As 5 Principais Dicas de Design para Fabricação para 2019

Recentemente, ao navegar por um importante blog da indústria eletrônica, me deparei com um artigo sobre os 10 principais erros de ‘design para fabricação’. Li o artigo pensando que poderia ser interessante e inovador, mas, para minha surpresa, era essencialmente uma cópia de um artigo que eu tinha lido há 10 anos, que por sua vez era uma reedição de um artigo quase 10 anos mais velho. Não sou fã de reprocessar artigos antigos e rotulá-los como ‘novo’ conteúdo, pois é uma maneira primordial de criar e perpetuar falsas regras de ouro ou pior, ‘melhores práticas da indústria’ inválidas. A indústria eletrônica muda tão rapidamente que a maioria do conteúdo escrito há mais de uma década agora está obsoleto. Vamos dar uma olhada em alguns dos principais erros mencionados nesses artigos e esclarecê-los, e então considerar algumas dicas realmente importantes que são relevantes para os padrões da indústria atual.

Principais Erros nos Principais Erros

Evite Ângulos Agudos

Estamos agora no segundo semestre de 2019; estamos em uma era onde até mesmo os PCBs protótipos mais baratos e triviais recebem uma verificação por sonda voadora para descartar placas que apresentem qualquer falha elétrica, mesmo que o problema tenha sido no processo de corrosão. O principal erro que um artigo antigo que li nos advertia a evitar eram os ângulos agudos, porque eles podem criar armadilhas de ácido. Se você está usando transferência de toner e corrosão caseira, isso pode ser verdade, mas com métodos de fabricação modernos, isso não vai ser um problema.

Soluções de corrosão fotoativadas usadas em placas com camadas de resistência fotoativada são muito comuns em fábricas de placas. Esses agentes corrosivos proporcionam características nítidas e precisas, e se o agente corrosivo se acumular, ele não receberá luz suficiente para ativar. Você pode até usar camadas de resistência fotoativada em casa com muita facilidade. Os processos de corrosão contemporâneos tornam as armadilhas de ácido muito menos um risco do que nunca foram no passado.

Evite Via-em-Pad

Eu geralmente concordo que usar via-em-pad é um erro. No entanto, o artigo usou um exemplo no qual o via-em-pad deveria realmente ter sido usado por razões térmicas. Muitos dispositivos de alta corrente exigem via-em-pad a ponto de o fabricante recomendá-lo para o footprint. É a única maneira de você conseguir dissipar o calor do pacote de forma eficiente o suficiente.

O artigo afirmou que, se você usar um via-em-pad, ele vai sugar todo o solda e deixar você com uma junta seca. Isso é 100% verdade; a ação capilar realmente puxará o solda através, no entanto, cobrindo a via em ambos os lados vai prevenir isso completamente. Em casos específicos, se você realmente não quer nenhuma máscara de solda no seu pad, você pode cobrir apenas o lado oposto da via ao pad. Isso funciona para vias de até 0.4mm com bastante confiabilidade, mas se você ainda estiver hesitante, você pode adicionar um pouco de silkscreen à via no lado oposto também, garantindo assim que a via esteja completamente tampada.

Por acaso, não são apenas vias no pad que você precisa ter cuidado. Se você colocar uma via que não foi coberta (tentada) muito próxima a um pad, ela também pode sugar solda do seu pad.

Evite Usar Múltiplos Tamanhos de Ferramentas

O artigo argumentou que se o seu fabricante vai trabalhar com tolerâncias incrivelmente apertadas, usar uma multiplicidade de tamanhos de furos similares, porém não exatamente idênticos, na sua placa pode aumentar o custo da sua placa. No entanto, uma olhada na tecnologia de perfuração de hoje mostra que isso está longe de ser verdade. Os magazines de ferramentas em furadeiras industriais de PCB contêm praticamente todos os tamanhos de micro brocas conhecidos pela humanidade, e as trocas de ferramentas são incrivelmente rápidas. Mesmo que todos os furos de 13,5mil e 14mil sejam perfurados por brocas de tamanho exato, isso pode levar apenas um ou dois segundos extras por folha de PCB. Geralmente, a fábrica de placas apenas arredondará todos esses furos para um tamanho, desde que o dimensionamento se encaixe dentro de seus requisitos de tolerância ou dentro das tolerâncias que você especificou em um desenho.

