Diretrizes de projeto de montagem de PCB para melhor capacidade de fabricação

Na indústria de fabricação de eletrônicos, “design é fabricação” não é mais apenas um slogan, mas um consenso validado através de numerosos projetos de produção em massa.
Com base em nosso envolvimento em vários produtos eletrônicos de consumo e de controle industrial, Design de PCB para capacidade de fabricação (DFM) é muitas vezes o fator chave que determina se a produção em massa prossegue sem problemas.

Do ponto de vista da engenharia, Projetos de PCB que não possuem verificação sistemática de DFM mostram uma probabilidade significativamente maior de defeitos de posicionamento, retrabalho, ou até mesmo redesenhar durante o início da produção em massa. De acordo com a experiência estatística de vários fabricantes contratados, projetos sem otimização DFM suficiente geralmente alcançam um rendimento de produção na primeira execução de abaixo 80%. Em contraste, projetos que incorporam padrões IPC e verificações de capacidade de fabricação na fase de projeto podem melhorar consistentemente os rendimentos do 95%–98% de alcance.

Este artigo combina o mais recentes padrões IPC, Requisitos de processo híbrido SMT/THT, e problemas comuns observados em projetos reais de produção em massa para quebrar sistematicamente os elementos principais da montagem de PCB DFM. O objetivo é ajudar os engenheiros a minimizar os riscos de fabricação durante a fase de projeto e realmente alcançar “projete uma vez, produzir em massa sem problemas.”

Princípios Básicos do Design DFM: Eliminando 90% dos riscos de produção em massa antecipadamente

1.1 Padrões primeiro: Acompanhando as especificações IPC mais recentes

A base do projeto DFM reside em seguir padrões unificados da indústria para evitar retrabalho causado pelo desalinhamento entre a intenção do projeto e os processos de fabricação.

• IPC-2581 Revisão C
  Lançado em 2020, este padrão mais recente integra a fabricação completa de PCB, conjunto, e testar dados em um único arquivo XML, incluindo informações de empilhamento, Controle de impedância, e definições de pares diferenciais. Ele substitui os tradicionais arquivos Gerber fragmentados e melhora a eficiência da automação da análise DFM em aproximadamente 60%.

• IPC-2221
  Define parâmetros fundamentais do processo, como largura do traço, espaçamento, e tamanho do furo. Por exemplo, circuitos de baixa tensão (≤50V) requerem um espaçamento mínimo de ≥4 mil (0.1 mm), enquanto circuitos de alta tensão (>50V) deve calcular a folga usando a fórmula:
  Liberação = 0.6 + 500 × Vpico (mm).

• IPC-7351
  Padroniza o padrão de assentamento dos componentes e o design da almofada para garantir a precisão do posicionamento e a confiabilidade da junta de solda.

1.2 Equilibrando custo e capacidade de fabricação

• Deve ser dada prioridade aos componentes padrão (como 0402/0603 resistores e capacitores), evitando nichos ou peças customizadas. Componentes personalizados não só têm prazos de aquisição mais longos (tipicamente >4 semanas) mas também pode aumentar os custos de montagem em mais de 30%.

• Simplifique as estruturas de PCB minimizando o uso de processos especiais, como vias cegas/enterradas e slots escalonados. Para placas HDI convencionais, uma combinação de perfuração a laser + perfuração mecânica pode efetivamente reduzir os custos de fabricação.

2. Layout de PCB DFM: Principais otimizações do protótipo à produção em massa

2.1 Projeto de orientação e espaçamento de componentes

O layout inadequado é a principal causa do desvio de posicionamento do SMT e da ponte de solda, e as seguintes regras devem ser rigorosamente observadas:

Diretrizes de espaçamento de componentes:

• Espaçamento entre componentes idênticos ≥3–4 mil (processo padrão) ou ≥2 mil (HDI de alta precisão), para evitar colisões com bicos pick-and-place;

• Espaçamento entre componentes irregulares (como conectores e dissipadores de calor) e componentes adjacentes ≥1 mm, permitindo acesso suficiente à ferramenta durante a montagem;

• Siga a “regra 3W”: espaçamento de sinal de alta velocidade ≥3× largura de traço; espaçamento diferencial entre pares ≈ largura do traço; espaçamento entre pares diferenciais ≥3W para reduzir diafonia.

Consistência de orientação:

• Componentes polarizados (capacitores, diodos) deve ter uma orientação uniforme para evitar confusão de polaridade durante a soldagem manual;

• A orientação do pino IC deve estar alinhada com a direção do alimentador pick-and-place para reduzir os ajustes do bocal e melhorar a eficiência de posicionamento.

