Requisitos de DFM/DFA em Engenharia de Sistemas

Como discutido no artigo anterior, ao projetar uma PCB, é essencial considerar um conjunto de requisitos técnicos relacionados à funcionalidade, consumo de energia, tamanho, compatibilidade eletromagnética, etc. No entanto, os requisitos de fabricabilidade e montagem são igualmente importantes. Projetar um circuito de alto desempenho, atendendo todas as especificações funcionais ou requisitos regulatórios seria inútil se o design não for fabricável ou se encontrar problemas de montagem que poderiam aumentar os custos de produção ou, no pior cenário, tornar o produto inviável.

Neste artigo, vamos focar em como abordar o gerenciamento de requisitos para garantir que um design seja fabricável e possa ser montado. Especificamente, discutiremos como integrar CAD e CAM dentro do sistema de gerenciamento, considerando não apenas os requisitos técnicos delineados no artigo anterior, mas também os fatores que influenciam a fabricação e montagem de um circuito (como larguras de trilhas, espaçamento, perfuração, máscaras, colocação de componentes, etc.).

Introdução ao DFM/DFA

Tanto os fabricantes quanto os montadores de PCB exigem que os circuitos projetados sejam fabricáveis e capazes de serem montados, respectivamente. Isso destaca a necessidade de seguir regras ou diretrizes de design específicas que considerem as diversas etapas e tecnologias usadas na fabricação de PCBs e as diferentes técnicas de montagem, garantindo que o produto seja tanto fabricável quanto montável. Essa necessidade dá origem aos conceitos de DFM (Design para Fabricabilidade) e DFA (Design para Montagem).

• DFM, ou Design para Fabricação, é o conjunto de processos, regras e diretrizes que devem ser seguidos durante a fase de design para garantir que uma placa de circuito impresso (PCB) possa ser fabricada usando as tecnologias e limitações de fabricação atuais.
• Da mesma forma, DFA, ou Design para Montagem, é o conjunto de processos, regras e diretrizes que devem ser seguidos durante a fase de design para garantir que uma placa de circuito impresso (PCB) possa ser montada usando as tecnologias e limitações de montagem atuais.

Ao criar um design, devemos considerar as seguintes questões:

• A PCB que estamos projetando pode ser fabricada?
• Poderia ter sido projetada de maneira diferente para otimizar custos?
• Pode ser montada usando processos automatizados?
• Requer processos manuais ou complexos que aumentam os custos?
• Existem problemas de estoque?

Todas essas questões podem ser abordadas através dos conceitos de DFM (Design for Manufacturability - Projeto para Fabricabilidade) e DFA (Design for Assembly - Projeto para Montagem). Embora não existam regulamentações obrigatórias, projetar um circuito seguindo regras básicas de fabricabilidade é essencial para garantir que o design seja fabricável. Caso contrário, podemos encontrar surpresas desagradáveis assim que enviarmos a documentação de fabricação para o fabricante selecionado. O mesmo se aplica às regras de design voltadas para a montagem da placa eletrônica. Se não forem seguidas diretrizes de design adequadas para uma montagem automatizada viável, enfrentaremos problemas significativos de produção, exigindo processos manuais e complexos que aumentarão o custo de montagem da placa eletrônica.

É importante notar que cada fabricante possui capacidades diferentes com base nos processos e maquinários que utilizam. Portanto, podemos dizer que DFM/DFA dependem do fabricante. Exemplo: Um fabricante com capacidades para fabricar uma PCB de 8 camadas não pode fabricar uma PCB de 12 camadas devido às suas capacidades de fabricação.

À medida que os designs se tornam mais complexos (com mais camadas, maior densidade, larguras de trilhas menores e separações, diâmetros de furação menores, vias cegas ou enterradas, etc.), o DFM torna-se cada vez mais complexo. Como resultado, há mais regras de design a considerar, e torna-se mais crítico cumprir essas regras para garantir que uma PCB possa ser fabricada.

Portanto, os objetivos do DFM/DFA são:

1. Definir processos, regras e diretrizes de design.
2. Garantir que o design seja fabricável e possa ser montado.

Para simplificar tudo isso, o Instituto de Circuitos Impressos (IPC) foi estabelecido em 1957 e desenvolveu o padrão IPC, que auxilia designers e fabricantes na tarefa de criar designs fabricáveis. Os padrões IPC consideram as diversas tecnologias de fabricação e limitações, e diferentes documentos foram criados com base nesses, abordando várias áreas de design. A árvore de padrões IPC é mostrada no seguinte link.