O mesmo vale para slots em uma PCB. Eu não encontrei uma fábrica de PCB que me penalize por usar slots muito pequenos (30-40mil) ou especifique uma rota de fresagem separada para quadrar os cantos de um slot com uma fresa de 20mil.

Evite Serigrafia nos Pads

Evitar que a serigrafia de um componente acabe no pad de outro pode ser impossível para uma placa com trilhas muito próximas. Na minha biblioteca Altium, eu uso tanto um ponto de designação do pino 1 na serigrafia quanto um recurso de serigrafia sob o componente, quando possível, para facilitar a identificação da orientação por essa exata razão. Ainda não encontrei uma fábrica de placas, seja econômica ou cara, que não limpe automaticamente a serigrafia dos pads para você, ou pelo menos pergunte se você quer que façam isso.

Se você recebeu uma placa com serigrafia em um pad, isso certamente poderia causar problemas sérios com a molhabilidade do solda naquele pad, o que causaria uma junta ruim. Com os fabricantes de hoje, no entanto, não é um problema que eu tenha experimentado.

Não Adicionar Máscara de Solda Entre os Pads

Este "erro" apenas me faz balançar a cabeça em espanto. Como é possível esquecer-se de adicionar máscara entre os pads numa placa? Altium e praticamente todas as outras ferramentas de design cuidarão disso para você. Muitos componentes de passo fino têm espaços de folga entre os pads que não permitem qualquer máscara de solda entre os pads. No entanto, já vi o Altium gerar máscara entre os pads com 1/1000 de mil de largura. Até as regras de design padrão no Altium funcionam perfeitamente para especificar máscara de solda entre os pads.

Se a máscara entre os pads for muito pequena, uma boa fábrica de placas irá informá-lo antes de prosseguir, e uma fábrica menos preocupada simplesmente eliminará a funcionalidade e continuará.

Footprints de Tamanho Errado

Há anos que venho publicando uma grande biblioteca de componentes de código aberto que permite colocar peças reais e compráveis no seu design ao nível da captura esquemática. Com modelos 3D completos e precisos, e a visualização 3D da placa pelo Altium, bem como a verificação de colisão em corpos 3D, é muito difícil completar um design onde as partes colidem. Agora, você pode obter a mesma funcionalidade para uma gama mais ampla de componentes usando o Concord Pro, um produto adicional para Altium.

Já faz pelo menos 5 anos desde que fui capaz de especificar erroneamente uma peça na minha lista de materiais que não se encaixaria na pegada que coloquei na placa. Vou relegar esse 'erro' a não usar as melhores ferramentas durante o design, em vez de ser um erro com o próprio processo de design.

Minhas Principais Dicas

Agora que eliminamos uma ampla gama de 'principais erros' dos anos passados, vamos olhar para algumas dicas que podem ajudá-lo se você está apenas começando a projetar para a fabricação.

Clareza ao Redor dos Fixadores

É muito fácil colocar um furo mecânico para um fixador e esquecer de levar em conta o tamanho da cabeça desse fixador. Algo que é maior, mas ironicamente mais fácil de esquecer, é a arruela para esse fixador. Geralmente, coloco uma via com o furo de folga correto para o fixador e especifico o anel (o círculo de cobre anexado a ele) para ser do mesmo tamanho que a maior arruela disponível para esse fixador (onde existem múltiplos padrões de arruelas), mais um pouco extra. Se você realmente precisa passar uma trilha sob a cabeça do fixador e não consegue fazer de outra maneira, adicione uma serigrafia sólida sobre a área do fixador como proteção extra para sua trilha. A pequena quantidade de proteção extra que a serigrafia proporciona pode ser o que salva sua trilha de danos quando alguém aperta demais o fixador.

