O que influencia o custo de fabricação de placas de circuito impresso (PCB)? Uma análise detalhada dos custos

Quando os engenheiros solicitam um orçamento para uma placa de circuito impresso, o preço final pode, às vezes, ser bem diferente do que eles esperavam inicialmente.

Duas placas com dimensões semelhantes podem ter custos de fabricação completamente diferentes, pois suas estruturas internas, materiais, tolerâncias e requisitos de produção são distintos.

Os principais fatores que influenciam os custos geralmente incluem:

• Contagem de camadas
• Dimensões da placa
• Seleção de materiais
• Peso do cobre
• Número de furos e requisitos de perfuração
• Largura mínima das linhas e espaçamento
• Acabamento da superfície
• Espessura da placa de circuito impresso
• Processos especiais de fabricação
• Quantidade produzida

Compreender esses fatores facilita a comparação de cotações e a identificação de onde os custos podem realmente ser reduzidos.

O número de camadas é um dos principais fatores que influenciam os custos

Aumentar o número de camadas de uma placa de circuito impresso (PCB) geralmente aumenta o custo de fabricação.

Uma placa de circuito impresso de duas camadas possui um processo de fabricação relativamente simples. Uma placa de circuito impresso multicamadas requer, além disso:

• Imagem da camada interna
• Laminação
• Perfuração
• Revestimento
• Inspeção
• Controle de cadastro

Por exemplo, passar de uma placa de 4 camadas para uma de 8 camadas não se resume simplesmente a adicionar quatro camadas de cobre. As etapas adicionais de laminação e processamento também aumentam o tempo de fabricação e a complexidade da produção.

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No entanto, a redução do número de camadas não deve ser considerada uma medida automática de redução de custos.

Um número menor de camadas pode exigir:

• Roteamento mais complexo
• Dimensões maiores da placa
• Mais vias
• Outros problemas relacionados à integridade do sinal

O alvo correto é o o menor número prático de camadas que atenda aos requisitos elétricos e mecânicos.

O material da placa de circuito impresso (PCB) tem um impacto direto no custo

O FR-4 padrão é, em geral, mais econômico do que os materiais especializados.

Dependendo da aplicação, os engenheiros podem precisar de:

• FR-4 padrão
• FR-4 de alto Tg
• Laminados de baixa perda
• Materiais à base de PTFE
• Materiais de alta frequência
• Substratos de núcleo metálico

A escolha do material afeta tanto o preço da matéria-prima quanto o processo de fabricação.

Em projetos de alta velocidade ou de RF, a escolha de um laminado mais barato simplesmente para reduzir o custo da placa de circuito impresso (PCB) pode causar problemas relacionados a:

• Perda dielétrica
• Estabilidade da impedância
• Desempenho térmico
• Integridade do sinal

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O material deve, portanto, ser selecionado de acordo com os requisitos elétricos e ambientais reais, e não apenas com base no preço.

O tamanho da placa e a utilização do painel afetam a eficiência da fabricação

Placas maiores consomem mais material laminado e ocupam mais área de produção.

No entanto, o tamanho da prancha não é o único fator a ser levado em conta.

Os fabricantes costumam organizar várias placas de circuito impresso (PCB) em um painel de produção maior.

Uma melhor utilização dos painéis pode reduzir:

• Desperdício de material
• Despesas gerais de produção
• Custo por placa

Por esse motivo, uma pequena alteração nas dimensões das placas pode, às vezes, ter um impacto surpreendentemente grande no custo unitário, quando permite que mais placas sejam acomodadas de forma eficiente em um painel de produção.

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A variação no peso do cobre altera os requisitos de fabricação

Os projetos padrão de placas de circuito impresso (PCB) costumam utilizar cobre de 1 oz, mas algumas aplicações exigem:

• 2 oz de cobre
• 3 onças de cobre
• 4 onças de cobre
• Estruturas pesadas de cobre

O aumento da espessura do cobre eleva as exigências em termos de material e processamento.

O cobre pesado também pode exigir ajustes em:

• Gravura
• Revestimento
• Geometria de traçado
• Gerenciamento térmico

No caso da eletrônica de potência, porém, o custo adicional pode ser justificado pelos requisitos elétricos e térmicos.

