Como reduzir o custo das placas de circuito impresso sem comprometer a qualidade

A redução do custo das placas de circuito impresso (PCB) costuma ser tratada como uma questão de compras.

Na prática, algumas das maiores economias já são determinadas antes mesmo de se solicitar um orçamento.

O próprio projeto da placa de circuito impresso controla muitos dos fatores que afetam o custo de fabricação:

• Contagem de camadas
• Dimensões da placa
• Material
• Peso do cobre
• Estrutura da perfuração
• Largura e espaçamento do traço
• Acabamento da superfície
• Tolerâncias
• Requisitos de teste
• Quantidade produzida

Um material mais barato ou um orçamento mais baixo pode reduzir o preço inicial de compra, mas também pode causar problemas durante a montagem ou a operação em campo.

Uma abordagem melhor é remover complexidade desnecessária na fabricação mantendo, ao mesmo tempo, os requisitos que realmente afetam o desempenho do produto.

Comece pelos requisitos da placa de circuito impresso, e não pelo preço

Antes de tentar reduzir custos, divida os requisitos em três categorias.

Requisitos que não podem ser comprometidos

Entre elas, podem estar:

• Capacidade atual
• Temperatura operacional
• Impedância necessária
• Dimensões mecânicas
• Requisitos de segurança
• Metas de confiabilidade

Esses dados devem permanecer inalterados, a menos que a própria especificação do produto seja alterada.

Requisitos que podem ser otimizados

Alguns exemplos incluem:

• Contagem de camadas
• Empilhamento
• Esboço do quadro
• Por meio da estrutura
• Distribuição de cobre
• Acabamento da superfície

É nessas áreas que, muitas vezes, é possível obter economias significativas.

Requisitos que podem ser desnecessários

Alguns exemplos incluem:

• Tolerâncias extremamente apertadas sem justificativa funcional
• Materiais especiais utilizados por padrão
• Recursos do HDI que não são obrigatórios
• Excesso de peso do cobre
• Acabamentos de superfície com especificações excessivas

Essa classificação torna a redução de custos muito mais sistemática.

1. Otimizar o número de camadas

O número de camadas é um dos primeiros aspectos a serem analisados.

Uma placa de circuito impresso (PCB) de 6 camadas não oferece automaticamente melhor custo-benefício do que uma de 4 camadas.

Da mesma forma, reduzir um projeto de 8 camadas para 6 camadas não representa necessariamente uma economia se isso causar:

• Trajeto mais difícil
• Mais vias
• Problemas de integridade de sinal
• Dimensões maiores da placa
• Iterações adicionais do projeto

O objetivo é encontrar o o menor número prático de camadas que atenda a todos os requisitos elétricos e mecânicos.

Por exemplo, um projeto de 4 camadas pode ser ideal para um controlador, enquanto uma estrutura de 8 camadas pode ser mais adequada para uma placa densa de alta velocidade.

2. Verifique a disposição das camadas antes do fresamento

Decisões sobre a disposição em camadas tomadas em uma fase tardia do projeto podem gerar custos desnecessários.

A disposição em camadas afeta:

• Impedância
• Caminhos de retorno de sinal
• Distribuição de energia
• Espessura dielétrica
• Seleção de materiais
• Distribuição de cobre

Para projetos de alta velocidade, a disposição das camadas deve ser definida antes do início do traçado detalhado.

Uma disposição bem planejada pode, às vezes, eliminar a necessidade de estruturas mais caras no futuro.

Para conhecer os aspectos técnicos dessa decisão, consulte Projeto de empilhamento de placas de circuito impresso.

3. Use o material certo, não o mais barato

O FR-4 padrão costuma ser suficiente.

No entanto, alguns aplicativos realmente exigem:

• Materiais com alta Tg
• Laminados de baixa perda
• Materiais de alta frequência
• Materiais com baixo CTE

A abordagem errada é escolher um laminado de baixo custo sem verificar se ele é adequado.

