Como Gerenciar Bibliotecas ECAD para um Design de Layout de PCB Consistente

Nada dói mais do que fazer tudo certo em um projeto de hardware, apenas para sua placa falhar por causa de uma única footprint. Eu já passei por isso, então não repita meus erros. Aprenda a gerenciar bibliotecas ECAD para um design de layout de PCB consistente.

Principais Conclusões

• Uma única footprint incompatível pode custar semanas de atraso, $20.000 em produção perdida e um relacionamento com o cliente. Até mesmo pequenos descuidos podem destruir confiança e cronogramas.
• Desorganização e falta de estrutura nas bibliotecas ECAD estão entre as principais causas de falha de PCB. Processos padronizados e dados de componentes são essenciais.
• Uma descrição de componente forte é mais valiosa do que um número de peça porque garante rastreabilidade, simplifica a substituição e previne redesigns custosos quando peças se tornam obsoletas.
• O design de PCB confiável depende de cinco pilares: símbolos esquemáticos, dados de componentes, simulação, modelos 3D e padrão de terra.
• Simulação, verificações de colisão 3D e footprints compatíveis com IPC previnem erros a jusante que são caros ou impossíveis de corrigir após a fabricação.
• Um sistema disciplinado de gerenciamento de biblioteca transforma o caos em confiabilidade. Processo não te atrasa. Erros sim.

A Footprint de $20K

No início da minha carreira como freelancer, eu estava me movendo rapidamente, ansioso para provar meu valor a um novo cliente. O design estava completo, a fabricação ocorreu sem problemas, e todas as peças estavam em estoque. Duas semanas depois, quando a montagem começou, recebi um e-mail que me fez sentir um frio no estômago: “Pausa na produção – componente da PCB não pode ser colocado na montagem.”

Eu estava convencido de que tinha que ser um problema com o número da peça. Verifiquei a BOM, o esquemático e o layout da placa. Tudo parecia estar correto. Até que não estava.

Uma impressão tinha a pinagem errada. Eu a tinha trocado no meio do design por um teste e esqueci de sincronizá-la de volta ao esquemático. Esse pequeno descuido paralisou a produção.

O resultado? $332 desperdiçados em cinco placas de teste, um atraso de seis semanas e uma perda de $20k em produção. A confiança do cliente – desapareceu. Eles perderam seu prazo e escolheram outro designer para o trabalho de layout. O colega que me havia recomendado permaneceu educado, mas nunca mais consegui outro projeto daquela empresa.

Foi brutal, mas também a lição mais importante da minha carreira. Até os melhores engenheiros cometem erros quando lhes falta estrutura. Eu não tinha uma lista de verificação, nenhuma padronização, apenas o que estava na minha cabeça. Isso tinha que mudar.

Aqui está o princípio fundamental que aprendi:

Mantenha os dados essenciais mínimos para cada peça na sua biblioteca. Para os compradores, o campo mais importante é o Número da Peça do Fabricante (MPN). Mas para os projetistas, é a descrição do componente.

Por quê? Porque os MPNs só importam na hora de comprar peças, e eles envelhecem rápido. Aprendi da maneira difícil que, após apenas alguns anos, você pode perder o acesso às informações das peças, fornecedores ou até mesmo ao fabricante. Sem uma descrição, você precisa decodificar os esquemas antigos para determinar qual era a peça, ou pior, redesenhar essa seção da placa.

Uma descrição detalhada do componente atua como uma salvaguarda. Ela resume a ficha técnica, define características-chave e permite que você encontre rapidamente peças equivalentes e ativas entre os fornecedores. É por isso que engenheiros experientes sempre salvam as fichas técnicas, mesmo para capacitores. Eles sabem que as peças se tornarão obsoletas, e o tempo gasto procurando substituições é produtividade perdida.

Portanto, não, não deveria ser "normal" gastar metade do seu tempo procurando informações de peças. É por isso que agora dependo de ferramentas de gerenciamento de BOM e de um processo padronizado para manter cada componente rastreável, substituível e pronto para produção. Na próxima seção, vou explicar esse sistema, o que garantiu que eu nunca mais perdesse um cliente por desorganização.

