DFM Guia de análise para PCB e PCBA

Placas de circuito impresso (PCB) são a força vital da eletrónica moderna. No entanto, criar uma placa de circuito impresso (PCB) que funcione conforme pretendido é apenas parte da equação; garantir que possa ser fabricada de forma eficiente, fiável e económica é igualmente importante. É aqui que entra o Design para Fabrico (DFM) de PCB. Ao alinhar os seus projetos com as realidades da produção, o DFM minimiza Fabrico de placas de circuito impresso erros, reduz os custos e acelera o tempo de lançamento no mercado.

Além disso, para os engenheiros, as falhas de conceção que não são detetadas atempadamente podem traduzir-se em atrasos, retrabalho ou falhas do produto. Quer necessite de uma PCB simples de camada única ou de uma PCB complexa de várias camadas, a análise DFM pode transformar um esquema num projeto pronto para produção. Vamos aprofundar os detalhes e aprender como tornar o seu próximo projeto de PCB simultaneamente excecional e exequível.

O que é a análise DFM?

A análise de Concepção para a Fabricabilidade (DFM) garante que os projetos de placas de circuito impresso (PCB) possam ser fabricados de forma fácil e sem complicações. Ao examinar vários aspetos do projeto (incluindo o layout, a colocação dos componentes e as tolerâncias), identifica potenciais problemas durante a montagem e o fabrico. As verificações de DFM permitem detetar falhas de projeto que causam dificuldades de fabrico, garantir o cumprimento dos prazos de produção e reduzir o desperdício. O seu objetivo é tornar o processo de projeto e fabrico de PCBs o mais harmonioso possível, garantindo simultaneamente a conformidade com os requisitos funcionais e de fabrico.

A importância da análise DFM no fabrico de placas de circuito impresso

A análise de Design FM (Design for Manufacturing) é fundamental para garantir uma transição harmoniosa da fase de conceção para a produção. Eis algumas das principais vantagens do DFM na conceção de placas de circuito impresso (PCB):

Reduzir custos	O DFM permite identificar e resolver problemas de fabrico nas fases iniciais da conceção, reduzindo os erros de produção, o desperdício de materiais e o retrabalho, o que, por sua vez, diminui os custos globais de fabrico.
Aumentar o rendimento	Um bom projeto, que cumpra as normas de fabrico, pode melhorar o rendimento da produção, reduzir o número de placas com defeito e tornar o processo global de montagem mais eficiente.
Reduzir o prazo de entrega	Uma vez que a análise DFM garante que o projeto está pronto sem necessidade de grandes alterações, o tempo de fabrico é reduzido e o tempo de espera também diminui.
Melhorar a fiabilidade do produto	O DFM não só facilita o fabrico das placas de circuito impresso (PCB), como também garante o seu funcionamento fiável. Ao resolver potenciais problemas térmicos, elétricos e mecânicos, o DFM pode melhorar o desempenho e a durabilidade do produto final.

Análise de DFM antes da placa de circuito impresso e fabrico de PCBA

Depois de concluir a placa de circuito e de a enviar ao fabricante para produção, o fabricante deverá utilizar o seu ficheiro Gerber final para realizar a sua própria análise de compatibilidade entre projeto e fabrico (DFM). Note que utilizo “deveria”, porque nem todos os fabricantes o fazem; para alguns, assim que carregar o seu ficheiro Gerber, irão, sem dúvida, produzir a placa de circuito exatamente como indicado nos seus documentos de fabrico. Para outros, terá de solicitar explicitamente este nível de serviço, uma vez que diferentes níveis de serviço podem ser oferecidos apenas como um serviço adicional. Assim que tiver a análise DFM do fabricante, irá observar vários resultados em duas áreas: verificações de conformidade para a capacidade do processo e verificações de requisitos específicos do setor.

Verifique as dimensões das características com base nas capacidades do processo.

Quando enviar os seus documentos de projeto ao fabricante e este realizar uma análise de DFM, é provável que veja muitos resultados relativos a verificações de espaço livre. O fabricante já deverá ter verificado as áreas acima referidas, mas também precisa de comparar as dimensões dos seus elementos e os espaços livres com as suas capacidades de fabrico. Mesmo que já tenha realizado este processo com os ficheiros Gerber iniciais quando enviou o seu pedido de orçamento, é melhor repeti-lo, pois pode ter-lhe escapado algum pormenor.