O outro extremo também é comum: especificar um material caro simplesmente porque o produto é considerado “de alto desempenho”.

A escolha do material deve basear-se em:

• Temperatura operacional
• Frequência
• Perda de sinal
• Requisitos mecânicos
• Requisitos de confiabilidade

Se o FR-4 padrão atender às especificações exigidas, talvez não haja grande vantagem em pagar por um material mais especializado.

4. Reduzir recursos desnecessários do HDI

O HDI pode resolver problemas complexos de roteamento, mas não deve ser utilizado automaticamente.

Verifique se o projeto realmente precisa de:

• Microvias
• Microvias empilhadas
• Vias cegas
• Vias enterradas
• Via no pad
• Laminação sequencial

Uma estrutura convencional com orifícios de passagem é, em geral, mais simples de fabricar.

Se for possível fresar uma placa com sucesso sem HDI, talvez não haja motivos para introduzir etapas adicionais de fabricação.

Por outro lado, se um BGA de passo fino ou um envelope mecânico compacto realmente exigirem o uso de HDI, removê-lo pode simplesmente transferir o problema para outro lugar.

Essa relação é discutida com mais detalhes em Custo de placas de circuito impresso (PCB) HDI.

5. Analise o esboço do quadro

O tamanho da placa afeta diretamente o consumo de material, mas o formato da placa de circuito impresso também é importante.

Uma placa com um contorno incomum pode gerar mais desperdício de material durante a panelização.

Quando o projeto mecânico permitir alguma flexibilidade, considere o seguinte:

• Linhas retas
• Menos recortes
• Dimensões mais eficientes
• Melhor aproveitamento do painel

Às vezes, mesmo uma pequena mudança pode aumentar o número de placas que cabem em um painel de produção.

Isso se torna mais significativo à medida que o volume de produção aumenta.

6. Melhorar a utilização do painel

A panelização é uma das áreas mais fáceis de serem negligenciadas.

Imagine um painel de produção que acomode:

8 placas

Uma disposição otimizada poderia ser a seguinte:

10 placas

A placa de circuito impresso (PCB) em si não sofreu alterações elétricas, mas a quantidade de material utilizável por placa aumentou.

A utilização do painel depende de:

• Dimensões da placa
• Formato da prancha
• Rotação
• Trilhos de ferramentas
• Ranhura em V
• Roteamento
• Requisitos de espaçamento

Para projetos de produção, a panelização deve, portanto, ser considerada antes de se definir o esboço mecânico.

7. Evite o uso de cobre desnecessariamente pesado

O cobre de alta densidade é útil quando o projeto assim o exige.

Entre os motivos mais comuns estão:

• Alta corrente
• Distribuição de energia
• Gerenciamento térmico
• Resistência reduzida do condutor

No entanto, aplicar uma camada espessa de cobre em todas as camadas pode acarretar custos desnecessários com material e processo.

No caso de uma placa de sinal misto, pode ser mais adequado utilizar cobre mais espesso apenas onde o projeto de alimentação assim o exigir, desde que o processo de fabricação e a estrutura da placa permitam essa configuração.

8. Use largura e espaçamento práticos entre as linhas

Uma geometria extremamente delicada pode aumentar a dificuldade de fabricação.

Se o projeto utilizar:

• Traços muito estreitos
• Espaçamento muito pequeno
• Pequenos anéis anulares

Se não houver uma justificativa elétrica convincente, talvez haja a possibilidade de simplificar os requisitos de fabricação.

Isso pode trazer dois benefícios:

1. Menor complexidade de fabricação
2. Maior robustez da produção

O objetivo não é usar os traços maiores possíveis.

O objetivo é evitar projetar de forma que se aproxime desnecessariamente do limite de fabricação.

9. Reconsiderar tolerâncias restritas

As tolerâncias restritas são úteis quando determinam um requisito real do produto.

Mas nem toda dimensão precisa da mesma tolerância.

