Introdução ao Projeto de Placas de Circuito Impresso

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1 Objetivo: Introdução ao Projeto de Placas de Circuito Impresso Prof. Stefano Apresentar algumas considerações iniciais para permitir ao estudante se familiarizar com a placa de circuito impresso (PCI), identificar os tipos básicos existentes, os cuidados no desenho e utilizar um software para desenhar o layout da PCI. 1 2 O que é um Circuito Impresso? Circuito Impresso, como o próprio nome diz, consiste na técnica de, por processos industriais e/ou artesanais, imprimir um desenho contendo ligações elétricas (circuito) entre os componentes num determinado circuito eletrônico sob uma chapa de material resistenterecobertaporumafinacamadade cobre. Na sua forma básica uma placa de circuito impresso é construída com um lado cobreado em cima de um substrato isolante (fenolite ou fibra de vidro). As conexões entre os componentes são feitas do lado do cobre através de caminhos condutores (traçado condutor) no cobre conhecido como trilha. As conexões terminam nos pontos de conexão com os componentes, os quais denominamos de ilhas (ou Pads), os quais normalmente possuem furos onde são inseridos os terminais dos componentes. 3 4 Tipos de Material Base FENOLITE Os materiais de base (laminado) mais comumente encontrados são: Fenolite; Fibra de Vidro: Constituído de papelão impregnado com uma resina fenólica (de onde surgiu seu nome). Possui boa rigidez e isolação elétrica. Utilizado somente em placas do tipo face simples. Possui boa estampabilidade, servindo como base para fabricação de placas em larga escala e com baixo custo

2 Fibra de Vidro Comparativo entre os tipos de PCI Constituído de um laminado de fibra de vidro, podendo ter uma ou ambas as faces com cobre. Possui boa rigidez e ótima isolação elétrica. Utilizado em circuitos impressos profissionais e para fabricação de placas de face simples, dupla face e multilayer. Não possui boa estampabilidade. Consegue se produzir circuitos de alta densidade de trilhas, devido as suas características. Ex: PCI 10x15 cm face simples Fenolite = R$ 2,90 Fibra vidro = R$ 5,25 Fonte:Blucolor Atenção: A placa de Fenolite facilita a perfuração. Recomenda-se a utilizar ela na confecção dos protótipos 7 8 Classificação das Placas de Circuitos Impressos Quanto ao número de faces Face Simples: Possui cobre em apenas uma das faces. Dupla-Face: ambas as faces do material possui cobre. Multi-Camadas ou Multi-Layer: Possui mais de uma camada de cobre, geralmente utilizado nas placas profissionais. A função básica de uma PCI é a interligação elétrica e suporte mecânico entre os componentes utilizados no circuito eletrônico. O projeto de uma PCI vai além simplesmente da interligação entre os componentes, pois deve avaliar além do projeto elétrico o projeto mecânico com maior ou menor intensidade, dependendo da aplicação Projeto mecânico: Deve levar em conta alguns aspectos estéticos e funcionais, tais como: LEDs e displays que deverão aparecer externamente ao gabinete; Posição de transformadores, chaves e fusíveis; Localização de componentes críticos, como transistores e resistores de potência, e a necessidade de ventilação e por onde passa o fluxo de ar; Onde a placa ou caixa será instalada, volume disponível e condições ambientais; As considerações acima expostas poderão levar a ao aparecimento de elementos que não estavam previstos no projeto inicial, por exemplo, conectores na PCI. 11 Projeto elétrico: define as características técnicas e funcionais da placa de circuito impresso. Como resultado teremos o desenho da placa, conhecido como layout da PCI. Alguns dos aspectos relevantes no projeto de qualquer PCI são: Disposição dos componentes na placa; ; Considerações gerais A seguir serão apresentadas algumas considerações básicas para elaboração do layout da PCI, mas cabe ao projetista a utilização do bom senso para avaliar a aplicação em maior ou menor intensidade das questões apresentadas de acordo com o projeto 12 2

3 Procure posicionar os componentes que serão ligados diretamente pertos uns dos outros. Tenha o circuito eletrônico em mãos; Quando for posicionar os componentes procure rotacionar quando for necessário para diminuir o comprimento das trilhas e manter os componentes alinhados; Muitas vezes é mais fácil posicionar os componentes maiores, como CIs, e depois dispor os menores como resistores e capacitores ao redor deles. Atenção em não posicionar os componentes perto demais, pois dificulta a montagem e com as ilhas muito próximas na soldagem pode ocasionar curto circuito; Para dispor os componentes, bem como routear (traçar) as ligações, utiliza se geralmente uma grade imaginária, também chamada de raster. Esta grade normalmente é medida em umaunidade denominada mils.(40 mils = 1,016mm); Os componentes são sempre dispostos utilizando se múltiplos desta unidade (ex.: 100 mils); Circuitos integrados que utilizam o encapsulamento DIP (Dual Inline Package) têm seus pinos dispostos à uma distância de 100 mils. (~2,5 mm); Normalmente resistores e diodos são dobrados utilizando se uma grade de 400 mils (ou 10,16mm); Ex.: Diodo 1N4007 Fab. Semikron Ex RESISTORES: Apresentam se em diferentes tamanhos. Ex. Tamanho dos resistores(~) CAPACITORES: Tem de diferentes formas, valores e material de fabricação. É necessário uma atenção especial a este componente