2.2 Técnicas de Layout para Processos Híbridos (Smt + Tht)

Quando um PCB inclui montagem em superfície (Smt) e furo passante (Tht) componentes, a compatibilidade entre os dois processos deve ser considerada:

• Os componentes THT devem ser agrupados próximos às bordas da PCB ou em áreas designadas para evitar o bloqueio das almofadas SMT e causar “efeitos de sombra” de solda por onda;

• O espaçamento entre os pinos do furo passante e os componentes SMT deve ser ≥2 mm para evitar danos às juntas SMT já soldadas durante a inserção;

• Para refluxo misto + processos de soldagem por onda, Os componentes THT devem usar pacotes compatíveis com solda por onda para evitar a oxidação do chumbo causada por altas temperaturas.

2.3 Projeto de proteção térmica e mecânica

• Componentes de alta potência (como conversores DC-DC e drivers de LED) deve ser colocado próximo às bordas do PCB ou áreas de cobre térmico. A área de cobre deve ser pelo menos 2× a área do pacote de componentes, e térmico via matrizes podem ser necessários (através do diâmetro 0.3 mm, tom 1 mm);

• Em ambientes vibratórios (Automotivo, equipamentos industriais), componentes críticos (como CPUs e módulos de energia) deve preferencialmente usar pacotes THT, cujas juntas de solda oferecem mais de 5x maior resistência à vibração do que SMT;

• Reserve uma área livre de cobre ≥0,025 polegadas (0.635 mm) ao longo das bordas da PCB para evitar rachaduras durante a despanelização.

3. Almofada e Furo DFM: A principal garantia de confiabilidade de soldagem

3.1 Especificações de design de almofada

Os desvios nas dimensões das almofadas são uma das principais causas de juntas de solda fria e marcas de exclusão, e deve corresponder exatamente aos pacotes de componentes:

• Almofadas de componentes SMT:
  Comprimento = comprimento do cabo + 0.2 mm;
  Largura = largura do fio ±0,1 mm.
  Por exemplo, um 0603 resistor (1.6 milímetros × 0.8 mm) corresponde a um tamanho de almofada de 1.8 milímetros × 0.7 mm.

• Almofadas QFP/BGA:
  Diâmetro da almofada BGA = diâmetro da bola × 0,6–0,7;
  Espaçamento entre almofadas adjacentes ≥ diâmetro da esfera × 1.2 para evitar pontes.

• Design de almofada térmica:
  Para componentes de alta potência (Por exemplo, Pacotes QFN), a almofada térmica exposta deve usar aberturas de máscara de solda e incluir 4–6 vias térmicas (0.3 mm de diâmetro) para evitar acúmulo de calor e juntas de solda fria.

3.2 Projeto de perfuração e tamanho de furo

Regras de perfuração:

• Proporção de aspecto (profundidade do furo / diâmetro do furo) ≤6:1 para processos padrão e ≤10:1 para processos de IDH; exceder isso requer furos escalonados ou perfuração traseira;

• Através do diâmetro ≥0,3 mm; diâmetro do furo do componente = diâmetro do furo + 0.1–0,2 mm para garantir uma inserção suave;

• Evite buracos nas bordas: o centro de perfuração deve estar ≥1 mm da borda da PCB para evitar rachaduras na placa.

4. Roteamento e controle de impedância: Equilibrando integridade de sinal e capacidade de fabricação

4.1 Correspondendo a largura do traço à capacidade de carga atual

A largura do traço deve satisfazer a capacidade atual e os limites do processo:

• Calculado de acordo com IPC-2152:
  Eu = k · ΔT ^ 0,44 · A ^ 0,725
  (k = 0.048 para camadas externas, k = 0.024 para camadas internas).
  Por exemplo, com 1 onças de cobre e um aumento de temperatura de 10°C, um 50 mil trace pode transportar aproximadamente 2.5 UM.

• As redes de energia e de aterramento devem preferencialmente usar camadas de cobre em vez de traços finos, com espessura de cobre ≥2 onças para reduzir a impedância de terra e o estresse térmico;

• Largura mínima do traço: ≥3–4 mil para processos padrão e ≥2 mil para processos HDI para evitar resíduos de corrosão e curtos-circuitos.

4.2 Roteamento de sinal de alta velocidade DFM

• Controle de impedância:
  Por um 50 Ω traço de terminação única no FR-4, largura da microtira da camada externa ≈8 mil (h = 5 mil), largura do stripline da camada interna ≈5 mil (h = 4 mil);

• Roteamento de pares diferenciais:
  Incompatibilidade de comprimento ≤5 mil; evitar descontinuidades de impedância e através de cruzamentos entre pares;

• Evite roteamento em ângulo reto:
  Use curvas ou arcos de 45° (raio ≥3× largura do traço) para reduzir a reflexão do sinal.