilização de materiais, aberturas e dimensões normalizadas, evitando o recurso a processos especiais ou dispendiosos. Facilita igualmente a produção automatizada e melhora a eficiência da produção.
Reduzir o ciclo de lançamento de produtos
Resolver os problemas de fabrico numa fase inicial do processo de conceção reduz significativamente os atrasos na produção causados por alterações ao projeto, permitindo que os produtos sejam lançados no mercado mais rapidamente, logo na fase de conceção.
Melhorar a fiabilidade do produto
Ao evitar falhas de conceção que possam conduzir a potenciais problemas (tais como pontos de concentração de tensão térmica, má dissipação de calor e vias com resistência mecânica insuficiente), é possível melhorar a estabilidade e a fiabilidade a longo prazo do produto final.
Promover a colaboração entre o departamento de conceção e o de produção
A introdução de regras de fabrico e da experiência adquirida numa fase inicial do processo de conceção facilita uma comunicação mais fluida entre as equipas de conceção e de fabrico, reduzindo os problemas decorrentes da assimetria de informação.
Reduzir o número de iterações de projeto
A análise DFM permite identificar um grande número de potenciais problemas de fabrico durante a fase de conceção (mesmo antes da fabricação da placa de circuito impresso), permitindo aos engenheiros de conceção efetuar alterações atempadas e evitando o moroso processo de envio dos projetos aos fabricantes para revisão, como acontece no modelo tradicional.
Melhora significativamente a taxa de sucesso da primeira produção.
Um projeto otimizado com DFM apresenta uma elevada taxa de sucesso na sua primeira fase de produção, reduzindo significativamente o risco de falhas na produção em massa decorrentes de falhas de projeto.
Melhorar significativamente a taxa de rendimento da produção
Este é o benefício económico mais direto. Evitar defeitos comuns, tais como curtos-circuitos, circuitos abertos, soldaduras de má qualidade e «tombstoning», aumenta significativamente a proporção de placas de circuito impresso (PCB) qualificadas produzidas em relação ao total de material utilizado. A melhoria do rendimento traduz-se diretamente em custos mais baixos.
Reduzir eficazmente os custos unitários de produção
Menos desperdício de material (menos produtos com defeito), maior tempo de funcionamento do equipamento (funcionamento mais fluido da linha de produção), menores custos com retrabalho e maior facilidade em obter descontos por volume.
Otimizar processos e melhorar a eficiência da produção
Por exemplo, um projeto adequado facilita a montagem da placa e maximiza a utilização do material; a disposição e a orientação adequadas dos componentes ajudam as máquinas de montagem de alta velocidade a atingirem um desempenho ideal; a distribuição uniforme do cobre e as camadas de cablagem equilibradas ajudam a controlar a deformação da placa.
Aumentar a fiabilidade do produto e reduzir as avarias pós-venda (reduzir a taxa de avarias no terreno).
A eliminação de falhas de conceção, tais como problemas de gestão térmica, riscos de compatibilidade eletromagnética (EMC) e pontos de tensão mecânica, torna os produtos mais duradouros nas instalações dos clientes, reduzindo os custos de manutenção e as perdas de reputação da marca.
Promover a normalização dos processos
As normas de DFM (Conceção, Fabrico e Equipamento) podem, muitas vezes, ajudar as empresas ou os fornecedores a desenvolver um conjunto unificado de regras de conceção e fabrico, bem como normas de inspeção, melhorando assim o nível geral de conceção e fabrico.
Fabricantes de placas de circuito impresso (PCB) e fornecedores de serviços de montagem eletrónica (EMS) chave na mão
A Geyuan Electronics é um fabricante profissional de placas de circuito impresso (PCB) e fornecedor de serviços EMS, oferecendo serviços de fabrico de placas de circuito impresso, Montagem de placas de circuito impresso, fornecimento de componentes e soluções completas de fabrico de componentes eletrónicos. Produzimos placas de circuito impresso (PCB) multicamadas, PCB HDI, PCB de alta velocidade, PCB de RF e micro-ondas, PCB com cobre espesso, PCB cerâmicas, PCB de alumínio, PCB flexíveis e PCB rígido-flexíveis, desde a prototipagem até à produção em série. Contacte-nos para obter um orçamento do seu projeto, caso necessite de qualquer tipo de PCB.
Conclusão
Só através da análise de Design for Manufacturing (DFM) é possível produzir produtos PCB de verdadeira alta qualidade. Isto aplica-se quer o projeto seja para um projeto simples, quer para uma placa de circuito industrial complexa e de alta velocidade. Ter o DFM em mente em cada projeto de PCB trará inúmeros benefícios aos projetos pelos quais é responsável, além de beneficiar os projetistas e as futuras encomendas da empresa. Estes procedimentos controlam o processo de fabrico, reduzindo o custo global da produção de placas de circuito. Se necessitar de PCB de alta qualidade, contacte a equipa da Geyuan Electronics. Os nossos engenheiros e a nossa equipa de fabrico possuem uma vasta experiência no fabrico de todos os tipos de PCBs.