Você pode pensar, "Somos pequenos; um processo vai nos atrasar." Eu também pensava assim. Mas, como minha história mostra, até uma equipe de uma só pessoa pode perder algo quando você não respeita o seu próprio processo, descoberto apenas semanas depois, durante a montagem.

Uma única pegada pode arruinar um cronograma. Se uma peça não pode ser colocada, a montagem para. Então, você está soldando à mão, brutal em uma placa de alta densidade.

Estou compartilhando o processo interno que mantinha em minha cabeça para que você não repita meus erros ou prejudique seu cliente. Você não pode esperar para "crescer em" processo. Equipes menores têm menos margem de erro. Um pouco de rigor por peça economiza semanas de trabalho, dezenas de milhares de dólares e protege vendas futuras, fluxo de caixa e a empresa.

O processo não te atrasa. Os erros sim.

Então, qual é a lição? Mantenha uma descrição detalhada do componente para que a peça possa ser recriada no futuro, e verifique as pegadas duas ou até quatro vezes.

Por que as Bibliotecas de Peças Quebram Lançamentos de Produtos Inteiros?

Os problemas mais comuns com bibliotecas de peças são os seguintes:

Registros Apenas com Número de Peça do Fabricante (sem Campos Descritivos)

O que realmente dói é quando um registro tem apenas um número de peça do fabricante e nada para identificar a peça.

Os NPFs se tornam obsoletos, e nem todos os fabricantes mantêm registros de obsolescência de NPFs antigos. As empresas também são adquiridas e os registros antigos se perdem com o tempo, especialmente em produtos de longa duração como sistemas aeroespaciais. Quando tudo o que você tem é um número de peça, as informações que estavam online por anos podem de repente desaparecer hoje.

BOMs de Fornecedor Único, Pontos Cegos do Ciclo de Vida

Na semana passada, eu submeti um BOM para um cliente. As verificações de layout e Gerber estavam bem, mas as peças não estavam em estoque, algumas estavam com estoque baixo (<1–2k unidades), e não havia fornecedores alternativos. Em designs mais antigos, os engenheiros tinham mais de oito fontes e alternativas. Tudo corria suavemente.

Os compradores muitas vezes precisam contar com mais de uma fonte, o que significa que os engenheiros precisam fornecer opções alternativas de fornecedores na BOM. Caso contrário, a montagem é atrasada e o designer precisa gastar tempo extra procurando em sites de distribuidores para encontrar estoque.

A Estrutura: Os 5 Pilares de um Componente Sólido

Agora que está claro que uma biblioteca de PCB perfeita é essencial, como podemos prevenir esses problemas? Aqui está uma estrutura robusta para usar no design e produção de hardware. Existem cinco elementos chave que todo dispositivo/componente deve ter na sua biblioteca de peças. Grave-os na sua base de dados e nunca os ignore. Adicione qualquer outra coisa que desejar, mas sempre inclua estes.

Em bibliotecas ECAD, modelamos o equivalente digital daquele dispositivo físico no nosso software de design. Para fazer isso corretamente, devemos mostrar:

Propriedades do produto

• Informações sobre a peça: disponibilidade, preço, quantidade mínima de pedido, descrição e mais.
• Funcionalidade elétrica: Modelos de simulação (como SPICE, IBIS, etc) para prever o comportamento sob diferentes condições antes de gastar dinheiro com construções e testes. Muitas vezes ignorado em ciclos apressados quando cálculos manuais e fichas técnicas parecem suficientes.
• Modelo 3D: Uma representação 3D do dispositivo mostrando altura, tamanho e forma, o que é importante para mostrar o posicionamento da PCB dentro de um invólucro.
• Interface da PCB: A área na PCB onde a peça se encaixa, a pegada da PCB, para corresponder à peça física real.

Pilar 1 - Símbolo Esquemático

Um símbolo esquemático é a representação conceitual de uma peça. Ele transmite como a peça funciona, incluindo pinos, nomes dos pinos e convenções de símbolos padrão.

A representação visual correta é importante, então não use caixas genéricas. Por exemplo, para um resistor, use um símbolo de resistor apropriado, não uma caixa.

