Elementos Essenciais de Design para Produção Confiável de PCB

Como uma peça obrigatória mantida por produtos eletrônicos, Placas de Circuito Impresso (PCBs) desempenham um papel chave na implementação da funcionalidade de produtos eletrônicos, o que leva à importância proeminente do design de PCB, porque o desempenho do design de PCB determina diretamente função e custo de produtos eletrônicos. Excelente design de PCB é capaz de tornar produtos eletrônicos livres de muitos problemas, de modo a garantir que produtos serão fabricados suavemente e serão capazes de atender a todas as demandas de aplicação prática.

Entre todos os elementos contribuindo para design de PCB, Design for Manufacture (DFM) é definitivamente um essencial, já que ele liga design de PCB e fabricação de PCB, de modo que problemas serão expostos cedo e resolvidos a tempo durante todo o ciclo de vida de produtos eletrônicos. Tem sido um mito que a complexidade do design de PCB será aumentada à medida que a fabricabilidade de produtos eletrônicos é levada em consideração durante a fase de design de PCB. Quando se trata de ciclo de vida de design de produto eletrônico, DFM não só pode fazer produtos eletrônicos entrarem suavemente na fabricação automática com custo de mão de obra economizado durante o processo de fabricação, mas pode efetivamente encurtar a produção de fabricação para garantir conclusão oportuna de produtos eletrônicos finais.

Fabricabilidade de PCB

Design for Manufacturing é um elemento chave levando a fabricação de alta eficiência, alta qualidade e baixo custo, agora que fabricabilidade e design de PCB são combinados. Estudo de fabricabilidade de PCB apresenta uma ampla faixa que pode ser classificada em fabricação de PCB e montagem de PCB em geral.

• Fabricação de PCB

Quanto à fabricação de PCB, os seguintes aspectos devem ser levados em consideração: tamanho de PCB, forma de PCB, trilho técnico e marca fiducial. Uma vez que esses aspectos falham em ser totalmente considerados durante a fase de design de PCB, placas de PCB fabricadas possivelmente não podem ser aceitas por chip mounter automático, a menos que medidas extras de processamento sejam feitas. É ainda pior que algumas placas falham em ser capazes de se envolver na fabricação automática com solda manual aproveitada. Como resultado, período de fabricação será prolongado e custo de mão de obra subirá também.

a. Tamanho de PCB

Cada chip mounter tem seu próprio tamanho de PCB requerido, que difere uns dos outros de acordo com parâmetros de cada mounter. Por exemplo, o tamanho máximo de PCB aceito por chip mounter na PCBCart é 500mm*450mm, enquanto o tamanho mínimo de PCB é 30mm*30mm. Não significa que não possamos lidar com montagem de placa de PCB menor que 30mm*30mm e quando tamanho menor é requerido, painéis podem ser confiados. Chip mounters nunca aceitam placas de PCB que são ou muito grandes ou muito pequenas em tamanho quando apenas montagem manual pode ser dependida, com custo de mão de obra subindo e período de produção fora de controle. Assim, durante a fase de design de PCB, requisito de tamanho de PCB definido por fabricação de montagem automática tem que ser totalmente considerado e deve ser controlado dentro de uma faixa válida.

A imagem abaixo demonstra um arquivo de design de painel de PCB completado por software EDA. Como um painel 5x2, cada unidade quadrada é uma única placa com seu tamanho sendo 50mm*20mm. Conexão entre cada unidade única é alcançada por tecnologia V-cut/V-scoring. Nesta imagem, o quadrado inteiro exibe o tamanho final do painel que é 100mm*100mm. Baseado no requisito de tamanho de painel mencionado acima, pode ser concluído que o tamanho do painel cai na faixa aceitável.

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b. Forma de PCB

Além do tamanho de PCB, todos os chip mounters colocam requisito em termos de forma de PCB também. Forma comum de PCB deve ser um retângulo cuja razão entre comprimento e largura deve ser 4:3 ou 5:4 que são ideais. Quando um PCB apresenta forma irregular, medidas extras têm que ser feitas antes da montagem SMT, levando a aumento de custo. Para impedir que isso ocorra, PCBs têm que ser projetados para estar em forma comum durante a fase de design de PCB, de modo que requisito de SMT possa ser atendido. No entanto, dificilmente pode ser alcançado em situações práticas. Quando alguns produtos eletrônicos têm que ser irregulares em forma, furos de carimbo mais ponte têm que ser usados para fazer a forma do PCB final ter uma forma comum. Após montagem, parte extra pode ser eliminada do PCB, o que satisfaz tanto o requisito de montagem automática quanto espaço.

A imagem abaixo indica um PCB de forma irregular com borda de processamento adicionada através de software EDA. O tamanho da placa inteira é 80mm*52mm, enquanto a área quadrada é o tamanho do PCB prático. O tamanho da área do canto superior direito é 40mm*20mm, que é borda de processamento resultante de furos de carimbo mais ponte.

c. Trilho Técnico

Para atender demandas de fabricação automática, trilho técnico tem que ser colocado em PCBs para fixar PCBs.

