Guia DFM

Design For Manufacture

Revisão: 01

Data: 31/05/04

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Prefácio

Este documento possui recomendações sobre DFM (Design For Manufacture) para placas de circuito impresso com o objetivo de melhorar a qualidade e o processo de montagem e soldagem das placas de circuito impresso executada no LABelectron. O DFM deve ser elaborado em conjunto com a engenharia de Desenvolvimento, Fabricação e Montagem de PCI´s, é importante que haja um melhoramento contínuo do DFM.

As informações contidas neste documento faz parte de palestra desenvolvidas no LABelectron para auxiliar nossos clientes e que podem ser seguidas num escopo geral, porém para uma completa informação sobre padrões de placas de circuito impresso podem ser obtidas através do IPC - The Institute for Interconnecting and Packaging Elec. Circuits (Apêndice A).

O LABelectron (www.labelectron.org.br) é um laboratório de pesquisa e desenvolvimento em procedimentos e processos industriais de montagem e soldagem de placas de circuitos impressos – PCI´s, localizado na Rua José de Anchieta, s/n no bairro Balneário em Florianópolis/SC.

O LABelectron é uma parceria entre a Fundação CERTI, a ALCATEL e a MEGAFLEX SUL implantado e mantido através de acordos de cooperação técnico-científico dentro da Lei de Informática, onde atuará nas vertentes: I – Capacitação; II - Pesquisa; III - Desenvolvimento; IV - Prototipagens. Abreviações contidas no documento DFM – Design for Manufacture IPC – The Institute for Interconnecting and Packaging Elec. Circuits PCI – Placa de Circuito Impresso PTH – Plated Through Hole SMD – Surface Mounting Device SMT – Surface Mounting Technology

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Índice 1. Configurações da PCI ...................................................................................... 4

1.1 Dimensões ................................................................................................ 4 1.2 Slots e Corte em V .................................................................................... 5 1.3 Área livre ................................................................................................... 6 1.4 Furo guia ................................................................................................... 6 1.5 Fiduciais .................................................................................................... 7 1.6 Deflexão .................................................................................................... 9 1.7 Máscara de solda .................................................................................... 10 1.8 Implantação da solda .............................................................................. 10 1.9 Silk-Screen.............................................................................................. 11

2. Configurações de Layout................................................................................ 12 2.1 Padrões de ilha ....................................................................................... 12

2.1.1 Componentes PTH........................................................................... 12 2.1.2 Componentes SMD’s ....................................................................... 13

2.2 Espaçamento .......................................................................................... 22 2.3 Orientação............................................................................................... 26

3. Seleção dos componentes ............................................................................. 27 4. Recomendações gerais.................................................................................. 28 5. Apêndice A ..................................................................................................... 29

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1. Configurações da PCI

1.1 Dimensões O custo de fabricação e a eficiência da montagem são influenciados pela forma e pelo tamanho da PCI. Placas pequenas são mais eficientemente processadas em formato de painel. Os painéis geralmente possuem um formato uniforme nas quais as placas individuais são cortadas quando todo o processo de montagem esteja concluído. A figura 1 ilustra um exemplo de painel contendo quatro PCI’s.

Figura 1 - Painel contento quatro PCI's

Num escopo geral as seguintes informações de dimensões podem ser seguidas:

• Tamanho mínimo (PCI única) 80 mm X 50 mm (3,15” X 2”)

• Tamanho máximo (PCI única ou painel)

355 mm X 406 mm (14” X 16”)

• Espessura (PCI única ou painel) 0,76 mm até 2,76 mm (0,030” até 0.109”)

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1.2 Slots e Corte em V Para facilitar a separação individual da placa utiliza-se slots de separação ou corte em V no design dos painéis.

• Slots de separação - O ponto de quebra entre o slot de separação e a PCI individual do painel deve ser no mínimo de 2,5 mm e diâmetro da roteador para criar o slot é geralmente 2,35 mm, como mostrado na figura 2.

Figura 2 – Slot de separação da PCI

• Corte em V – Os valores típicos para a separação em corte em V são

ilustrados na figura 3.

(2x) 30o – 60o

25% da espessura da PCI

Figura 3 - Detalhe do ponto de quebra do corte en V

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1.3 Área livre Para que haja a transferência de uma estação para outra é necessário uma área livre na PCI, afim de que a mesma possa se acomodar no sistema de esteiras ou pallets. A figura 4 ilustra o modo e o valor mínimo da área livre para a PCI

Figura 4 - Área livre da PCI

1.4 Furo guia A fim de as máquinas de inserção automática PTH (axial e radial) consiga fazer o alinhamento da PCI, é necessária a criação de furos guias. Os furos guias são dois furos posicionados em uma linha paralela ao longo da PCI. A localização de cada furo é 5,0 mm do canto da placa, com igual distância de cada lado, como mostrado na figura 5.