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O tamanho da broca e a quantidade de furos são importantes

A perfuração é outro fator importante nos custos de fabricação.

Uma placa com centenas de orifícios de passagem padrão é, em geral, mais fácil de fabricar do que uma que exija um grande número de orifícios muito pequenos.

O custo pode aumentar quando um projeto exige:

• Brocas mecânicas muito pequenas
• Microvias a laser
• Vias cegas
• Vias enterradas
• Perfuração reversa
• Orifícios com alta relação de aspecto

O número de furos também afeta o tempo de perfuração e a produtividade.

As estruturas HDI aumentam a complexidade

A tecnologia HDI pode aumentar significativamente o custo de fabricação de placas de circuito impresso, pois pode exigir:

• Perfuração a laser
• Laminação sequencial
• Preenchimento de microvias
• Revestimento adicional
• Controle mais rigoroso do registro

O HDI deve, portanto, ser utilizado nos casos em que ofereça um benefício real ao projeto, tais como:

• Tamanho menor da placa
• Roteamento de BGAs de passo fino
• Maior densidade de roteamento
• Redução do número de camadas

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Utilizar o HDI simplesmente porque o projeto permite isso pode aumentar desnecessariamente o custo de fabricação.

O acabamento da superfície afeta o preço da placa de circuito impresso

Os acabamentos de superfície comuns incluem:

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

O processo ENIG geralmente custa mais do que o HASL convencional devido às etapas adicionais de processamento e aos requisitos de materiais.

No entanto, o acabamento da superfície deve ser escolhido de acordo com os requisitos de montagem e confiabilidade.

Por exemplo, componentes de passo fino e certas aplicações de contato podem se beneficiar de um acabamento superficial mais liso.

Escolher o acabamento mais barato não é necessariamente a decisão mais econômica se isso vier a causar problemas de montagem posteriormente.

Requisitos de espessura e tolerância de placas de circuito impresso (PCB)

As espessuras padrão das placas costumam ser mais econômicas do que especificações fora do comum.

Podem surgir custos adicionais decorrentes de:

• Espessura fora do padrão
• Tolerância de espessura restrita
• Espessura especial do dielétrico
• Requisitos complexos de impedância

Se um projeto não exigir uma espessura fora do comum, o uso de uma composição de materiais padrão pode simplificar a produção.

Regras de projeto rigorosas aumentam o custo de fabricação

A fabricação se torna mais difícil quando um projeto se aproxima dos limites do processo do fornecedor.

Alguns exemplos incluem:

• Trilhas extremamente estreitas
• Espaçamento muito pequeno
• Pequenos anéis anulares
• Pequenos orifícios mecânicos
• Tolerâncias de alinhamento rigorosas

Esses requisitos podem aumentar:

• Dificuldade de produção
• Risco de sucata
• Requisitos de inspeção
• Tempo de fabricação

É por isso que o DFM deve ser levado em consideração antes que o projeto seja liberado para produção.

A impedância controlada pode afetar o custo da placa de circuito impresso

A impedância controlada, por si só, não torna necessariamente uma placa de circuito impresso cara.

O impacto nos custos depende de como a exigência de impedância afeta a construção.

Por exemplo, os engenheiros podem precisar especificar:

• Espessura dielétrica específica
• Espessura controlada do cobre
• Largura precisa da linha
• Laminado especializado

Tolerâncias de impedância mais rigorosas também podem exigir testes adicionais e controle do processo.

A variação no volume de produção altera o custo unitário

A fabricação de placas de circuito impresso (PCB) geralmente se torna mais econômica à medida que a quantidade produzida aumenta.

Um pedido de protótipos em pequena quantidade pode acarretar custos relativamente altos devido a:

• Preparação técnica
• Ferramentas
• Configuração
• Manuseio de materiais

Esses custos são distribuídos por um número maior de placas em lotes de produção maiores.

No entanto, aumentar a quantidade apenas para obter um preço unitário mais baixo nem sempre é financeiramente sensato.

Para projetos em fase inicial, muitas vezes é melhor fabricar uma quantidade menor, validar o projeto e, em seguida, aumentar o volume depois que o projeto estiver estabilizado.

Os requisitos de testes podem aumentar os custos

Os testes elétricos básicos de placas de circuito impresso (PCB) diferem da qualificação avançada de confiabilidade.

