Do esquema ao PCB montado: fabricar um protótipo eletrónico

1. Esquema e escolha dos componentes: disponibilidade, encapsulamentos, ciclo de vida.
2. Encaminhamento (routing): implantação e traçado segundo as regras do fabricante.
3. Revisão DFM: verificação das regras de fabrico e de montagem.
4. Ficheiros de fabrico: Gerber, furação, contorno, lista de materiais, posições dos componentes.
5. Fabrico do circuito nu (PCB).
6. Aprovisionamento dos componentes.
7. Montagem: pasta de soldar, colocação, refusão, componentes de furo passante.
8. Inspeção, testes, e depois programação do firmware.

A título indicativo, um circuito nu de protótipo fabrica-se em alguns dias úteis, mas são muitas vezes os componentes, a sua disponibilidade e os prazos de aprovisionamento que determinam o prazo total: lance cedo as compras críticas. Pode confiar toda a cadeia, ou parte dela, a um fornecedor: veja a subcontratação em eletrónica.

O preço de um protótipo compõe-se do circuito nu (superfície, número de camadas, acabamento, prazo), dos componentes e da montagem. Os fabricantes de protótipos agrupam muitas vezes várias encomendas num mesmo painel de fabrico, o que torna acessíveis as pequenas quantidades. Na montagem, os custos de lançamento (stencil de deposição de pasta, programação da máquina de colocação, afinação da linha) pesam muito numa placa única: o preço de mais algumas placas é muitas vezes baixo face a esses custos.

Entregue um processo comprimido, claramente nomeado, numa única versão. O ODB++ e o IPC-2581 agrupam estes dados num único formato: pergunte ao seu fabricante o que aceita. Abra os seus Gerber num visualizador antes do envio: é a forma mais rápida de detetar uma camada em falta. Veja também os formatos de ficheiros de fabrico.

• Camadas: uma ou duas para placas simples; quatro ou mais assim que a densidade, a integridade dos sinais ou os planos de alimentação o imponham.
• Substrato: o FR-4 é o mais corrente; poliimida para o flexível, alumínio para os LED, laminados especiais para as altas frequências.
• Espessura e cobre: 1,6 mm e 35 µm (1 oz) são os valores standard; uma corrente forte pede mais cobre.
• Acabamento de superfície: o HASL, económico, deixa uma superfície menos plana; o ENIG (níquel-ouro) convém a passos finos e BGA.
• Capacidade: largura de pista, isolamento, diâmetro de furação, vias cegas ou enterradas, impedância controlada. A título indicativo, pistas e isolamentos de cerca de 0,15 mm (6 mil) e uma furação de 0,3 mm entram no standard da maioria dos fabricantes; abaixo disso, é uma opção mais cara.

As classes IPC descrevem o nível de exigência: IPC-6012 para o fabrico de circuitos rígidos, IPC-A-610 para a aceitabilidade das placas montadas. A classe 1 destina-se a produtos gerais, a classe 2 a produtos cujo serviço deve manter-se duradouro, a classe 3 à alta fiabilidade (equipamentos críticos, setor médico, aeronáutica). A classe 2 é a referência da maioria dos produtos industriais: exigir a classe 3 para um protótipo sobrecarrega o processo se o seu produto final não for sujeito a ela.

Para uma impedância controlada, peça ao fabricante o seu empilhamento standard antes de encaminhar: determina as larguras de pista, e modificá-lo depois obriga a refazer o encaminhamento.

A lista de materiais (BOM)

Uma BOM utilizável indica, para cada linha, as referências (R1, C3…), a quantidade, o valor, o encapsulamento, o fabricante e a sua referência, e as alternativas aceites. Marque os componentes a não montar. Verifique a disponibilidade antes de fechar o processo: um componente esgotado ou obsoleto atrasa todo o projeto, e prever uma alternativa compatível para as referências de risco evita refazer o processo. Escolha quem aprovisiona: o próprio, o montador (chave na mão) ou uma combinação dos dois. A oficina prevê muitas vezes um excedente de pequenos componentes para as perdas de colocação, e as bobinas têm quantidades mínimas.

O ficheiro pick and place

Exportado da sua ferramenta de CAD, indica para cada componente a sua referência, as suas coordenadas X e Y, a sua rotação e a sua face. As convenções de rotação diferem de uma biblioteca e de uma máquina para outra: um componente polarizado (díodo, condensador eletrolítico, circuito integrado) pode ser montado ao contrário. Junte um desenho de montagem que assinale a polaridade e o pino 1, e peça uma validação antes do lançamento.

