A Importância de Ter um Formato de Dados de Fabricação de PCB Moderno

Recentemente, publiquei um BLOG no Altium sobre a mais recente eSmart Factory em New Hampshire. Utilizando o que há de mais moderno em maquinário e processos de última geração, ela pode produzir substratos complexos de múltiplas camadas e HDI quase perfeitos com geometrias extremamente finas em apenas alguns dias, e sem nunca ser auxiliada ou tocada por mãos humanas, tudo isso enquanto não emite nada que prejudique o meio ambiente—zero efluentes.

Digitalização para a Fábrica Inteligente

Esta tecnologia moldará as maneiras como os circuitos impressos são fabricados por anos a vir. A vantagem de ser uma ‘Fábrica Inteligente Totalmente Digital’ é também sua potencial fraqueza. Não há trabalhadores para ler um determinado projeto de receita ou ajustar quaisquer máquinas! Esta é uma “Fábrica Inteligente Totalmente Digital” e precisa de receitas digitais para tudo. Entre o programa de comunicação de design digital IPC-2581. Como visto na Figura 1, o comitê do programa IPC-2581 está criando um fio condutor digital que permitirá que as ferramentas de design produzam um arquivo XML digital que pode dirigir a ‘Fábrica do Futuro’ ou a Fábrica Inteligente.

FIGURA 1: Digitalização das características de design para a Fábrica Inteligente. (Fonte: apresentação IPC APEX 2017)

Formatos Populares de Saída de Design de PCB Inteligente

Para possibilitar a digitalização de fábricas inteligentes na fabricação de eletrônicos, já houve vários esforços para consolidar e padronizar as exportações de dados de fabricação de modo que o tamanho dos pacotes de arquivos seja reduzido. Os dois formatos de saída mais populares com os quais os projetistas de PCB estarão familiarizados são:

• Gerber X2
• ODB++

Gerber X2 é apenas uma melhoria incremental sobre o RS-274-X, enquanto o ODB++ está muito mais próximo de um formato de dados verdadeiramente inteligente. Ainda assim, aproximadamente 70-80% dos pacotes de arquivos de saída de PCB estão no formato RS-274-X, que ainda requer arquivos adicionais para comunicar completamente as informações necessárias para construir e montar o PCB.

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Em 2020, o formato Gerber X3 foi introduzido pela Ucamco, o qual oferece uma melhoria significativa em relação ao formato de arquivo X2. O formato consolida informações de montagem (BOM, pick-and-place, etc.) e metadados adicionais (designadores de referência, descrições de componentes, etc.) no pacote padrão de exportação de arquivos Gerber. Isso faz com que o pacote X3 se pareça muito mais com uma exportação ODB++ e fornece aos fabricantes as informações de que precisam com menos arquivos.

IPC-2581

O padrão em evolução IPC-2581 é uma das razões pela qual o Padrão IPC-CFX-2591 foi desenvolvido tão rapidamente. O padrão de design para fabricação tem sido um foco da IPC por quase 30 anos. A transferência de dados de CAD para CAM tem sido uma de múltiplos arquivos, especificações e notas, como visto na Figura 28. Primeiramente foi Gerber -> EDIF -> IPC-D-350 -> ODB -> GenCam -> ODB++ -> IPC-2541 -> GenCam 2.0 -> GenCamX -> IPC-2581A e agora IPC-2581B com extensões. Mas a digitalização de todas as informações de produto e fabricação obrigou a indústria a criar um padrão de produto universal, aberto, e o IPC-2581B é o que mais se aproxima de um padrão de consenso. Destacando esse fato é a rápida implementação do CFX.

O progresso tem sido rápido no IPC-2581, mas focado na montagem eletrônica. Os requisitos de processo pesado e CNC para fabricação de PCB têm ficado em segundo plano. Como visto na Figura 2, vários requisitos de dados ainda não foram digitalizados.