Outros exames podem incluir:

• Teste com sonda móvel
• Inspeção óptica automatizada
• Inspeção por raios X
• Análise de seção transversal
• Ciclagem térmica
• Teste de impedância

O nível adequado de inspeção depende da aplicação.

Uma placa protótipo simples não requer necessariamente o mesmo processo de qualificação que uma placa de controle automotiva.

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

1. Utilize materiais padrão sempre que possível

Se o FR-4 padrão atender aos requisitos elétricos e térmicos, talvez não haja motivos para especificar um material mais caro.

2. Evite um número excessivo de camadas

Analise a disposição das camadas e o roteamento antes de aumentar o número de camadas.

3. Utilize espessuras padrão de placas

As construções padrão costumam ser mais fáceis de serem processadas pelos fabricantes.

4. Evite regras de design extremas

Não projete valores desnecessariamente próximos ao limite mínimo de capacidade de fabricação.

5. Otimizar a painelização

As dimensões das placas devem ser analisadas em conjunto com a utilização dos painéis de produção.

6. Selecione o acabamento da superfície de acordo com a aplicação

Não opte automaticamente pelo acabamento mais caro.

7. Leve em consideração o custo total, em vez do preço unitário

O orçamento mais barato para uma placa de circuito impresso não significa necessariamente o menor custo total.

Uma placa de baixa qualidade pode aumentar:

• Retrabalho de montagem
• Tempo de depuração
• Sucata
• Atrasos na entrega dos produtos

Guia prático: Como analisar um orçamento de placa de circuito impresso

Ao comparar cotações de placas de circuito impresso (PCB), verifique os seguintes itens.

Etapa 1: Confirmar as especificações básicas

Verifique:

• Contagem de camadas
• Dimensões da placa
• Espessura
• Peso do cobre
• Material

Etapa 2: Verificar os processos especiais

Procure por:

• Vias cegas
• Vias enterradas
• Microvias
• Perfuração reversa
• Cobre pesado
• Impedância controlada

Etapa 3: Comparar o acabamento da superfície

Certifique-se de que todos os fornecedores estejam apresentando cotações para o mesmo acabamento.

Etapa 4: Verificar os requisitos de teste

Confirme se a cotação inclui:

• Testes elétricos
• AOI
• Teste de impedância
• Outras inspeções solicitadas

Etapa 5: Comparar o prazo de entrega

Um preço mais baixo pode não ser vantajoso se causar atrasos inaceitáveis.

Passo 6: Compare o custo total

Considere o seguinte:

Preço da placa de circuito impresso + ferramentas + testes + frete + possível retrabalho

em vez de comparar apenas o preço unitário da placa.

Exemplo de custo de PCB

Considere duas placas com as mesmas dimensões externas.

Quadro A

• 4 camadas
• FR-4 padrão
• 1 onça de cobre
• Orifícios de passagem padrão
• HASL
• Tolerâncias padrão

Quadro B

• 8 camadas
• Material com alto Tg
• 2 oz de cobre
• Microvias
• Impedância controlada
• ENIG
• Tolerâncias dimensionais rigorosas

Embora as placas possam parecer semelhantes por fora, a placa B exige um processamento consideravelmente maior e um controle de processo mais rigoroso.

Isso ilustra por que O preço de uma placa de circuito impresso (PCB) não pode ser estimado com precisão apenas com base no tamanho da placa.

PERGUNTAS FREQUENTES

Conclusão

A interação entre projeto, materiais, processos de fabricação, requisitos de testes e volume de produção determina o custo de fabricação das placas de circuito impresso (PCB).

A maneira mais eficaz de reduzir custos não é simplesmente encontrar a cotação mais baixa. Em vez disso, os engenheiros devem identificar complexidades desnecessárias e otimizar o projeto antes da produção.

Uma estratégia prática para reduzir custos consiste em:

1. Use materiais adequados
2. Otimizar a contagem de camadas
3. Simplificar características de fabricação desnecessárias
4. Melhorar a utilização dos painéis
5. Utilize tolerâncias realistas
6. Adaptar os requisitos de teste à aplicação

Essa abordagem pode reduzir o custo de fabricação das placas de circuito impresso (PCB), mantendo os requisitos elétricos, mecânicos e de confiabilidade do produto final.