Embora o padrão IPC merecesse seu próprio artigo devido ao grande número de regras que abrange, vale destacar que existe um conjunto de regras para o design de PCBs rígidos, flexíveis e rígido-flexíveis (IPC-21xx, IPC-22xx, IPC-26xx), bem como um conjunto de regras relacionadas ao design para montagem (IPC-D-279, IPC-D-326, IPC-7351).

Coesão Entre CAD/CAM e DFM/DFA

CAD e CAM referem-se aos processos de Desenho Assistido por Computador e Fabricação Assistida por Computador, respectivamente.

Assim como os designers utilizam ferramentas CAD (ECAD no caso de engenheiros eletrônicos), como Altium Designer, os fabricantes usam outras ferramentas que os auxiliam na fabricação, montagem e processos relacionados a PCBs, conhecidas como software CAM. Exemplos incluem CircuitCAM8 ou qualquer software específico integrado a uma máquina de montagem automática (Pick & Place). 

Do ponto de vista do processo de design (CAD), os engenheiros, com base nas diretrizes de DFM/DFA, inserem regras na ferramenta de design (por exemplo, usando Altium's Constraint Manager) e depois verificam a conformidade com essas regras (DRC – Checagem de Regras de Design).

Uma vez que o projeto está completo e verificado para atender todas as regras necessárias para fabricação e montagem, ele é enviado ao fabricante. Utilizando diferentes ferramentas (CAM), o fabricante pode verificar todos os parâmetros de fabricação da PCB e detectar se algum valor está fora da tolerância e precisa de modificação para garantir uma fabricação confiável. Da mesma forma, os montadores de PCB analisam o circuito projetado e verificam se podem surgir quaisquer problemas potenciais durante a etapa de montagem antes de prosseguir com a montagem. 

Assim, surge a questão: Quais parâmetros são verificados para determinar se uma PCB é fabricável e pode ser montada? Ou, dito de outra forma, quais regras devem ser seguidas para garantir que meu projeto seja fabricável e possa ser montado?

Exemplo de Requisitos DFM/DFA

Uma vez que todos os requisitos funcionais, de sistema e subsistema, requisitos do cliente, etc., são definidos, devemos definir os requisitos DFM/DFA. Em outras palavras, precisamos considerar esses requisitos antes de iniciar o projeto para garantir que nosso design possa ser fabricado sem surpresas ou problemas.

Embora a lista de parâmetros a considerar possa ser extensa e dependa em grande parte de cada fabricante e suas capacidades de fabricação, um resumo dos requisitos necessários a definir poderia ser o seguinte.

Exemplos de requisitos DFM

• REQ-DFM-01: Diâmetro Mínimo de Furo Metalizado.

• REQ-DFM-02: Diâmetro Mínimo de Furo Não Metalizado.

• REQ-DFM-03: Relação de Aspecto.

• REQ-DFM-04: Largura Mínima de Trilha / Espaçamento (Camadas Externas).

• REQ-DFM-05: Largura Mínima de Trilha / Espaçamento (Camadas Internas).

• REQ-DFM-06: Anel Anular Mínimo (Camadas Externas).

• REQ-DFM-07: Anel Anular Mínimo (Camadas Internas).

• REQ-DFM-08: Diâmetro Mínimo de Microvia.

• REQ-DFM-09: Espaçamento Mínimo de Microvia.

• REQ-DFM-10: Espaçamento Mínimo Entre Microvias de Níveis Diferentes (Vias Escalonadas).

• REQ-DFM-11: Preenchimento de Microvia.

• REQ-DFM-12: Espessura da PCB e Empilhamento (exemplos de 6, 8 e 10 Camadas)

• REQ-DFM-13: Tipos de Vias.

• REQ-DFM-14: Definição de Impedâncias de Trilhas de Terminação Única.
• REQ-DFM-15: Definição de Impedância de Pares Diferenciais.
• REQ-DFM-16: Definição de Back Drilling se necessário.
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• REQ-DFM-17: Folgas da Máscara de Solda (especialmente em pads muito pequenos, i.e., BGAs)
• REQ-DFM-18: Folgas do SilkScreen.
• REQ-DFM-19: Tamanhos do SilkScreen.

Exemplos de Requisitos DFA

• REQ-DFA-01: Montagem unilateral ou bilateral e tecnologia de montagem.

