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Estudo de Caso: Circuito Impresso (PCBA) de Sensor de Eixo para Trilhos
Em um sistema de sinalização ferroviária, um contador de eixos utiliza sensores à beira da linha para detectar rodas que passam e ajudar a determinar se uma seção da via está ocupada ou livre. O PCBA neste projeto se situa na linha de frente desse processo, onde a detecção confiável de rodas e o processamento de sinais são essenciais.
PCBCool recentemente trabalhou em um sensor de detecção de rodas montado em PCB para este tipo de sistema de contagem de eixos. Selecionamos o projeto como um estudo de caso representativo para demonstrar como ele progrediu do desenvolvimento do protótipo para o subsequente programa de produção.
Observação: Este estudo de caso é publicado com a permissão do cliente e foi revisado por ele antes da publicação.
Contexto do Projeto
The customer is an independent European subsidiary of a global rail technology group founded in 1938, with more than 50,000 employees worldwide. The group supplies railway infrastructure and signalling equipment, including axle-counting systems, track circuits, railway signals, and point-control systems, to major rail operators across Europe.
For this project, the customer selected PCBCool’s turnkey service. The cooperation began with 20 assembled prototypes and later expanded into a rolling program of 800 PCBAs, covering eight related board variants used within the same signalling system.
Especificações da PCB
| Parâmetro | Especificação |
|---|---|
| Projeto de PCB | Placa de circuito impresso de 6 camadas projetada no Cadence Allegro 25.1 |
| Formato do Quadro | Placa de sensor longa e estreita próxima aos trilhos com almofadas de terminal em ambas as extremidades |
| Material de Base | FR-4 de alto Tg, Tg ≥170°C |
| Espessura Final | 1,6 mm típico |
| Peso de Cobre | Camadas externas de 1 oz; camadas internas de 0,5–1 oz |
| Acabamento Superficial | ENIG |
| Rastro Mínimo / Espaço | 5 mil / 5 mil (0,127 mm) |
| Tamanho Mínimo de Broca | 0,2 mm |
| Tolerância de Furo | ±0,05 mm |
| Processos Especiais | Via em pad e controle de impedância |
Referências de Projeto Ferroviário
| Padrão | Aplicativo |
|---|---|
| ABNT NBR 50125 | Condições ambientais para equipamentos ferroviários |
| EN 50121 | Requisitos de compatibilidade eletromagnética ferroviária |
| ABNT NBR IEC 60571 | Requisitos de equipamentos eletrônicos como referência de projeto |
Principais Componentes da MOL
| Função | Componente |
|---|---|
| MCU | ST STM32U073RCI6 |
| Conversor Abaixador | TI TPS62840DLC |
| Sensor Magnético | Sensor de Efeito Hall 3D TI TMAG5173A2-Q1 |
| Sensor de Temperatura e Umidade | TI HDC3022QDEFRQ1 |
| Tradutor de Nível | Tradutor de nível de 4 bits TI TXU0104RUTR |
| Proteção de Circuitos | Array TVS Littelfuse SC3051-04HTG |
| Relógio | Cristal Abracon de 32.768 kHz |
| Capacitores | Capacitores Murata de 4,7 µF, 10 µF e 100 nF |
| Indutor | Indutor de 2,2 µH |
| Resistores | Resistores Vishay |
| Tamanho BOM | 16 itens de linha |
Requisitos de Montagem
| Parâmetro | Requisito |
|---|---|
| Aquisição de Componentes | Fornecimento de componentes “chave na mão” 100% |
| Processo de Montagem | Montagem SMT, including BGA, QFN, and other leadless packages |
| Revestimento Protetor | Revestimento conforme para proteção ambiental em linha |
| Montagem do Conector | Soldagem seletiva por onda para conectores de montagem em furo |
| Inspeção | AOI e Inspeção por raio-X |
| Testando | Testes elétricos antes do embarque |
Desafios do Projeto
A dificuldade deste projeto não advém de uma única especificação técnica, mas de várias restrições ocorrendo simultaneamente.
The board used a 6-layer construction with via-in-pad structures and 5 mil trace and space. Together, these features required a level of process control approaching HDI production and increased the manufacturing risk. Because some vias were located directly within component pads, any solder loss into the via or unevenness on the pad surface could affect component seating and solder-joint consistency. With an initial order of only 20 boards, there was also little yield buffer.
O BOM de 16 linhas adicionou um desafio de fornecimento separado. Ele incluía sensores automotivos qualificados e vários componentes com disponibilidade limitada ou incerta. Cada peça precisava corresponder à especificação aprovada, permanecer rastreável e chegar a tempo para a montagem. A aquisição de componentes, portanto, não foi uma tarefa administrativa separada; tornou-se parte do cronograma de produção em si.