Figura 5 - Furo guia para posicionamento da PCI

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1.5 Fiduciais Fiduciais são marcas alinhadas sobre a PCI para que o sistema de visão das máquinas SMT possam se referenciar durante o processo de montagem. Para um perfeito alinhamento da PCI é recomendado utilizar três marcas fiduciais globais localizadas nos cantos da PCI, ou no mínimo duas localizadas de forma diagonal. A figura 6 ilustra três marcas fiduciais globais.

1,3 mm

2,5 mm

Figura 6 - Lado de cima da PCI com três fiduciais globais

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Para componentes que exigem uma maior exatidão de inserção, como por exemplo, componentes fine pitchs é recomendado utilizar duas macas fiduciais locais, como mostrado na figura 7.

Fiduciais locais

Figura 7 - Marcas fiduciais locais no componente fine-pitch

A figura 8 ilustra outros tipos de marcas fiduciais e o fiducial padrão.

Figura 8 - Tipos de marcas fiduciais

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Algumas considerações com relação as fiduciais:

• O fiducial padrão é um círculo preenchido de cobre com um diâmetro mínimo

de 1,3 mm. • Em volta da fiducial deverá conter uma área limpa, com um diâmetro mínimo

de 2,5 mm, sem qualquer outro tipo de circuito, máscara de solda ou marcas. • A implantação de estanho-chumbo (Tin-Lead) sobre a fiducial é opcional. • A localização das fiduciais deverá prevalecer sobre a localização dos furos

guias. • As fiduciais globais e locais devem ser do mesmo tipo. • Todas as fiduciais devem ser incluídas no stencil. • Não é recomendado colocar um pad de geometria idêntica a fiducial perto das

proximidades da mesma, pois poderá provocar erro de leitura da máquina. • É recomendado contrabalançar a fiducial no lado de cima (top) distante de

uma mesma posição relativa do lado de baixo (bottom), pois evita erro de montagem.

1.6 Deflexão Para uma melhor inserção e fixação dos componentes é necessário que a PCI seja mais plana possível. A figura 8 ilustra os tipos de deflexão.

Deflexão côncava

Deflexão convexa

Figura 9 - Tipos de deflexão na PCI

A máxima deflexão da PCI deverá ser:

• Para SMT – 0,007 mm/mm • Para PTH – 0,010 mm/mm

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1.7 Máscara de solda O propósito da máscara de solda é restringir a solda somente na área da junta, não permitindo a migração indesejada da solda. A figura 10 ilustra um exemplo de máscara de solda em um pad.

Pad de cobre

Máscara de solda

Figura 10 - Máscara de solda em volta do pad da PCI

Algumas recomendações sobre a utilização das mascaras de solda:

• Todas as superfícies de solda, pontos de testes e marcas fiduciais devem estar livres de máscara de solda.

• Deve-se manter a camada de máscara de solda consistente por toda a superfície da PCI, para um melhor contato do stencil durante a impressão de pasta de solda.

• É recomendada a máscara de solda entre as ilhas de 1,27 mm até 1,0 mm dos pitchs do componente.

• Não é recomendada a máscara de solda para componentes com o picth de 0,64 mm ou menos.

• É preferível a utilização de máscara de solda LPI (Liquid Photo Imageble) • Assegurar que a camada da máscara de solda não mantém os componentes

fora da ilha ou inibe um adequado umedecimento da solda entre o terminal do componente e a ilha.

1.8 Implantação da solda

• Composição da implantação – é recomendado um conteúdo de estanho entre (55 a 70) %

• Espessura de implantação – é recomendado a espessura de implantação ser de 5000 μmm até 38000 μmm com uma variabilidade menor que 25400 μmm no mesmo pad.

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1.9 Silk-Screen O silk-screen é utilizado para indicar o formato (outline) do componente, a polaridade e a referência do componente na PCI. A figura 11 ilustra um exemplo de silk-screen sobre a PCI.

Figura 11 - Silk-screen PCI

Algumas recomendações sobre o silk-screen

• O silk-screen deve estar no mínimo 0,38 mm de distância de qualquer pad, ilha ou via.

• O indicador de polaridade deve ser colocado fora da área de localização do componente, para permanecer visível após a montagem.

• O silk-screen deve ser não corrosivo, não higroscópico, não condutivo e compatível com os requerimentos químicos (fluxo) e térmico (solda) do processo de montagem.

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2. Configurações de Layout

2.1 Padrões de ilha Os dados contidos neste item foram baseados no padrão da Cutler-Hammer.

2.1.1 Componentes PTH

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2.1.2 Componentes SMD’s

• Chip Resistor

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• Chip Capacitor

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• Tantalum Chip Capacitor

• Melf

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• TO-252 (DPAK)

• SOT-23

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• SOT-89

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• Gull Wing SOIC

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• J-Leaded SOIC

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• J-Leaded PLCC (Square)

J-Leaded PLCC (Rectangular)

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• Fine Pitch

Algumas recomendações sobre os padrões de ilha:

• Os terminais dos componentes não deverão estar diretamente conectados ao

plano de terra, como mostrados na figura 12.

