Diretrizes de DFA para um Design de PCB Eficiente

Toda PCB que deseja se tornar um dispositivo real precisará ser montada com alta produtividade. Um planejamento estratégico é necessário para garantir que a placa possa ser montada corretamente na primeira tentativa. Entender algumas diretrizes básicas de DFA pode ajudar a garantir que seu projeto passe pela montagem de fabricação com defeitos mínimos e sem retrabalho.

Neste artigo, abordaremos os seguintes pontos:

• Por que o DFA é Importante no Design de PCB?
• Objetivos do DFA
  • Padronização
  • Validação de Componentes
  • Redução de Erros de Montagem
• Padrões DFA
  • Orientação de Componentes com Marcações de Polaridade
  • Requisitos de Espaçamento
  • Padrões de Montagem IPC
• Defeitos Comuns de Montagem
  • Tombstoning
  • Pontes de Solda
  • Esferas de Solda
  • Vazios de Solda
• Métodos de Inspeção
  • Inspeção Óptica Automatizada (AOI)
  • Inspeção por Raios-X

O DFA é um processo que consiste em três etapas. Na primeira etapa, leva-se em consideração o design do layout da placa. Durante esta etapa, são levados em conta o espaçamento entre componentes, a direção da soldagem e a redução de custos para montagem. Na etapa subsequente, os arquivos Gerbers ou ODB++ são validados quanto a espaçamentos e orientação de componentes, footprints e diversos métodos de limpeza. Na etapa final, são identificados os requisitos para soldagem por onda, soldagem por refusão e soldagem manual.

 

Objetivos do DFA

Padronização

Todo designer de placas terá dificuldades em prever os desafios que podem surgir ao trabalhar em um novo design de PCB. O principal objetivo da padronização é minimizar o nível de incerteza usando peças e técnicas que funcionaram anteriormente. Abaixo estão algumas maneiras de garantir a máxima padronização em seu design:

• Valide cuidadosamente a fonte de cada componente para garantir a autenticidade dos componentes. Fontes não autorizadas aumentam o risco de atrasos, desinformação e peças falsificadas.
• Tente reduzir o número de pacotes de componentes únicos para facilitar o processo de design para montagem e minimizar erros potenciais. Por exemplo, se houver discrepâncias entre o footprint e o padrão de terra, os ajustes de layout necessários serão realizados mais rapidamente, uma vez que o design terá menos padrões de terra únicos.

Validação de Componentes

Um dos principais objetivos do DFA é validar os componentes que vão na placa. Siga as diretrizes mencionadas abaixo para ajudar seu fabricante a montar sua placa de forma eficiente:

 

Reduzindo Erros de Montagem

A DFA foca principalmente em eliminar possíveis erros de montagem que possam ocorrer. Além dos pontos discutidos acima, os pontos abaixo permitem aos fabricantes produzir placas de circuito com a funcionalidade desejada.

• Mantenha o tamanho, espaçamento e tolerâncias para furos perfurados que estejam dentro das capacidades do seu fabricante. Isso também garante a fabricabilidade do design da sua PCB.
• Siga as folgas e tolerâncias que estão dentro das capacidades do seu CM.
• Siga as regras de folga de borda da placa.
• Garanta que o formato da placa permita uma otimização da panelização.
• Incorpore alívios térmicos onde necessário.

Padrões DFA

Como discutido nas seções anteriores, conhecer os padrões DFA ajuda você a projetar uma placa de maneira eficiente e econômica. Nesta seção, vamos apresentar algumas normas críticas de DFA.

Orientação de Componentes com Marcações de Polaridade

A orientação dos componentes é um dos fatores mais importantes a serem considerados durante a etapa pré-montagem. Para uma montagem sem problemas, é essencial seguir técnicas claras e explícitas de orientação. Apenas como exemplo, considere os diodos, que terão alguma polaridade definida. Certifique-se de que o símbolo esquemático e a serigrafia tenham uma marcação de polaridade adequada que será visível após a colocação. Isso tornará o processo de inspeção mais fácil, e torna o teste ou depuração mais simples.