Por exemplo, uma interface mecânica pode exigir uma tolerância dimensional rigorosa, enquanto uma característica interna permite muito mais flexibilidade.

A aplicação de uma tolerância desnecessariamente restrita em toda a placa de circuito impresso pode aumentar a dificuldade de produção.

Uma abordagem mais adequada é identificar quais dimensões realmente importam.

10. Escolha o acabamento da superfície para a aplicação

O acabamento da superfície deve ser escolhido com base nos requisitos de montagem e confiabilidade.

As opções mais comuns incluem:

• HASL
• HASL sem chumbo
• ENIG
• OSP
• Prata de imersão

No caso de uma placa convencional, um acabamento mais econômico pode ser totalmente adequado.

Para componentes de passo fino, pacotes BGA ou requisitos ambientais específicos, o uso de ENIG ou outro tipo de acabamento pode ser justificado.

O importante é evitar escolher o acabamento apenas por hábito.

11. Não elimine os testes necessários

Os testes são uma área em que a redução de custos pode se tornar contraproducente.

Dependendo da aplicação, os testes podem incluir:

• Testes elétricos
• AOI
• Teste de impedância
• Raio X
• Testes de confiabilidade

Um protótipo de produto de consumo e uma placa de controle automotiva não precisam necessariamente da mesma estratégia de inspeção.

A abordagem correta é adequar os testes ao risco do produto.

A remoção de um teste adequado apenas para economizar uma pequena quantia pode gerar custos muito maiores caso placas com defeito cheguem à montagem ou ao mercado.

12. Otimizar a quantidade produzida

A quantidade tem um efeito direto sobre o preço unitário, pois os custos fixos são distribuídos por um número maior de placas.

Mas o menor preço unitário não resulta necessariamente no menor custo total.

Por exemplo:

1,000 boards × low unit price

pode parecer atraente.

Mas, se o projeto for alterado após 300 unidades, o estoque restante se torna um custo.

No caso de novos produtos, uma estratégia de produção em etapas pode, às vezes, ser mais prática:

prototype → engineering validation → small production → volume production

Isso reduz o risco de fabricar uma grande quantidade antes que o projeto tenha se estabilizado.

Guia prático: Como identificar oportunidades de redução de custos em placas de circuito impresso antes de fazer o pedido

Uma revisão prática pode ser realizada em várias etapas.

Passo 1: Verifique o número de camadas

Pergunte:

A placa consegue atender aos requisitos de roteamento e sinal com menos camadas?

Se sim, avalie a configuração alternativa.

Não reduza as camadas automaticamente.

Etapa 2: Revise o material

Pergunte:

O projeto realmente exige um laminado específico?

Se o FR-4 padrão atender aos requisitos, compare-o com o material atual.

Etapa 3: Analisar a estrutura das vias

Procure por:

• Vias cegas
• Vias enterradas
• Microvias
• Microvias empilhadas
• Via no pad

Determine quais estruturas são essenciais.

Etapa 4: Verificar o peso do cobre

Identifique os requisitos atuais reais para cada camada.

Evite usar cobre de alta resistividade quando isso não traga nenhum benefício elétrico útil.

Etapa 5: Verificar as dimensões da placa

Verifique se uma pequena alteração no contorno da placa poderia melhorar a aproveitamento do painel.

Etapa 6: Verificar o acabamento da superfície

Confirme se o acabamento selecionado é exigido pelo processo de montagem.

Etapa 7: Verificar as tolerâncias

Distinga as dimensões realmente críticas das especificações que podem utilizar tolerâncias padrão.

Passo 8: Compare as cotações completas

Ao comparar cotações, utilize os mesmos:

• Material
• Contagem de camadas
• Peso do cobre
• Acabamento da superfície
• Quantidade
• Testes
• Prazo de entrega

Caso contrário, uma cotação mais baixa pode simplesmente se basear em uma especificação diferente.