Durante a fase de design de PCB, um trilho técnico de 5mm de largura deve ser deixado antecipadamente onde nenhum componente e traços são deixados. É comum colocar trilho técnico no lado mais curto de um PCB, mas o lado mais curto pode ser selecionado quando a razão entre comprimento e largura é superior a 80%. Trilho técnico será eliminado após montagem como papel de produção subsidiária.

d. Marca Fiducial

Para PCBs com componentes montados, marcas fiduciais devem ser adicionadas como pontos de referência comuns, garantindo que cada equipamento de montagem determine precisamente posições de componentes. Portanto, marcas fiduciais são benchmarks de fabricação SMT, necessárias para fabricação automática.

Componentes requerem 2 marcas fiduciais, enquanto PCBs requerem 3 marcas fiduciais, que devem ser colocadas na borda da placa de PCB e cobrir todos os componentes SMT. Distância central entre marca fiducial e borda da placa deve ser de pelo menos 5mm. Para PCB com dupla face com componentes SMT, marcas fiduciais devem estar disponíveis em ambos os lados. Se componentes forem colocados muito densamente para colocar marcas fiduciais na placa, elas podem ser colocadas no trilho técnico.

• Montagem de PCB

Montagem de PCB, abreviada como PCBA, é na verdade o processo de soldar componentes em placas de PCB nuas. Para atender requisito de fabricação automática, montagem de PCB estabelece alguns requisitos em encapsulamento de componente e layout de componente.

a. Encapsulamento de Componente

Durante o processo de design de PCBA, se encapsulamento de componente não conformar a padrões adequados com distância entre componentes muito próxima uns dos outros, montagem automática não será realizada.

Para obter encapsulamento ideal para componentes, software de design EDA profissional deve ser usado para ser compatível com padrões internacionais de encapsulamento de componentes. No processo de design de PCB, área de vista de pássaro nunca deve ser sobreposta com outra área e montadores automáticos de IC serão capazes de reconhecer precisamente e realizar montagem superficial.

b. Layout de Componente

Layout de componente é uma tarefa importante no design de PCB, porque seu desempenho está diretamente associado com como PCBs serão e nível de complexidade do processo de fabricação.

Durante o processo de layout de componente, lados de montagem para componentes SMD e THD devem ser determinados. Aqui, vamos definir lado frontal de PCB como lado do componente A, enquanto lado traseiro como lado do componente B. Layout de componente deve levar em consideração forma de montagem, incluindo montagem de camada única pacote único, montagem de camada dupla pacote único, montagem de camada única pacote misto, lado A pacote misto e lado B pacote único montagem e lado A THD e lado B SMD montagem. Diferentes montagens requerem diferentes processos de fabricação e tecnologias. Portanto, quanto a layout de componente, layout ideal de componente deve ser selecionado para tornar fabricação simples e fácil, melhorando eficiência de fabricação de todo o processo.

Além disso, orientação de layout de componente, espaçamento entre componentes, dissipação térmica e altura de componente têm que ser levados em consideração.

Em geral, orientação de componente deve manter consistente. Layout de componente conforma ao princípio da menor distância de rastreamento, base no qual orientação de polaridade deve ser consistente para componentes com marcas de polaridade e componentes sem marcas de polaridade devem ser ordenadamente arranjados no eixo X ou Y. Altura de componente deve ser 4mm no máximo, enquanto componente e direção de transmissão de PCB devem manter 90°.

Para melhorar velocidade de soldagem de componente e ser conveniente para verificação posterior, espaçamento entre componentes deve ser consistente. Componentes devem estar próximos uns dos outros dentro da mesma rede, enquanto distância segura deve ser deixada entre redes diferentes de acordo com queda de tensão. Silkscreen e pad nunca devem ser sobrepostos, caso contrário componentes não serão montados.

Questões de dissipação térmica devem ser consideradas devido à temperatura de operação prática de PCB e propriedades térmicas de componentes elétricos. Layout de componente deve focar em dissipação térmica, enquanto ventilador ou dissipador de calor deve ser usado quando necessário. Dissipadores de calor adequados devem ser selecionados para componentes de power e componentes sensíveis a calor devem ser colocados longe daqueles que geram calor. Componentes altos devem ser colocados atrás de componentes baixos.

Ainda há mais detalhes que devem ser focados concernentes a DFM de PCB e experiência deve ser acumulada na prática. Por exemplo, design de PCB de sinal de alta velocidade requer requisito especial para impedância, que deve ser discutido com fabricante de placa antes da fabricação real, de modo a determinar impedância e informação de stackup de camadas. Para preparação de fabricação em algumas placas de PCB com tamanho pequeno e rastreamento denso, capacidades de fabricação em largura mínima de traço e diâmetro de via devem ser discutidas com fabricante de PCB para garantir fabricação suave daqueles PCBs.

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