 

O símbolo pode ser posicionado entre os dois pinos para peças through-hole, mas deve ser colocado ao lado do dispositivo para peças de montagem superficial. Como esses símbolos podem ocupar muito espaço, uma barra acima do pad do cátodo ou uma simples indicação de A (ânodo) ou K (cátodo) seria suficiente para placas HDI. 

Sempre agrupe componentes semelhantes e tente colocá-los com a mesma orientação, se possível. Isso facilita um processo de montagem rápido. Por exemplo, todos os QFPs podem ser colocados em uma fila com o pino 1 no mesmo canto para cada CI.

 

Requisitos de Espaçamento

O espaçamento entre os componentes afeta os requisitos de tempo do processo de montagem de placas de circuito impresso (PCBA). Nesta seção, vamos dar uma olhada nas normas de espaçamento recomendadas para garantir a qualidade do processo de montagem.

Espaçamento entre Componente e Borda

O espaçamento entre componente e borda é a distância de um determinado componente na placa até sua borda. Esse fator desempenha um papel importante durante a despanelização. Durante esse processo, os componentes próximos à borda da placa serão submetidos a um estresse que pode afetar as soldas. Recomendamos uma folga de 125 mil entre a borda da placa e o SMD colocado no lado superior da placa de circuito, mas seu fabricante pode fornecer diferentes permissões em seu processo.

Às vezes, os fabricantes aumentam ainda mais o espaçamento entre o componente e a borda da placa no lado inferior da placa. Isso reduz a possibilidade de danos aos componentes SMT durante a aplicação da pasta de solda.

As trilhas de cobre também podem ser roteadas mais próximas à borda da placa. Isso permite um espaço para a máscara de solda e evita a invasão do pad. Trilhas, preenchimento de cobre e partes inseridas manualmente devem ser espaçadas pelo menos 10 mils da borda da placa. Furos castelados são um tipo de design que requer revestimento de cobre na borda da placa. Para alcançar o revestimento de cobre desejado, tais designs exigirão despesas adicionais e mais tempo de produção.

 

Espaçamento Entre Parte e Furo

O espaçamento entre parte e furo deve ser considerado tanto para vias quanto para componentes through-hole. Ele determina o espaçamento mínimo entre um pad/corpo de componente e os furos. Esse espaçamento consiste em dois fatores específicos que devem ser atendidos para alcançar uma montagem de alta qualidade.

• Espaçamento da parede do furo até a parte: Isso é medido da borda real do furo até a borda do pad. Isso também é conhecido como distância de perfuração até o cobre. O espaçamento mínimo necessário é de cerca de 8 mils.
• Espaçamento até o anel anular: Isso é medido da borda do anel anular do furo até a borda do pad. O espaçamento mínimo necessário é de cerca de 7 mils.

 

Padrões de montagem IPC

Aqui estão alguns dos outros padrões de montagem IPC que seu CM seguirá ao montar placas.

• IPC-A-600: O IPC-A-600, comumente conhecido como IPC-600, especifica o nível de critérios de aceitação para cada categoria de produto. Ele define os requisitos desejáveis, permitidos e inegociáveis das placas.
• IPC/WHMA-A-620C: Descreve o padrão para materiais, procedimentos, testes e critérios de aceitabilidade para montagens de cabos e chicotes.
• IPC-A-630: Define os padrões para invólucros eletrônicos. Este padrão é empregado quando seu CM monta e realiza o processo de inspeção.

Defeitos Comuns de Montagem

Esta seção detalha os defeitos e problemas que ocorrem mais frequentemente durante a PCBA. Os fabricantes empregam muitos métodos de controle de qualidade para evitar esses defeitos, e alguns desses métodos são mencionados nas subseções abaixo.