• REQ-DFA-02: Padronização e unificação de componentes.
• REQ-DFA-03: Folgas de Componentes.
• REQ-DFA-04: Alturas dos componentes.
• REQ-DFA-05: Distância entre componentes e borda da PCB.
• REQ-DFA-06: Faixas de PCB para transportadores.

• REQ-DFA-07: Fiduciais (Tamanho, posição e quantidade por lado).

• REQ-DFA-08: Máscara de Pasta (abertura e reduções).
• REQ-DFA-09: Tecnologia de solda através de furo (onda, seletiva, manual).

Uma vez que um design é concluído e atende aos requisitos mencionados acima, o primeiro passo é a análise DRC usando a ferramenta de Verificação de Regras de Design (Design Rule Check). Esta ferramenta verifica todos os parâmetros que definimos nas regras contra o que foi projetado e fornece um relatório de quaisquer parâmetros que não foram seguidos. Esta ferramenta pode permanecer ativa durante toda a fase de design (DRC Online) para que o Altium nos notifique em tempo real se alguma regra estiver sendo violada. 

Quando o DRC mostrar zero erros, estaremos prontos para gerar a documentação necessária para enviar ao fabricante e montador de PCBs. 

• Arquivos Gerber
• Arquivos de perfuração
• Arquivos ODB++
• Lista de Materiais (com alternativa para componentes críticos)
• Arquivos de coordenadas de componentes (XY) para máquina de Pick & Place
• Desenhos de montagem (arquivos Draftsman) em PDF
• Procedimentos de Inspeção, Teste e Programação, se necessário
• Instruções Especiais de Montagem (montagem de dissipador de calor, dispensação de revestimento ou o que for necessário)

Se atendermos a todos os requisitos de design relacionados com DFM (Design for Manufacturability) e DFA (Design for Assembly), passarmos no DRC (Design Rule Check) sem erros e enviarmos ao fabricante toda a documentação necessária para a fabricação e montagem da nossa placa, teremos reduzido significativamente a incerteza em caso de falhas funcionais durante a fase de validação do nosso design. Isso nos permitirá descartar problemas de fabricação e/ou montagem, possibilitando-nos focar exclusivamente na análise do circuito projetado. 

Principais Conclusões

A Importância de Projetar com DFM/DFA em Mente

Os projetistas de PCB devem lembrar que o que eles estão desenhando em um computador deve eventualmente ser trazido à vida no mundo real. O papel (ou, neste caso, o computador) pode acomodar qualquer coisa, mas a realidade é bem diferente. Portanto, é crucial projetar considerando as capacidades e os processos de fabricação de um PCB e PCBA.

A Necessidade de Tratar DFM/DFA como Requisitos de Design desde o Início

É essencial tratar os requisitos de DFM/DFA como um conjunto adicional de critérios, tão importante quanto os requisitos funcionais ou de sistema. Não levar isso em conta desde o início do projeto pode levar a atrasos e excessos de custos que poderiam colocar em risco o sucesso do projeto.

Interagir com os Fabricantes Antes de Iniciar o Design

Construindo sobre o ponto anterior, é altamente recomendado (se não obrigatório) comunicar-se com os fabricantes e, se possível, selecionar o fabricante antes de iniciar o processo de design. Isso garante um entendimento completo das capacidades e materiais deles, permite a verificação de cálculos de impedância, etc. Abordar essas questões durante ou após a fase de design pode levar a surpresas desagradáveis.

Dê a Devida Importância ao DRC (Verificação de Regras de Design)

Não subestime a importância da ferramenta DRC (Design Rules Check). Este é o primeiro passo após completar o design do PCB para verificar se ele atende aos requisitos de DFM/DFA estabelecidos no início e serve como o primeiro nível de garantia de que o design é fabricável.

O Fabricante Requer Documentação Abrangente

Na conclusão do design, é essencial criar uma documentação de alta qualidade que contenha todos os arquivos necessários para a construção do PCB e, se possível, inclua todas as instruções de montagem e quaisquer outros detalhes adicionais necessários para a fabricação e montagem adequadas da placa. Da mesma forma, se necessário, a documentação deve incluir os diversos processos de inspeção, teste e programação.

Garantindo o Sucesso Através da Integração de DFM/DFA no Design de PCB

Desenhar uma PCB vai além de atender aos requisitos funcionais. É necessário garantir que o design possa ser fabricado e montado com riscos e custos mínimos. Integrando os princípios de Design para Fabricação (DFM) e Design para Montagem (DFA) desde o início, os designers podem reduzir significativamente problemas de produção, atrasos e custos imprevistos que poderiam colocar o projeto em risco.