• SMD (componentes de montagem em superfície): soldados à superfície, sem furação, nas duas faces. A pasta de soldar é depositada através de um stencil, os componentes são colocados por uma máquina e passam depois ao forno de refusão. Esta tecnologia convém a encapsulamentos finos; as juntas ocultas dos BGA e, em parte, dos QFN controlam-se por raios X.
• Furo passante: os terminais atravessam furos metalizados. É mecanicamente mais robusto, daí o seu uso em conectores, transformadores, condensadores grandes e blocos de terminais. A soldadura faz-se por onda, de forma seletiva ou à mão: mais operações, logo um custo unitário mais elevado.

A placa mista é a mais corrente: SMD primeiro, depois componentes de furo passante. Privilegie o SMD sempre que possível e reserve o furo passante para as peças sujeitas a esforços ou a correntes fortes. Uma montagem nas duas faces duplica as passagens de colocação e de refusão: para um protótipo económico, é preferível montar uma só face. Se pretende soldar você mesmo um primeiro exemplar, encapsulamentos de tamanho 0603 ou superior e passos de 0,5 mm ou mais continuam acessíveis; os BGA soldam-se, na prática, por refusão. Na União Europeia, a diretiva RoHS limita o uso do chumbo: a montagem faz-se em geral com solda sem chumbo, e qualquer exigência particular deve ser assinalada. Veja o glossário: SMD e circuito impresso.

Cinco verificações DFM antes do envio

1. Execute as regras de conceção (DRC) com as capacidades do seu fabricante.
2. Verifique cada pegada na ficha técnica do componente: uma pegada errada obriga a refazer a placa.
3. Deixe espaço em redor dos componentes para a colocação e o retrabalho, e uma zona livre de alguns milímetros na borda da placa para o transportador e o recorte.
4. Acrescente marcas de referência (fiducials) para a visão das máquinas e pontos de teste acessíveis.
5. Cuide dos pads dos pequenos componentes passivos: pads assimétricos favorecem o efeito «tombstone», em que o componente se levanta durante a soldadura.

Inspeção e testes

O circuito nu pode ser sujeito a um teste elétrico de continuidade e de isolamento. Após a soldadura, a inspeção ótica automática (AOI) deteta componentes em falta, desalinhados ou invertidos e pontes de solda. O teste em circuito e o teste funcional exigem pontos de teste e um procedimento: rentabilizam-se sobretudo em série. Para um protótipo, a oficina limita-se muitas vezes à inspeção, e o próprio testa a primeira placa. Forneça o firmware e o procedimento de programação se a oficina o tiver de carregar.

Na receção da primeira placa

Verifique primeiro o aspeto (componentes em falta, polaridades, soldaduras) e meça depois a resistência entre cada linha de alimentação e a massa antes de qualquer ligação à corrente. Alimente em seguida por etapas, de preferência com uma fonte de laboratório com limitação de corrente, e valide os blocos um a um (alimentações, relógio, comunicação) antes de testar o resto. Registe os desvios: alimentam a revisão seguinte do esquema.

• A quantidade de placas, com escalões (1, 5, 10) e a necessidade de série futura.
• O processo completo: Gerber, furação, BOM, posições, desenho de montagem.
• As características do circuito: camadas, espessura, cobre, acabamento, cor da máscara, eventual impedância, classe IPC pretendida.
• O aprovisionamento: componentes fornecidos por si ou comprados pelo montador, alternativas aceites.
• A montagem: faces a montar, componentes de furo passante, exigências de soldadura.
• Os testes e a programação esperados (inspeção, teste funcional, carregamento do firmware), o verniz de proteção, o acondicionamento antiestático.
• O prazo, a data em que dispõe dos componentes eventualmente fornecidos, e o local de entrega.

Na Meaflow, publicar um pedido é gratuito e sem comissão: vários fornecedores podem enviar-lhe a sua proposta, que compara antes de trocar mensagens. Para estruturar o seu processo, utilize o gerador de caderno de encargos. Para a continuação do projeto, leia do protótipo à série, e descubra o setor das startups de hardware bem como os gabinetes de engenharia para a conceção.