O estado atual da fabricação de PCB é caracterizado por esta situação:

• Capacidade da Fábrica de Fabricação de PCB
  • A tecnologia de PCB varia entre ML, HDI, SLP e FPC
  • Alta diversidade, de baixo a alto volume, com centenas de clientes ativos (>15.000 designs/ano)
• Dados do Cliente
  • base de clientes com alta confiabilidade e conformidade com especificações
  • >10 idiomas (Inglês e Chinês simplificado são os mais comuns)
  • nenhum cliente onde todos os designs correspondem à capacidade da fábrica ou às suas especificações
  • muitos clientes têm alguns designs que não requerem DFM TQ’s
  • Unidades em inglês e métricas (às vezes no mesmo pacote de documentos)
  • média >1 revisão de DFM pré-design por design ferramentado
• Ferramentas de Front-end
  • quantidade significativa de capacidade necessária para revisões de DFM pré-design e ECN’s internos
  • designs fornecidos como arquivos CAD, Gerber 274X, ODB++ e IPC-2581
  • o front-end é necessário para notar/resolver quando o design viola as especificações do cliente

FIGURA 2: O objetivo do IPC-2581 é a digitalização completa do produto PCB em um padrão orientado por dados. No entanto, várias áreas ainda não foram abordadas pelo 2581. [Fonte: KORF Consultancy]

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A "Fábrica Conectada para Montagem" - IPC-CFX & Hermes

O IPC-CFX é um Padrão de Rede ABERTO introduzido pelo Instituto de Indústrias de Conexão Eletrônica (IPC) em 2018 (Figura 3). Ele estabelece três elementos críticos para o IoT industrial "plug-and-play":

1. Um Protocolo de Mensagem - usando AMQP.
2. Um mecanismo de codificação - usando {JSON}.
3. Um elemento específico de criação de conteúdo - tópicos e mensagens estruturados.

O novo padrão foi criado muito rapidamente com o envolvimento de mais de 300 empresas industriais trabalhando juntas. Ele é:

• um padrão para habilitar a Indústria 4.0, mas livre e de código ABERTO;
• IIoT "plug & play";
• aberto a todos, com acordos baseados no consenso de >300 participantes;
• máquinas, processos, sistemas e humanos;
• sem licenças, contratos ou dependências, com software DIY e auxílios;
• O foco atual é toda a fabricação de montagem discreta;
• Publicado em abril de 2019.

FIGURA 3: O IPC-CFX é um padrão de protocolo de montagem eletrônica M2M ABERTO e gratuito. [Fonte: IPC]FIGURA 3: O IPC-CFX é um padrão de protocolo de montagem eletrônica M2M ABERTO e gratuito. [Fonte: IPC]

O Padrão Hermes (THS) é um protocolo de controle de linha de baixo nível que passa informações para cima e para baixo na linha de equipamentos:

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• ID do PCB
• Nome do Programa
• Dados chave do produto

Esses elementos permitem a criação de tomadas de decisão automáticas, exibição em painéis, alertas e relatórios. Aplicações que melhoram a produtividade, eficiência, planejamento de capacidade e qualidade, ao mesmo tempo que reduzem custos. Ele permite a total rastreabilidade de componentes (IPC-1782) e feedback para o design (IPC-2581).

O IPC estabeleceu uma metodologia para adicionar/editar novas mensagens para o Padrão CFX, o “Processo de Submissão de Mensagens CFX”, para permitir que ele cresça e seja aplicado por mais máquinas e processos. Há até mensagens CFX para soldagem manual.

Inteligência Artificial ao Resgate

Em 1995, o Laboratório da Hewlett-Packard desenvolveu uma ‘inteligência artificial autodidata’ que poderia auxiliar os projetistas de PCBs em sua complexa tarefa de projetar multicamadas de alta velocidade. O Sistema de IA foi chamado de ‘EXPLOYER’ e trabalhou em conjunto com um software anterior, ‘O Conselheiro de Construção de Placas’, que fornecia informações sobre o processo de fabricação de PCBs e custos. O sistema é mostrado na Figura 4 e enfatiza que a IA pode vir ao resgate para fornecer as informações necessárias para a digitalização da fabricação de eletrônicos.

Estes tópicos fazem parte do vídeo da Keynote apresentada no AltiumLive em 2019 e podem ser vistos no YouTube.

FIGURA 4: O Design Explorer do HP Lab trabalhando com BCA-IPDA e ferramentas de CAD EDA para projetar multicamadas de alta velocidade

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