Pilar 2 - Informação do Componente

Esta é a parte mais importante de qualquer dispositivo porque define tudo o mais. Sem os dados da peça, você não pode comprá-la ou construí-la. Cada peça precisa das seguintes informações:

Descrição do Componente

Isso identifica a peça no seu banco de dados e é a maneira mais rápida de proporcionar uma ampla capacidade de busca baseada em especificações. Usar apenas o número da peça do fabricante para a descrição do componente não é prático porque não permite a busca por especificação. Uma descrição abreviada com algumas especificações-chave é melhor. Exemplo: em vez de LTST-C193TBKT-5A, use LED AZUL TRANSPARENTE CHIP SMD.

Mas vamos levar isso ainda mais longe. Aqui está a minha convenção de nomenclatura:

Forma longa (canônica):

LED AZUL 470NM TRANSPARENTE INDICAÇÃO DISCRETO 2.8V 0603 (1608 MÉTRICO) SMD

Média (amigável ao ERP):

LED AZUL 470NM TRANSPARENTE 2.8V 0603 (1608 MÉTRICO)

Ultra-curta (etiqueta/item de linha):

LED AZUL 470NM 0603

Eu escolheria a opção 2, a versão Média (amigável ao ERP).

Descrição do Componente

Uma descrição do componente inclui função, parâmetros-chave e tipo de embalagem. Um “LED simples” não é apenas simples. Capture esses detalhes para que seja identificável e utilizável.

Descrições precisas de peças tornam possíveis substituições informadas. Para um LED, você precisa de dados como tensão/corrente direta e brilho (classificação em mcd). Um nome como "LED AZUL TRANSPARENTE CHIP SMD" funciona como um nome de peça, mas não como uma descrição completa. Isso não ajudará você a encontrar uma substituição sem uma ficha técnica.

Uma descrição melhor é: "LED de Indicação Azul 470nm – Discreto 2.8V 0603 (1608 Métrico)." Ela inclui diretamente a tensão direta, comprimento de onda e tamanho do pacote, o que é informação suficiente para localizar rapidamente uma peça similar através de uma simples busca por palavras-chave.

Compare isso com uma descrição ruim como "LED Azul SMD." Isso não diz nada sobre a tensão direta, luminosidade, pegada precisa, etc. Isso força você a abrir a ficha técnica para este MPN, localizar as especificações elétricas básicas e comparar isso com os requisitos de engenharia ou o design no esquemático. 30 minutos para um LED. Escalando isso para 40 peças em um BOM de 200 itens, as horas (e custos) desperdiçadas são óbvias.

Ficha Técnica

A única coisa mais valiosa do que a descrição da peça é a ficha técnica. Salve as fichas técnicas de cada peça que você usar, pois os fabricantes mudam os links com frequência. Mantenha uma cópia local e vincule-a ao dispositivo, e também armazene o link do portal da web como um campo da peça.

Pense na hierarquia desta forma:

• Nome do componente: abreviação de nível mais alto para encontrar a peça.
• Descrição detalhada: um nível abaixo; abstração sucinta da ficha técnica.
• Ficha técnica: fonte da verdade.

O propósito do nome da peça é ajudá-lo a detalhar o que você precisa. Pode ou não ser suficiente para trocar ou recriar partes. Quando a descrição contém detalhes suficientes para encontrar uma nova peça, melhor ainda.

Número da Peça do Fabricante

O número da peça do fabricante é obrigatório, mesmo que você tenha uma descrição para a peça. Alguns fabricantes usam números de peças semelhantes ou famílias de números de peças genéricas (por exemplo, lógica da série 7400, componentes da série LM3xx, etc.), então o número da peça precisa ser exato, pois corresponde a um pacote específico, footprint e especificações elétricas.

Nome do Fabricante

Para evitar qualquer confusão ao procurar por peças, é importante ter sempre o nome correto do fabricante. Isso também é útil se você planeja encomendar algumas peças diretamente do site do fabricante.