Pontos-chave da análise de DFM (Design for Manufacturing) para PCB e PCBA

Análise de «Design for Manufacturing» (DFM) de PCB (placas de circuito impresso) e PCBAs (placas de montagem) permite identificar e corrigir incompatibilidades entre o projeto e o processo antes da geração dos ficheiros da placa e de montagem em superfície, reduzindo assim os custos de produção e melhorando o rendimento.

Pontos-chave de inspeção para o DFM de placas de circuito impresso (PCB) em bruto

Largura/Espaçamento das linhas	Verifique se os fios estão abaixo da capacidade máxima de processamento da fábrica (por exemplo, menos de 3 mil/3 mil) para evitar circuitos abertos causados por fios de cobre excessivamente finos ou curto-circuitos causados por um espaçamento excessivamente reduzido.
Dimensão do orifício e anel anular	Confirme o diâmetro da via, o tamanho da pastilha e a margem do orifício para garantir um apoio suficiente do anel de cobre após a perfuração, de modo a evitar a ruptura do orifício.
Máscara de solda barragem	Verifique a largura da máscara de solda entre os pads para evitar curto-circuitos causados pela formação de pontes de solda durante a soldadura.
Distância entre o cobre e a borda	Mantenha uma distância de segurança (normalmente ≥ 0,3 mm) entre o padrão de cobre e a borda da placa de circuito impresso, para evitar que o cobre fique exposto ou que se verifiquem curto-circuitos durante a fresagem.

Montagem de PCBA (DFA) – Principais pontos de inspeção

Folga dos componentes	Verifique o espaçamento entre os componentes altos (tais como condensadores eletrolíticos e transformadores) e os componentes pequenos circundantes, para evitar interferências durante a colocação SMT ou efeitos de sombreamento durante a soldadura por onda.
Correspondência entre pinos e almofadas	Verifique se o tamanho das pastilhas de montagem superficial (SMD) está em conformidade com a norma IPC. As pastilhas demasiado grandes podem facilmente causar o deslocamento dos componentes (efeito Manhattan), enquanto as pastilhas demasiado pequenas resultam numa quantidade insuficiente de solda.
Panelização e bordas de processo	Avalie o método de painelização da placa de grandes dimensões (corte em V ou furos estampados) e reserve uma margem de processo (normalmente ≥ 5 mm) na borda da placa para cumprir os requisitos das pistas SMT.
Marcações de direção e polaridade	Certifique-se de que a serigrafia em componentes polarizados, tais como díodos, circuitos integrados e condensadores eletrolíticos, seja nítida e sem obstruções, facilitando a produção e a inspeção manual.

Processo de revisão do DFM e etapas de implementação

Preparações preliminares	Exportar ficheiros Gerber padrão, ficheiros de coordenadas (centróide) e listas de materiais (BOM).
Carregamento de regras	Importar os parâmetros do processo da fundição parceira para um software profissional de DFM (como o Altium 365 ou o Siemens PADS).
Análise por software e revisão manual	Executar verificações automáticas de erros e realizar otimizações manuais em itens de alto risco (tais como defeitos do tipo «tombstone» e juntas de solda de má qualidade).
Gerar relatório	Só daremos início à produção depois de corrigirmos todos os erros críticos e graves.

Orientações detalhadas para a inspeção de DFM em projetos de PCB ou PCBA

Seguem-se algumas orientações detalhadas para a análise da fabricabilidade em projetos de PCB e PCBA, resumidas pela equipa de engenharia da Geyuan Electronics. Quanto mais abrangente for a análise da fabricabilidade, menor será o risco de surgirem problemas no projeto.