4 CAPACITOR ELETROLÍTICO: O capacitor eletrolítico é fornecido com terminais em modo: axial radial As ligações elétricas existente entre os componentes numa placa de circuito impresso denomina se traçado condutor, e é comumente chamado de trilha. O local onde o terminal do componente é soldado na placa de circuito impresso denomina se ilha de soldagem,ousimplesmenteilha. É também conhecido pela sua denominação em inglês: PAD. Ele apresenta diferentes tamanhos : Da esquerda para direita 1µF (50V) diâmetro 5 mm, altura 12 mm 47µF (16V) diâmetro 6 mm, altura5 mm 100µF (25V) diâmetro 5 mm, altura11 mm 220µF (25V) diâmetro 8 mm, altura12 mm 1000µF (50V) diâmetro18 mm, altura40 mm 19 Trilha ilha 20 As ilhas podem ser de dois tipos: convencionais e de superfície. As ilhas convencionais são utilizadas para soldagem de componentes com terminais (chamados também de componentes convencionais); As ilhas de superfície são utilizadas em componentes SMD e em contatos de bordas (também conhecidos como conectores de borda). Na figura a seguir, apresentamos os tipos de ilhas existentes. 21 Como podemos observar na figura ao lado, as ilhas convencionais possuem dois parâmetros a serem considerados no seu dimensionamento: o diâmetro do furo e a largura do anel metálico. A escolha do diâmetro do furo leva em consideração o diâmetro do terminal a ser inserido (no caso de terminais de secção retangular devese considerar a dimensão da diagonal) e se o furo será metalizado ou não (a metalização só é possível em placas do tipo dupla-face). 22 Na prática, recomenda-se que os furos devem ser 0,20 mm maiores do que o diâmetro do terminal do componente. Isto facilita a montagem do componente e a soldagem do terminal. Diâmetros de furo incorretos acarretam problemas de soldagem, mesmo em placas com furos metalizados, pois dificultam o efeito capilar da solda. O dimensionamento do anel metálico leva em consideração a sustentação mecânica do componente, o tipo de material base utilizado e até a corrente elétrica e/ou uma possível dissipação térmica. Placas decircuito it impresso fbi fabricadas utilizando se materiais i como o fenolite requerem um anel metálico mais reforçado se comparadas as mesmas placas utilizando fibra de vidro, por exemplo. Isto se deve principalmente à aderência do cobre ao material utilizado como base. O fenolite possui menor aderência ao cobre do que a fibra de vidro

5 Para terminais de componentes cujos furos sejam maiores do que 1 mm, aconselha se um alargamento do anel metálico da ilha, de forma a garantir a sustentação mecânica do componente Considerações gerais Existem alguns critérios que devem ser seguidos no que diz respeito a proximidade de componentes da borda da placa; Deve existir uma distância mínima entre qualquer ilha/trilha e a borda de corte. Esta distância nunca pode ser inferior a 1mm, pois durante o corte da placa pode se ter o rompimento do cobre nesta região; Além disto, um furo deve estar distante no mínimo a um espaçamento superior a espessura da própria placa em relação a borda de corte (normalmente 1,6mm); 27 Caso isto não seja respeitado, corre se o risco do rompimento da parede do material base por insuficiência de sustentação mecânica. 28 Considerações gerais Ex.: um diodo cujo encapsulamento seja o DO 41 (ex:1n4007), com terminal de 1 mm de diâmetro, deve se dimensionar o anel metálico da ilha para no mínimo 0,5mm (20 mils). Desta forma, para compor a ilha utiliza se a seguinte regra: Terminal do Componente: 1mm de diâmetro. Considerações gerais Ao desenhar as ilhas, procure sempre que possível garantir o maior anel metálico possível, principalmente em se tratando de componentes pesados ou de potência, ou ainda aqueles que provoquem aquecimento durante o funcionamento da placa. Você pode (e deve) fazer o uso de formatos diferentes do circular, como ilhas oblongas ou retangulares quando necessário. Diâmetro do Furo: 1,2mm ou 47 mils (0,2mm maior que o tamanho do terminal) Anel Metâlico: 20 mils. Dimensão final da ilha: = 87mils

6 Resumo Etapas do Projeto Eletrônico Especificações de Projeto Projeto Eletrônico Simulação Montagem em Protoboard Desenho da PCI Impressão e Corossão Montagem do Protótipo Testes e Validação Em qualquer instante em que se verificar que o projeto não atende as especificações o circuito pode ser alterado Dicas Finais na elaboração da PCI Definição do projeto após simulação e montagem. Para tentar evitar componentes pendurados na placa. Atenção com fontes de ruído; Obter os componentes. É importante pois pode ser que algum componente não esteja disponível no mercado local nas especificações de projeto. Ex. Tensão de capacitor eletrolítico líti ou terminal radial/axial; i l Dispor os componentes adequadamente no software. Não esquecer os conectores. Procurar deixar os elementos alinhados. Atentar para separar os sinais de comando dos de potência. Atenção com calor gerado. Atenção com aterramento.identificar os sinais dos conectores; Atenção com a limpeza da placa na impressão e soldagem; Montagem da placa Soldagem solda fria"? Após a impressão e corrosão temos a montagem final. Atenção com a limpeza dos terminais; Procure dobrar com cuidado os componentes e dobrar os terminais conforme a figura abaixo; Aqui obteve-se uma boa aderência da solda ao terminal,mas há um mau contato com a trilha do circuito impresso. Causas: aquecimento insuficiente da trilha, ou a placa de circuito impresso está suja ou oxidada. Já neste caso há boa aderência à trilha do circuito impresso, porém um mau contato com o terminal do componente. Causas: aquecimento insuficiente do terminal, ou terminal sujo ou oxidado. 33 Exemplo de uma soldagem correta: obteve-se boa aderência da solda à trilha do circuito impresso e ao terminal do componente. 34 Referências 1/3/ Revista Eletrônica Saber Notas de aula do Prof. Stefano 35 6