Fornecedores

É uma boa ideia listar pelo menos um fornecedor. A maioria dos fabricantes vende através de distribuidores franqueados (por exemplo, Digi-Key, Mouser, Avnet, Newark). Use Octopart para ver fornecedores disponíveis e opções de entrega para sua porta ou casa de montagem.

Pilar 3 - Simulação (Quando Necessário)

Quando o desempenho em tempo real importa e você precisa de um design correto na primeira tentativa, a simulação de nível de circuito e layout oferece uma boa comparação para os resultados de testes e ajuda a identificar problemas simples precocemente.

Então, o que podemos fazer para simular nossas peças? 

• Modelos SPICE, para operação básica de circuitos, análise de falhas, especialmente em eletrônica de potência.
• Modelos IBIS, para simulação e análise de alta velocidade para detectar problemas de impedância antecipadamente. Use para tempos de subida e frequências de placa em torno de 1 GHz e acima. Praticamente obrigatório para digital de alta velocidade (DDR, PCIe Gen 3/4/5, USB 3.2). Para qualquer coisa próxima a ~10 GT/s e superior, simule com IBIS para validar antes de testar. Tenha em mente que os resultados podem variar com o material dielétrico da PCB.

Pilar 4 - Modelo 3D/MCAD

Muitos produtos têm folgas apertadas em invólucros mecânicos, então cada milímetro em X, Y e Z importa. Usando a verificação de colisão 3D contra o invólucro, um problema de interferência pode ser localizado antes de construir qualquer protótipo de montagem.

Mesmo em 2021, não era incomum trabalhar apenas com footprints, mas se você vai para produção, inclua modelos 3D e execute testes de colisão. Se a peça não pode ser colocada na PCB, você não tem um produto. A peça existe além da PCB. Os formatos 3D típicos são STEP (AP224, AP214, etc.). Colete esses modelos e mantenha-os organizados.

Pilar 5 - Padrão de Terra na PCB

Precisamos colocar a peça na PCB. O padrão de contatos define as almofadas de cobre onde o componente será soldado. Há o padrão de contatos recomendado pelo fabricante e o padrão de contatos realista, que depende da densidade do layout da PCB conforme definido nas normas IPC. Opções como Condições de Material Mínimo, Nominal e Máximo nas IPC-7351/7352 têm o objetivo de equilibrar o espaçamento entre pinos de peça para peça contra a necessidade de formar um filete de solda suficientemente grande.

Dada a sua importância, aqui está o que eu sempre verifico para footprints.

Checklist de Footprint de PCB

• Polaridade do pino-1
• Percentual de redução de pasta anotado (0% é o padrão atualmente. O fabricante mudará isso)
• Courtyard
• Dimensões do pad especificadas (evita que cada engenheiro tenha que fazer isso manualmente todas as vezes)
• Racional para Mais/Nominal/Menos
• Regiões de keepout

Há mais verificações a fazer, mas estas são as mais importantes. Você não quer descobrir durante o layout que uma peça deixa pouco espaço em uma PCB de alta densidade. Você terá que mudá-la ou encontrar o footprint ou peça correta de qualquer maneira. Faça o trabalho agora, ou faça o dobro do trabalho depois.

Conclusão e uma Forte Recomendação

"Um projeto de PCB é tão bom quanto sua biblioteca CAD." Isso é o que me lembro do meu encontro com Tom Hausherr durante o período de festas de dezembro de 2021, enquanto ele compartilhava histórias de guerra da liderança nas atualizações do IPC-7351.

A lição foi clara: os componentes ditam o sucesso do PCB. Todo fracasso irreparável que tive remontava a uma falha de componente. Com as peças certas, um circuito defeituoso muitas vezes pode ser ajustado, mas não os dispositivos em si. E após a fabricação, encontrar um substituto compatível com a pegada é um risco, sem mencionar o tempo perdido dessoldando e retrabalhando em vez de testar.

Seja para construir eletrônicos de potência confiáveis ou sistemas digitais avançados, Altium Develop une todas as disciplinas em uma força colaborativa. Livre de silos. Livre de limites. É onde engenheiros, designers e inovadores trabalham como um só para co-criar sem restrições.Experimente Altium Develop hoje!