Redução de custo em projetos de hardware

Conteúdo

Conceito

Neste post, vamos falar de ações que você pode tomar no projeto para reduzir o custo com a fabricação da placa de circuito impresso e também para reduzir o custo com manufatura, ou seja, com a montagem dos componentes na placa.

Para quem já atua na área desenvolvendo sistemas embarcados, estes conceitos são simples. Porém, se você não atua diretamente no desenvolvimento, mas está em uma posição que lhe permite tomar a decisão de refazer o projeto, ou ao menos opinar, observe estes quatro pontos que irei citar nos projetos da sua empresa ou da empresa em que você atua. Dependendo da quantidade que você roda anualmente, a economia pode ser significativa.

Vamos lá!

Tamanho da placa de circuito impresso

Definimos o tamanho da placa basicamente por dois critérios:

• A quantidade de componentes e o tamanho deles: isso quer dizer que placas de circuito impresso para processamento de energia, que utilizam capacitores eletrolíticos e comutadores como MOSFETs ou IGBTs, tendem a necessitar de maior tamanho do que placas de uso geral ou dispositivos IoT.
• A mecânica onde será fixada a placa de circuito impresso: Se você utiliza um gabinete com furação padrão, pode ser necessário estender a área da placa para aproveitar a furação pré-existente no gabinete.
• No momento, não me vem à mente nenhum outro critério para definir o tamanho da placa de circuito impresso. Se você tiver mais algum, por favor, comente no final deste conteúdo.

Agora, se você vende 5 unidades deste produto por mês, a diferença no custo não irá impactar a sua operação. Mas e se você vende 10.000 unidades por mês? Uma redução de 30% na área da placa significa, basicamente, uma redução de 30% no custo dela. Vou explicar melhor. Estes são os itens que definem o custo para fabricação de uma placa de circuito impresso:

• Material utilizado: fenolite, composite, fibra de vidro, etc.
• Quantidade de layers, podendo ser placa face simples, dupla face ou multilayer, que é quando se tem 4 ou mais layers.
• Menor diâmetro de furo: fabricantes, no geral, trabalham bem com menor diâmetro de furo de até 0,3 mm. Menos que isso, o custo para produzir a placa de circuito impresso irá aumentar. (Se me lembro bem, alguém que trabalha em uma empresa de fabricação de PCB no Brasil me explicou que, quando o diâmetro do furo é muito pequeno, ao invés de colocar 10 placas para furar de uma vez na máquina de furação, é necessário colocar uma quantidade menor, aumentando a quantidade de horas necessária para produção. Além disso, brocas muito finas quebram com facilidade).
• Menor largura de trilha e menor distância entre trilhas: os fabricantes trabalham bem com valores maiores que 6 mils para largura de trilha e distância entre trilhas. Valores menores tendem a dificultar o processo, pois as trilhas podem se romper com facilidade no processo de corrosão, e curtos entre trilhas podem ocorrer com maior facilidade.
• Espessura do cobre: quanto maior a espessura do cobre (1 oz, 2 oz, etc.), maior será o custo da placa de circuito impresso. (Curiosamente, a espessura do cobre não é expressa diretamente em micrômetros, mas em onças por pé quadrado (oz/ft²). Ou seja, o mercado resolveu misturar peso com área para falar de espessura. No fim, 1 oz/ft² equivale a cerca de 35 µm de cobre. Curiosidades do mercado…).

Agora vamos imaginar as seguintes características do seu projeto: placa de fibra de vidro (FR4), dupla face, 1 oz, menor diâmetro de furo igual a 0,5 mm e menor largura de trilha e distância entre trilhas igual a 8 mils. O custo por m² é x. Quanto mais placas couberem por m², menor será o custo individual de cada unidade.

Se couber 1 placa por m², o custo de cada placa será x. Se couberem 2 placas por m², o custo será \(\dfrac{x}{2}\). Se couberem 1.000 placas por m², o custo será \(\dfrac{x}{1000}\).

Basicamente é isso. É preciso levar em consideração as bordas falsas da painelização, distância entre placas dentro do painel para facilitar produção, etc. Mas, no geral, é assim que funciona.

Portanto, se existir a possibilidade de reduzir o tamanho da placa de circuito impresso, reduza.

Evite componentes PTH

Se a aplicação à qual a PCI se destina é de comunicação, processamento de sinais ou eletrônica digital, não há razões para utilizar componentes PTH. Simples assim. O cenário é diferente em placas para processamento de energia.