Análise de linhas

Largura mínima da linha	Ao conceberem os esquemas de placas de circuito impresso (PCB), os engenheiros devem ter em atenção a largura das pistas. A largura das pistas está relacionada com a capacidade de condução de corrente. Se a largura da pista for demasiado pequena, a corrente será demasiado elevada e a pista ficará queimada.
Espaçamento mínimo	O espaçamento no traçado da placa de circuito impresso deve ser o mais amplo possível. O espaçamento mínimo deve ser suficiente para suportar a tensão. Quando a densidade do traçado é baixa, o espaçamento entre as linhas de sinal pode ser adequadamente aumentado. Um espaçamento reduzido entre diferentes linhas de sinal pode causar interferência cruzada.
Espaçamento dos componentes SMD	SMD refere-se aos pontos de montagem em superfície. Se os dois pontos de um mesmo dispositivo estiverem muito próximos um do outro, a soldadura pode provocar um curto-circuito entre os dois pontos. Da mesma forma, se dispositivos diferentes estiverem muito próximos uns dos outros, a soldadura entre redes diferentes também pode provocar curto-circuitos.
tamanho da área de soldadura	O tamanho das áreas de soldadura afeta o processo de soldadura. Por exemplo, áreas de soldadura pequenas nos componentes em chip podem resultar numa soldadura de má qualidade, enquanto áreas de soldadura demasiado grandes podem fazer com que o componente fique descentrado ou tombado.
Malha de cobre	Para melhorar o desempenho da dissipação de calor da placa de circuito impresso e evitar que a camada de resistência à soldadura se descasque, a folha de cobre foi concebida com um padrão em grelha. O pequeno espaçamento entre as malhas e a largura das linhas apresentam alguns desafios de fabrico.
Tamanho do anel do orifício	Se o anel de soldadura do orifício de encaixe for demasiado pequeno, poderá ser impossível efetuar a soldadura. Se o anel do orifício de passagem for demasiado pequeno, existe o risco de ocorrer um circuito aberto.
Do orifício ao fio	Nas placas multicamadas, a distância entre os orifícios das camadas internas e as pistas é demasiado reduzida. Os processos de laminação e perfuração das placas multicamadas têm determinadas tolerâncias, e um espaçamento insuficiente entre os orifícios e as pistas pode provocar curto-circuitos durante a produção. Sinais elétricos: as pistas interrompidas indicam falhas de conceção que causam circuitos abertos; os fios de cobre isolados e os ângulos agudos podem criar dificuldades de produção.
Cobre até à borda da placa	Se o cobre na borda da placa estiver demasiado próximo da forma, poderá causar a exposição do cobre durante a moldagem, o que poderá provocar fugas durante a instalação do produto acabado.
Almofadas para colocar no orifício	Os orifícios nos suportes referem-se aos orifícios nos suportes de montagem em superfície, o que pode afetar a soldadura dos componentes de montagem em superfície.
Curto-circuito em circuito aberto	A análise de circuitos abertos/em curto-circuito deteta falhas de conceção que conduzem a circuitos abertos/em curto-circuito.

Análise de perfuração

Diâmetro do furo	O diâmetro reduzido do orifício afeta os custos de produção; o limite para a perfuração mecânica é de 0,15 mm e, quanto menor for o diâmetro do orifício, maior será o custo.
Buraco a buraco	O espaço reduzido entre os orifícios pode provocar a quebra da broca durante a perfuração, o que pode causar um problema de curto-circuito.
Distância entre o orifício e a borda da placa	Se o orifício de inserção estiver demasiado próximo da borda da placa, irá danificar o anel de solda e afetar a soldadura. Se a via estiver demasiado próxima da borda da placa, surgirão problemas de condutividade elétrica.
Densidade dos poros	A densidade de poros é o número de poros por metro quadrado, expressa em dezenas de milhares por metro quadrado (10 000/m). Uma densidade mais elevada resulta num tempo de produção mais longo. Uma densidade de poros superior a um determinado valor afetará tanto o preço como o prazo de produção.
Orifícios especiais	Os orifícios especiais referem-se aos meios orifícios e aos orifícios quadrados. Os meios orifícios que forem demasiado pequenos podem não conter cobre. Os orifícios quadrados não podem ser reconhecidos devido a problemas com o software EDA e requerem notas especiais.
Fuga	O erro de conceção do sistema de deteção pode ter resultado na eliminação acidental de orifícios de perfuração, levando a circuitos abertos ou à impossibilidade de soldar componentes.
buracos adicionais	Detetar furos inexistentes, como quando o ficheiro Gerber e os furos não coincidem, ou quando existem furos em locais onde não deveriam existir.
Via não condutora	Os orifícios não condutores referem-se às propriedades da camada condutora dos orifícios cegos e enterrados. Um orifício é considerado não condutor quando apenas uma camada condutora é ligada durante a perfuração.