Para ter certeza, adicione um modelo 3D do fixador à sua placa e monte-o no furo. Isso garantirá que você possa colocar e retirar o fixador, e você não acaba colocando o corpo de outro componente no caminho.

Distância de Segurança do Cobre até as Bordas da Placa

A Altium basicamente cuida disso para você. No entanto, se você ignorou as configurações padrão para encaixar uma trilha, certifique-se de que ela não esteja muito próxima à borda. Muitos artigos online mencionam a corrosão como o impedimento inegável ao otimizar o afastamento do cobre, porque você não quer cobre exposto e sem revestimento. Ao executar uma trilha fina perto da borda da placa, no entanto, a fresa/end mill pode lascar a trilha e destruí-la. Ao usar o V-Scoring para separar placas em um painel, o corte ocupa uma certa largura e nem sempre é perfeitamente preciso, o que pode facilmente danificar ou remover a trilha também.

Após fazer slots na placa, eu geralmente faço uma verificação final para tentar encontrar erros de afastamento antes de submeter meu trabalho. Houve vezes em que, por engano, passei uma trilha em uma camada interna bem por cima de um slot. Nas preferências da sua placa, defina a camada de usinagem para a camada na qual você tem seus caminhos de usinagem para que a Altium renderize os slots em visualização 3D. Depois disso, copie a camada de usinagem para a sua camada de keep-out para garantir que as regras de design destaquem quaisquer problemas existentes e evitem futuros.

Proteja Suas Vias

A Altium possui regras de design para expansão da máscara de solda em vias que podem ser usadas para tenting, então faça uso delas. Qualquer coisa abaixo de 15mil/0.4mm deve ser coberta. Acima disso, você pode querer considerar quão espessa é a máscara de solda da sua fabricação de placas. Uma via totalmente coberta e fechada é uma coisa boa, pois impede que qualquer material corrosivo, como fluxo, sujeira e umidade, entre no buraco e corroa sua via.

Quando o buraco fica grande demais para ser totalmente coberto, tentar cobri-lo pode, em vez disso, criar um buraco quase totalmente coberto que mais facilmente aprisiona as coisas que você está tentando manter fora. Nessas circunstâncias, você está melhor usando vias não cobertas e permitindo que o revestimento proteja o buraco. Mantenha a folga da máscara de solda ao redor do buraco bastante pequena, pois você não quer que a via se torne um local potencial para um curto-circuito.

Placas de especificações muito altas provavelmente terão as vias preenchidas com epóxi durante a fabricação. Se você está projetando essas, as dicas que cobrimos provavelmente não são relevantes para você, pois você já passou da necessidade de qualquer dica de design para fabricação!

Placas de Dupla Face

Muitos produtos que eu projeto utilizam placas de dois lados. No entanto, você deve ter um bom motivo para optar por uma placa de dois lados. Se você estiver tentado a colocar apenas um ou dois componentes passivos na parte inferior da placa, pode estar causando muitos problemas para si mesmo quando chegar à montagem. Ou se comprometa totalmente com um design de dois lados ou permaneça com um lado só. Se você não tem um motivo realmente bom para colocar peças nos dois lados da placa, simplesmente fique com a camada superior. Se restrições de tamanho ou especificações de densidade da placa exigirem uma quantidade significativa de componentes na parte inferior, então que assim seja.