Tombstones

Um tombstone, também conhecido como efeito Manhattan, refere-se ao caso em que um componente SMD é parcial ou totalmente descolado de seu pad de aterrissagem. Isso é mais comum em passivos SMD pequenos (pacotes 0603 ou menores) e ocorre devido a desequilíbrios de força durante a soldagem por refusão.

Maneiras de prevenir tombstoning:

• Garanta alta precisão de componentes e uma alta temperatura de pré-aquecimento.
• Evite exposições a altas temperaturas e umidade.
• Estenda a zona de imersão para equilibrar a força de molhagem em ambos os pads antes que a pasta atinja o estado líquido.

 

Ponte de Solda

A ponte de solda ocorre quando a solda é aplicada entre dois condutores que não deveriam estar eletricamente conectados. Essas conexões indesejadas são referidas como curtos-circuitos.

Maneiras de prevenir pontes de solda:

• Garanta que o conteúdo de metal na pasta de solda seja de pelo menos 90%.
• Alinhe as aberturas do estêncil com precisão e reduza o tamanho delas em 10%.
• Assegure um perfil de refusão apropriado.

 

Bolas de Solda

Bolas de solda são o defeito mais comum que ocorre durante a montagem de superfície. É o desenvolvimento de pequenas partículas esféricas de solda isolando-se do corpo principal que forma a junção. Isso é uma preocupação para um processo sem limpeza, já que muitas bolas de solda podem formar uma ponte entre dois terminais adjacentes. Isso resulta em problemas funcionais para a placa.

Maneiras de prevenir a formação de bolas de solda:

• Os tamanhos de pads e espaços devem ser projetados de acordo com a ficha técnica.
• Antes da impressão da pasta de solda, asse a placa.
• Certifique-se de que a espessura da metalização dos furos seja maior que 25μm, isso evita a retenção de água.

 

Vazios de Solda

Espaços vazios ou buracos dentro da junta de solda são conhecidos como vazios de solda. Um vazio de solda é criado quando não há solda suficiente disponível para estabelecer uma conexão. O vazio de solda geralmente consiste em ar.

Maneiras de prevenir vazios de solda:

• Aumente o canal de desgaseificação, permitindo que os gases escapem da placa.
• Tente usar pasta de solda sem chumbo.

 

Métodos de Inspeção

Uma vez que a placa de circuito esteja montada, os fabricantes podem realizar múltiplos procedimentos de inspeção e controle de qualidade.

Inspeção Óptica Automatizada (AOI)

A inspeção óptica automatizada (AOI) é um método eficiente e preciso para detectar erros de montagem de PCB antes que as placas deixem a instalação de produção. Este método emprega câmeras de alta resolução e software avançado de processamento de imagem para identificar erros de montagem, como componentes faltantes ou mal posicionados, pontes de solda, esferas de solda ou tombstones.

 

Inspeção por Raio-X

AXI (inspeção automática por raio-X) é uma abordagem popular para detectar defeitos ocultos em ICs e BGAs. A fonte de varredura neste sistema é um raio-X. Pode ser usado para identificar grandes vazios e fraturas. Esta abordagem permite acesso não destrutivo às geometrias internas e composições estruturais. AXI captura imagens da mesma forma que o AOI. A única diferença é que o AOI faz varreduras com uma fonte de luz, enquanto o AXI utiliza raios-X.

As diretrizes de DFA visam garantir alta produtividade e re-trabalho mínimo após a montagem. Você pode implementar estas e muitas outras diretrizes de DFA antes de ir para a produção usando o motor de DRC no Altium Designer. Após consultar seu fabricante, você pode programar as restrições listadas acima nas regras de design do seu PCB para garantir que possa detectar e corrigir erros rapidamente. Uma vez que seu design esteja pronto para uma revisão de design completa e fabricação, sua equipe pode compartilhar e colaborar em tempo real através da plataforma Altium 365. As equipes de design podem usar o Altium 365 para compartilhar dados de fabricação e resultados de testes, e as alterações de design podem ser compartilhadas através de uma plataforma segura na nuvem e no Altium Designer.

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