Conceção de placas e embalagens

O desenho dos pads é uma área de alto risco no que diz respeito a problemas de DFM e deve ser verificado um a um durante a revisão.

pads para resistências e condensadores	O espaçamento entre os pads deve ser igual ao comprimento do corpo do componente menos a saliência em ambas as extremidades, normalmente entre 0,1 e 0,3 mm em cada extremidade. Se um pad 0603 for utilizado por engano num pacote 0402, ocorrerá o efeito «tombstone» durante a soldadura por refluxo; se os pads forem demasiado estreitos, aumenta a probabilidade de juntas de solda frias.
Embalagens do tipo IC e QFN	As almofadas de dissipação de calor inferiores do QFN devem ser concebidas de acordo com as dimensões recomendadas na ficha técnica do dispositivo: se forem demasiado grandes, provocarão curto-circuitos devido à extrusão da pasta de solda; se forem demasiado pequenas, afetarão a dissipação de calor e a resistência da soldadura. Recomenda-se que o diâmetro das almofadas do BGA seja de 70%–80% do diâmetro da esfera. A escolha entre NSMD (sem definição da máscara de solda) ou SMD (com definição da máscara de solda) depende do espaçamento.
Almofadas para fichas	A largura do anel do orifício de inserção não deve ser inferior a 0,15 mm (6 mil). Uma largura insuficiente do anel durante o desvio na perfuração provocará a ruptura do anel e um curto-circuito. Recomenda-se que a folga de ajuste entre o diâmetro do orifício e o diâmetro do pino seja mantida entre 0,2 e 0,4 mm.

Máscara de solda e serigrafia

Ponte de resistência de soldadura	A análise de pontes na máscara de solda revela um risco de formação de pontes de solda e de curto-circuitos quando não existe máscara de solda entre os pads. A máscara de solda cobre as áreas em que a janela da máscara de solda se sobrepõe ao traço, resultando em traços expostos. Os traços expostos entre redes diferentes representam um risco de curto-circuitos.
Resistência à soldadura com menos aberturas	As aberturas da máscara de solda referem-se às partes da placa que precisam de ficar expostas para a soldadura. Se os pontos de solda não forem abertos, ficarão cobertos pela máscara de solda e não poderão ser soldados.
Dimensões da janela de resistência de soldadura	A abertura deve ficar a 0,05 mm para dentro a partir da borda da folha de cobre, para evitar que o substrato fique exposto; a largura da ponte da máscara de solda não deve ser inferior a 0,1 mm, uma vez que se pode partir facilmente se for demasiado estreita.
rotulagem por serigrafia	As linhas da serigrafia não devem cobrir as áreas de soldadura, e as marcações de polaridade dos díodos, dos condensadores eletrolíticos e do pino 1 dos circuitos integrados devem ser nítidas e estar orientadas na mesma direção.
Distância entre a serigrafia e as almofadas	A espessura não deve ser inferior a 0,15 mm, para evitar que a tinta de resistência à soldadura contamine as áreas de soldadura e afete a soldabilidade.

Revestimentos e bordas de processamento

Largura da borda do processo	É necessário um mínimo de 5 mm de cada lado para a fixação no trilho transportador SMT; se houver componentes na borda da placa, é necessária uma distância de segurança adicional de, pelo menos, 3 mm.
Método de montagem de painéis	O V-CUT é adequado para o corte linear de painéis com uma espessura de chapa não superior a 2,0 mm; as ranhuras de fresagem (orifícios de estampagem) são adequadas para o corte de painéis de forma irregular. A espessura residual do V-CUT é normalmente 1/3 da espessura da chapa.
Ponto de referência (ponto da linha de base)	Cada painel deve ter, pelo menos, 3 pontos de referência globais. Recomenda-se adicionar pontos de referência locais junto à diagonal de cada dispositivo QFP ou BGA. Não deve haver interferência da serigrafia ou do cobre num raio de 5 mm dos pontos de referência.
Ponto de posicionamento ótico	Utilize pontos circulares de cobre nu com um diâmetro de 1,0–1,5 mm, cuja superfície deve ser tratada com um agente antioxidante.