Ao utilizar componentes PTH, é necessário passar a placa de circuito impresso por mais uma etapa do processo produtivo: a montagem PTH, que, na maioria das empresas de manufatura, é realizada de forma manual.

Enquanto na montagem SMD apenas um operador dá conta da linha inteira (colocar as placas virgens no início da linha, cuidar da “printer”, máquina responsável por aplicar a pasta de solda, cuidar das máquinas “pick and place”, máquinas responsáveis por inserir os componentes SMD, cuidar do forno de refusão e, por fim, esperar a placa esfriar no final da linha e enviá-la para o próximo setor, seja teste ou estoque), na montagem PTH são necessárias mais pessoas para inserir manualmente os componentes através dos furos da placa e depois passar pela “wave solder”, um cadinho de solda com uma esteira que solda os pinos dos componentes na placa. Este processo manual requer mais pessoas, é demorado e mais suscetível a erros, o que pode exigir retrabalhos. Por isso é mais caro.

Então, se a sua aplicação permite, mude tudo para componentes SMD. A montagem será realizada em uma linha de montagem 100% automatizada, muito mais rápida, barata e eficiente.

Evite componentes no lado inferior da placa (bottom)

Eu sei. Aplicações de alta frequência com processadores e memórias com encapsulamento BGA requerem capacitores no bottom sob esses componentes.

Sua aplicação é em alta frequência e você usa processadores ou memórias? Não? Então retire todos os componentes do lado bottom.

A não ser que você tenha problema de espaço: seu gabinete é muito pequeno.

Caso contrário, é desperdício de dinheiro, pois é necessário passar pela linha SMT duas vezes a mesma placa. Uma para montar os componentes no lado TOP e outra para montar os componentes no lado BOTTOM. E, além disso, os componentes do lado bottom exigem que os componentes sejam primeiramente colados na placa para depois serem soldados pela wave solder. E esse processo, além de caro, é trabalhoso, pois pode acontecer de alguns componentes serem “arrancados” ao passar pela wave solder.

Ou seja: é um processo a mais, insumos a mais, como a cola, e eleva o risco de problemas. Se não precisa, evite.

Fuja de itens obsoletos

Não vou explicar muito este ponto. Vou apenas citar um exemplo:

Microcontrolador ATMEGA8A-AU, um microcontrolador obsoleto de 32 pinos, 8 bit, que roda a 16 MHz, com 8 kB de memória flash e 1 kB de memória RAM e 512 B de memória EEPROM, para armazenamento permanente de dados. Custa, na Mouser, para comprar 100 unidades na data deste post, a bagatela de US$2,11 por unidade.

Microcontrolador STM32C031K4T6 - um microcontrolador moderno de 32 pinos, 32 bit, que roda a 48 MHz, com 16 kB de memória flash e 12 kB de memória RAM. Não tem memória EEPROM, mas é possível escrever na própria FLASH os dados que quiser guardar permanentemente. Custa, na Mouser, para comprar 100 unidades na data deste post, US$0,722 por unidade.

Acredito que não preciso falar mais nada (“escrever” seria o termo mais apropriado, mas “falar” é mais legal).

Resumo e conclusão

Guia rápido para reduzir custos com PCB e montagem

1. Planeje cuidadosamente a placa de circuito impresso:

• Mais placas por painel = menor custo por unidade.
• Trilhas ≥ 6 mils e furos ≥ 0,3 mm ajudam a manter o preço baixo.
• 1 oz/ft² (≈ 35 µm) atende à maioria dos projetos. Evite exagerar sem necessidade.

2. Prefira SMD a PTH:

• Montagem mais rápida, barata e menos sujeita a retrabalho.
• Use PTH apenas onde for realmente necessário (conectores, alta potência, etc.).

3. Evite componentes no bottom:

• Cada lado extra montado aumenta o custo da linha SMT.
• Use apenas se não houver espaço no top ou em casos especiais (alta frequência, BGA).

4. Fuja de itens obsoletos:

• Componentes antigos costumam ser caros e difíceis de encontrar.
• Substitua por equivalentes modernos e disponíveis.

Pronto! Com o dinheiro que sobrou no final do ano, invista em novos projetos ou equipamentos. Faça a sua empresa crescer e conte com a Greenboard como sua parceira de engenharia.

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