Os protótipos também precisavam chegar dentro da janela de comissionamento fixa do cliente. Projetos de baixo volume e com prazos curtos frequentemente enfrentam prazos de entrega mais longos e prêmios por pequenos lotes, especialmente quando a fabricação e a montagem de PCBs são realizadas por fornecedores diferentes.
This was the model the customer was really testing:
Whether one partner could manage high-reliability manufacturing, low-volume production, and fast turnaround without dividing PCB fabrication and assembly between separate vendors.
Solução de Engenharia
Após a revisão desses desafios, nossa equipe de engenharia adotou as seguintes medidas:
- Para Via-in-Pad
The vias located within component pads were filled, planarized, and plated over. Filling closed the path that could otherwise draw solder into the hole during reflow soldering, while planarization and plating restored a flat surface for component soldering.
- Para Linhas Finas
Direct imaging was used for the 5 mil trace-and-space pattern instead of conventional film exposure, reducing registration variation caused by phototool movement or dimensional change. Vacuum-assisted etching improved the circulation of etchant across the panel and reduced solution pooling, helping maintain the intended conductor width and spacing.
- Para Aquisição de Componentes
Todos os 16 itens da Lista de Materiais (BOM) foram obtidos por meio de canais autorizados e rastreáveis, sendo verificados em relação aos números de peça aprovados do fabricante e às especificações de embalagem. A aquisição foi iniciada paralelamente à fabricação das placas de circuito impresso (PCBs), de modo que a disponibilidade de componentes não atrasasse o cronograma de montagem.
- Para montagem de PCBA
A placa combinou dispositivos sem chumbo de passo fino na área central do sensor com grandes almofadas terminais em ambas as extremidades. As configurações de posicionamento e reflow foram, portanto, planejadas para acomodar ambos os tipos de componentes dentro do mesmo fluxo de produção. Uma vez concluída a montagem, as placas passaram diretamente para inspeção e teste sem serem transferidas para um fornecedor separado.
Esforços em Garantia de Qualidade
Verificações de qualidade foram realizadas em cada etapa do projeto, em vez de apenas após a montagem:
| Portão | Foco | Verificações essenciais |
|---|---|---|
| Controle de Qualidade Inicial | Materiais e componentes |
|
| Controle de Qualidade em Processo | Fabricação e montagem |
|
| OQC | PCBA Finalizado |
|
Para este projeto, a inspeção por raios-X foi obrigatória porque as juntas de solda dos componentes sem chumbo estavam ocultas sob o encapsulamento.
Considerações Finais
O protótipo de 20 peças fez mais do que provar que a placa poderia ser construída. Demonstrou que a PCBCool poderia gerenciar o projeto com confiabilidade suficiente para conquistar a confiança contínua do cliente e trabalhos subsequentes.
Se você procura um verdadeiro parceiro de fabricação – não apenas um fornecedor para um único pedido –, considere a PCBCool para suporte desde o desenvolvimento de protótipos até a produção em larga escala.
Perguntas Frequentes
Nem sempre. Vias localizadas dentro de *pads* de solda ativos geralmente são preenchidas, enquanto vias térmicas podem utilizar outros tratamentos dependendo do projeto da montagem.
Os principais riscos incluem sangramento da solda, depressão da superfície, preenchimento incompleto e má planicidade das ilhas.
R: Não. Uma via de 0,2 mm é frequentemente perfurada mecanicamente. Sob a orientação do IPC, as microvias utilizadas em estruturas HDI são geralmente limitadas a 150 µm ou menos de diâmetro.
O registro da imagem, a espessura do cobre, a uniformidade da gravação e as dimensões finais do condutor exigem um controle mais rigoroso, pois pequenas variações podem consumir grande parte da margem de processo disponível.
A: A imagem direta reduz a variação de registro associada a fotomáscaras físicas e proporciona melhor controle de características finas em todo o painel de produção.
Melhora a troca de ataque entre o painel, reduz o acúmulo de solução e gravação lateral irregular, e ajuda a manter larguras e espaçamentos de trilhas mais consistentes.
A: A revisão deve abranger o tratamento via-in-pad, tolerâncias de anel anular e de perfuração, folga de cobre para a borda, capacidade de linha fina, geometria de pad, aberturas de máscara de solda, empilhamento e acesso de teste.
Andy é um profissional experiente na indústria de placas de circuito impresso (PCBs), com décadas de experiência em fabricação, montagem e suporte ao cliente de PCBs. Na PCBCool, ele lidera a equipe de marketing e auxilia na transformação de experiências práticas de projetos em conteúdo técnico útil para engenheiros, compradores e desenvolvedores de produtos.