Desenho do estêncil

A abertura do estêncil afeta diretamente a qualidade da impressão da pasta de solda. As auditorias de DFM devem ter em conta os seguintes pontos.

Rácio de abertura	No caso de resistências e condensadores padrão, a abertura do estêncil deve ser concebida numa proporção de 1:1 em relação à área do pad; para embalagens 0402 e mais pequenas, recomenda-se a realização de um corte interno (Home Plate ou abertura em forma de U) para evitar a formação de bolas de solda.
Espessura da malha de aço	A espessura de 0,1 mm é adequada para QFP com passo de 0,5 mm; a espessura de 0,12 mm é adequada para a montagem mista de componentes 0603 e 0805; a espessura de 0,08 mm é adequada para BGA com passo de 0,4 mm.
Almofadas de grande área	As almofadas de dissipação de calor estão divididas em grelhas (em cruz ou em quadrado) para evitar que o excesso de pasta de solda provoque pontes de solda ou vazios.
Métodos de deteção	Este tipo de defeitos de soldadura e montagem é normalmente identificado em linha através da tecnologia AOI (Inspeção Ótica Automatizada).

Fabrico de PCB e PCBA problemas através da análise DFM

Embora não possamos divulgar informações específicas sobre os clientes, podemos partilhar um caso típico: O caso de um cliente Conceção de placas de circuito impresso Enfrentámos constantemente problemas de baixo rendimento na soldadura de componentes QFN durante a produção. A nossa análise DFM revelou uma área de abertura do estêncil insuficiente para a placa de terra central (apenas 30%) e um espaçamento excessivamente pequeno entre as placas de pinos periféricos. Recomendámos ajustar a área de abertura da placa central para 50% e utilizar um design de abertura mais largo no circuito e mais longo fora do circuito para as placas periféricas. Após a implementação destas recomendações, a taxa de aprovação da soldadura melhorou de 82% para 98,5%, para grande satisfação do cliente.

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No mercado altamente competitivo da produção de eletrónica, um elevado rendimento à primeira tentativa traduz-se numa maior competitividade e numa maior rentabilidade. A Geyuan Electronics, com as suas capacidades profissionais de análise DFM e vasta experiência na fabricação de PCB e PCBA, faz a ponte entre o design e a produção, garantindo que os seus produtos sejam concebidos para uma produção de alta eficiência desde o início. Contacte-nos para conhecer os nossos serviços profissionais de análise DFM e aumentar a sua taxa de rendimento à primeira tentativa na fabricação de PCBA para mais de 98%, reduzindo os custos de produção, encurtando os prazos de entrega e reforçando a sua competitividade no mercado! Para quaisquer necessidades de conceção de PCB ou fabricação de PCBA, não hesite em contactar a Geyuan Electronics. A nossa equipa profissional está pronta para lhe prestar apoio técnico e serviços.

Conclusão

As placas de circuito impresso (PCB) podem funcionar bem em teoria. Mas, para funcionarem no mundo real — em condições de produção em massa, altas temperaturas, altas pressões e tolerâncias reais de fabrico —, têm de ser passíveis de fabrico. É aqui que entra o Design for Manufacturing (DFM). Não é nada sofisticado, nem torna a sua PCB mais bonita; torna-a verdadeiramente funcional. Permite poupar custos, evita erros e ajuda-o a controlar o progresso. Os bons engenheiros concebem produtos para a linha de produção, não para o laboratório. Se pretende produtos fiáveis e rendimentos previsíveis, incorpore o Design for Manufacturing (DFM) no seu processo de conceção. Se precisar de PCBs ou PCBAs, contacte-nos para obter assistência.