O que você nunca deve cortar apenas para reduzir o custo da placa de circuito impresso?

Algumas especificações estão diretamente relacionadas ao desempenho ou à confiabilidade do produto.

Tenha um cuidado especial ao reduzir:

Espessura do cobre

Se o projeto elétrico exigir uma capacidade de corrente específica, a redução da quantidade de cobre pode aumentar a resistência e o aquecimento.

Requisitos de galvanização

Um revestimento insuficiente nas vias pode afetar a confiabilidade a longo prazo.

Desempenho do material

O uso de um laminado inadequado pode causar problemas térmicos ou de integridade de sinal.

Testes obrigatórios

A omissão de inspeções adequadas pode aumentar o risco de placas com defeito entrarem na linha de montagem.

Tolerâncias críticas

Se uma interface mecânica ou elétrica realmente exigir uma tolerância, flexibilizá-la pode causar falhas em etapas posteriores.

A otimização de custos deve ser feita levando em conta esses requisitos, e não simplesmente eliminando-os.

Um exemplo prático de otimização de custos de placas de circuito impresso

Considere uma placa de circuito impresso (PCB) de 8 camadas com:

• Material com alto Tg
• 2 onças de cobre em cada camada
• ENIG
• Microvias
• Via no pad
• Espaçamento reduzido entre as pistas
• Tolerâncias dimensionais rigorosas

A primeira reação pode ser procurar um fabricante de placas de circuito impresso mais barato.

Uma abordagem melhor é revisar o projeto.

Suponha que a revisão de engenharia indique:

• Na verdade, apenas duas camadas exigem 2 onças de cobre
• O FR-4 padrão atende aos requisitos térmicos
• Várias microvias podem ser substituídas por vias de orifício passante
• O via-in-pad só é necessário sob um único BGA
• Algumas tolerâncias dimensionais podem utilizar valores padrão

O projeto revisado pode apresentar uma complexidade de fabricação substancialmente menor.

A economia decorre de otimização do projeto, e não por comprometer a placa de circuito impresso (PCB) finalizada.

Custo da placa de circuito impresso (PCB) versus custo total do produto

Uma placa de circuito impresso (PCB) é apenas uma parte do produto eletrônico final.

Uma placa de circuito impresso (PCB) um pouco mais barata pode acabar saindo mais cara se causar:

• Defeitos de SMT
• Retrabalho
• Tempo de montagem mais longo
• Depuração de sinais
• Problemas térmicos
• Falhas em campo

Por esse motivo, o custo da placa de circuito impresso (PCB) deve ser avaliado juntamente com:

fabricação + montagem + testes + estoque + confiabilidade

Isso é especialmente importante quando a placa de circuito impresso (PCB) é utilizada em produtos industriais ou de longa durabilidade.

PERGUNTAS FREQUENTES

Conclusão

As reduções de custo mais eficazes em placas de circuito impresso (PCB) geralmente ocorrem antes da emissão do pedido de produção.

Em vez de se perguntar apenas como obter um preço unitário mais baixo, analise o projeto para identificar complexidades desnecessárias no processo de fabricação.

As áreas mais úteis a serem analisadas são:

• Contagem de camadas
• Empilhamento
• Material
• Peso do cobre
• Por meio da estrutura
• Dimensões da placa
• Utilização do painel
• Geometria de traçado
• Tolerâncias
• Acabamento da superfície
• Quantidade produzida

O objetivo é simples:

Elimine custos desnecessários, não a qualidade necessária.

Uma placa de circuito impresso (PCB) bem otimizada deve ser fácil de fabricar, atender aos requisitos elétricos e mecânicos e evitar processos que existem apenas porque foram especificados sem uma justificativa técnica clara.

Nos projetos gerenciados pela TOPFAST, essa mesma análise pode ser realizada antes da fabricação, de modo que possíveis fatores que aumentam os custos sejam identificados enquanto ainda é viável fazer alterações.