Você também pode considerar o uso de um componente de pacote menor para recuperar algum espaço na placa. Para a maioria dos montadores, um componente 0402 é simples e será muito mais barato do que colocar componentes nos dois lados da placa. Muitos montadores não terão custos extras significativos ou desperdício ao usar passivos 0201, o que pode lhe dar uma enorme quantidade de espaço livre mesmo se você já estiver usando peças 0402. Verifique com seu montador antes de usar 0201 ou menor, já que máquinas mais antigas podem não ser capazes de manuseá-los de forma confiável. Se o montador puder lidar com componentes menores, provavelmente será muito mais barato do que depender da montagem de dois lados.

Verifique Seus Arquivos de Saída

Finalmente, e espero que isso não precise ser dito, certifique-se de que todos os seus arquivos de saída estão lá. Já passei por situações em que esqueci de adicionar arquivos de perfuração NC a um arquivo de trabalho de saída, ou desmarquei acidentalmente uma camada a mais para os gerbers. Use um visualizador de gerber, mesmo que seja apenas o integrado ao Altium, para verificar se todos os seus polígonos estão completamente renderizados, todas as suas perfurações estão no lugar, e a serigrafia e máscara estão presentes onde necessário. Se você estiver enviando a placa para um montador ou um fabricante contratado, certifique-se de ter as camadas de pasta, centros de pick and place e desenhos de montagem exportados também.

Dica Bônus - Térmicas

Tenho que admitir, térmicas são um pouco uma irritação pessoal para mim. Alguns softwares por padrão adicionam térmicas em praticamente tudo. Se você adicionar uma via, ela ganha uma térmica; adicione um pad, ele ganha uma térmica. Térmicas podem criar pontos de alta indutância e começar a causar problemas com sinais de velocidade moderada e alta. Em situações de alta corrente, a seção transversal de cobre baixa da térmica pode não ser capaz de conduzir corrente suficiente.

Os térmicos podem facilitar a soldagem manual em grandes áreas de cobre, e podem ter sido necessários para máquinas de soldagem por onda mais antigas. Se você está projetando uma placa principalmente de montagem superficial com algumas peças through-hole, como conectores, não há muitos casos de uso para um térmico em um pad. As peças de montagem superficial passarão por soldagem por refusão, enquanto as peças through-hole serão soldadas com uma máquina de solda seletiva.

Esta capacidade de impedir a transferência de calor do pad para uma grande área de cobre funciona nos dois sentidos. Por um lado, pode tornar a montagem um pouco mais fácil, mas, por outro, também impedirá que qualquer calor escape de um pacote. Já vi várias placas de produção com um D-Pak (TO-252) ou um pacote similar que tinha térmicos no pad de terra, o que destrói completamente a capacidade do pacote de dissipar calor.

Densidade de corrente em pacote de alta amperagem com térmicos ativados. Imagine os problemas térmicos.

Da mesma forma, térmicos em vias limitarão severamente a quantidade de corrente e calor que podem transferir. Ainda pior, agrupar vias juntas para transferência extra de calor ou corrente pode privar a área de qualquer cobre e dizimar a capacidade de condução de corrente ou calor em toda a região.

Se você está projetando placas para fabricação moderna e processos de montagem, pode adicionar recursos que não teriam sido confiáveis há uma ou duas décadas. O volume e a complexidade das placas nos últimos 20 anos aumentaram exponencialmente. Para permitir esse ritmo de mudança, os fabricantes de PCB têm utilizado métodos mais eficientes, mais precisos e mais eficazes para criar placas para designs altamente sofisticados. O teste elétrico pós-fabricação é padrão até mesmo nas instalações de fabricação com o menor orçamento e captura a grande maioria dos problemas de produção. Se você está projetando uma placa de alta corrente usando uma ferramenta de análise de distribuição de energia como PDN Analyzer da Altium, pode ajudar a identificar erros relacionados à área de cobre insuficiente para a aplicação. Se o seu design não for robusto o suficiente para lidar com as exigências de corrente, frequência ou requisitos térmicos da aplicação, não importa se a placa é funcional eletricamente ou não.

Tem mais perguntas? Ligue para um especialista na Altium.