Plano de terra

Ilha do componente

Figura 12 - Ilha do componente ligado diretamente no plano de terra.

• A distância centro a centro entre os pads adjacentes deverá ser igual a distância centro a centro entre os terminais do componente.

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2.2 Espaçamento

Os dados contidos neste documento foram baseados no padrão da Cutler-Hammer.

• SMD Soldagem por refusão

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• SMD Soldagem por onda (Lado de baixo da PCI)

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• Inserção automática axial

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• Inserção automática radial

Algumas recomendações sobre espaçamento entre componentes:

• Manter um espaçamento consistente entre os componentes. • Evitar a concentração de partes largas. Os componentes regularmente

distribuídos através da PCI aumentam o balanço térmico e melhora a montagem.

• Para soldagem por onda de componentes SMD’s evitar o efeito sombra (efeito que ocorre devido ao espaçamento e dimensões dos componentes, ocasionando a ausência de solda).

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2.3 Orientação

Algumas recomendações sobre a orientação dos componentes:

• Componentes simétricos que tem polaridade (conectores, sockets) devem usar padrões de polaridade na PCI, por exemplo, um pino/furo extra ou um pino faltando.

• Para facilitar a montagem e a inspeção, sempre que possível orientar os componentes similares na mesma direção e alinhados. Por exemplo, todos os capacitores radiais eletrolíticos devem estar com o terminal negativo apontado para o lado direito da PCI.

• Alinhar os componentes PTH de grandes números de pinos (DIP, conectores, etc) perpendicularmente a onda de solda, desta forma, evita a formação de curtos.

• Para soldagem por onda de componentes SMD’s a orientação deve ser como mostrado na figura 13:

Figura 13 - Orientação componentes SMD soldagem por onda

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3. Seleção dos componentes

Algumas considerações sobre a seleção dos componentes:

• Assegurar que os componentes SMD podem ser auto-inseridos. • Evitar o uso de componentes SMD tubulares (melf’s) ou não planos, pois

dificultam a inserção (vácuo) e tendem a rolar durante a refusão. • Não é recomendado o uso de componentes SMD’s pesados na face de baixo

da PCI. • Utilizar componentes marcados (código ou valores) tanto quanto possível,

para facilitar a identificação e a montagem. • Usar componentes sempre do mesmo tipo. Por exemplo, se uma PCI possui

poucos componentes radiais convertê-la totalmente para axial (ou vice-versa), desta forma, uma inserção automática será evitada.

• É altamente recomendado na seleção dos componentes manter uma configuração padrão e consistência dimensional.

• Qualificar os componentes para compatibilidade com o processo de montagem (equipamento, térmico, químico, etc.).

• Especificar componentes PTH’s que podem ser inseridos automaticamente. • Utilizar componentes PTH (axial e radial) enfitados, para poder alimentar as

máquinas de inserção automática. • Evitar o uso de componentes SMD’s em tubos (sticks), pois torna o processo

de inserção mais trabalhoso. • Evitar trocar de fabricante de componentes, pois pode haver variações de

parâmetros, tais como, dimensão e cor. • É preferível a utilização de componentes que possuem terminais com solda

implantada a terminais com solda mergulhada. • Evitar o uso de componentes que precisam de ajustes, tais como, trim pots,

chaves manuais, etc. • Evitar quando possível o uso de componentes fine pitchs (por exemplo:

abaixo de 0,5 mm), pois aumenta o custo devido à dificuldade de inserção e a demanda na inspeção.

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4. Recomendações gerais

• Design para automação e mínima operação manual. • Design para a simplicidade. • Design para montagem padrão e requerimentos de teste. • Design para fácil orientação, partes orientadas uniformemente torna a

inspeção mais fácil e reduz o tempo e o esforço de montagem. • Design para a variabilidade, permita espaço para algumas variações

previsíveis, por exemplo: variação da largura do terminal do componente fine pitch.

• Use partes padrões. • Deixe os parâmetros padrões (ilha, componentes, equipamentos, etc)

próximos ou no limite mais generoso. • Evite o uso de jumpers. • Minimize o uso de componentes discretos. • Elimine múltiplos passos de soldagem. • Elimine ajustes, tais como, trim pots potenciômetros, chaves manuais, etc.

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5. Apêndice A Lista de padrões e guias para PCI’s e substrato para montagem de componentes

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Autores: Marcos Marinovic Doro, Mestrando do curso de Pós-MCI (Metrologia Cientifica e Industrial) - LABMETRO / UFSC, 2004. Marco Antônio de Souza, Engº Industrial - Gerente de Produção da MEGAFLEX SUL. Mário José de Albuquerque, Engº Mec., Especialista em Informação Tecnológica, Gerente do LABelectron / Fundação CERTI.

Fonte: IPC

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