Laboratório de Processadores. Dicas para elaborar um layout de um placa de circuito impresso (PCI)

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1 Laboratório de Processadores Prof. Anderson Royes Terroso Dicas para elaborar um layout de um placa de circuito impresso (PCI) Este material foi desenvolvido com o objetivo de apresentar algumas dicas que serão úteis na elaboração de uma placa de circuito impresso. Neste documento não será abordado uma ferramenta de CAD (Computer Aided Design) em específico. Um projeto completo de uma PCI passa por algumas etapas, são elas: Elaboração do circuito: esta etapa compreende no desenho do circuito eletrônico. Determinação dos valores dos componentes: alguns exigem cálculos, outros são indicações de fabricantes. Elaboração do layout: o layout consiste na organização dos componentes no espaço físico de uma placa, ou seja, a disposição dos mesmos, e nesta etapa precisamos ter um cuidado redobrado, pois a colocação de um componente de forma equivocada pode inviabilizar o uso da placa, assim como trazer um mau funcionamento do circuito. Portanto, esta e- tapa precisa ser elaborada com o máximo de cuidado e atenção. Este material dará algumas dicas e alguns erros freqüentes no processo de elaboração do layout. Confecção da placa de circuito impresso: depois do layout finalizado, os arquivos gerber (combinação de comandos gráficos utilizados pelo equipamento fotoploter para a formação das imagens da placa de circuito impresso, e que pode ser gerado a partir de qualquer programa para projeto de PCI) são encaminhados para a fabricação da placa em uma empresa especializada. Montagem: consiste em fazer a solda dos componentes. Nesta etapa, podemos verificar se o layout, em termos de disposição dos componentes ficou acessível. Muitas vezes nesta etapa, descobrimos que o pushbuttom ficou muito próximo de um capacitor, o que dificulta o acesso ao interruptor. Esses detalhes que precisamos tomar muito cuidado na hora de elaborar um layout. Teste: esta etapa encerra um ciclo, fazendo o check-up final de todo o processo, testando-se o funcionamento de cada componente, ou seja, se o sistema possui um display, será feita a escrita no mesmo, se existe um relé, será feito o acionamento e assim por diante, precisamos garantir que todas as etapas anteriores foram executadas de forma correta. Antes de serem apresentadas algumas dicas para a elaboração de uma PCI, é importante esclarecer alguns termos frequentemente utilizados, como por exemplo: layer, pad, via, mils, etc... A seguir você encontrará uma lista dos termos mais utilizados e seus respectivos significados. Layer O layer consiste nas faces de uma placa de circuito impresso. Podemos ter uma placa face simples, ou seja, um layer. Isso significa que teremos trilhas (conexões) em um lado da placa (fenolite ou fibra material usado em PCIs). Uma placa com dois layers, também chamado de placa dupla-face, ou seja, teremos trilhas tanto na parte de cima da placa,

2 Footprint como embaixo. Chamamos o layer de cima de TOP e o layer de baixo de BOTTOM. Existem projetos que requerem placas multi-layers, são placas que possuem camadas intermediárias entre TOP e BOTTOM, seria uma forma de sanduíche de placas. A escolha pelo número de layers depende do projeto, existem projetos que com uma face simples se pode elaborar um layout de uma PCI, mas outros requerem uma facedupla. Existem projetos complexos que exigem várias camadas (multilayers), mas para isso, é preciso verificar custos e empresas especializadas que realizam este tipo de placa. Footprint é a máscara de um componente. Note que na ferramenta onde desenhamos o esquemático, a representação gráfica (desenho) do capacitor não muda com a capacitância do mesmo, mas na hora de fazermos o layout, isso deverá ser levado em consideração, pois um capacitor de 1uF não tem o mesmo tamanho de um capacitor de 1000uF. Portanto, o footprint é a máscara do componente real, enquanto que a representação gráfica usada no esquemático é só uma simbologia universal. A Figura 1 exemplifica a representação gráfica e o footprint de um capacitor e um resistor. Trilha Mils Via PAD FIGURA 1 Representação gráfica e footprint. É a conexão física entre um terminal de um componente e o outro. Em uma pront board isto é feito com fio. A espessura da trilha depende da corrente elétrica, assim como a bitola do fio utilizado em instalações elétrica também depende da corrente elétrica. Como a trilha tem uma espessura muito pequena, pois trata-se de uma fina camada de cobre depositada sobre a placa de fenolite ou fibra, então precisamos estipular a largura da trilha. Mils é uma unidade muito usada e significa a milésima parte de uma polegada, ou seja, é uma medida bem pequena, mas quando tratamos de largura de trilha, tamanho de via, etc... recomenda-se o seu uso. 1mils 0,0254mm Então quando dizemos que a espessura de uma trilha tem que ter 40mils, estamos dizendo que ela tem aproximadamente 1mm. É um furo metalizado que faz a passagem de uma trilha (ligação elétrica) que corre de um layer para o outro. Então a via é o caminho de passagem de uma trilha de um layer para o outro. O pad (ilha) consiste em um furo metalizado que serve para fixar (soldar) os terminais dos componentes. Quando realizamos um projeto de uma placa em uma ferramenta de CAD, devemos determinar o tamanho dos pads, isto porque temos tamanhos diferentes. Os leads (terminais) dos componentes apresentam diâmetros diferentes, por exemplo, o lead de um diodo de potência não tem o mesmo diâmetro de um lead de um resistor de 1/8 watt. Portanto, devemos determinar o diâmetro externo e interno do pad (a diferença entre os dois diâmetros, será o tamanho da borda de cobre para soldar o terminal).

3 Exemplo de pads Resistores (1/8 watt) e capacitores (baixa tensão e baixa capacitância): top/bottom = 51mils e drill (furo broca) = 31mils (resta uma borda de 10mils de cobre para soldar o componente). Diodos: top/bottom = 59mils e drill = 39mils. Barra de pinos: top/bottom = 59mils e drill = 39mils. Plugue P4 (plugue da fonte de alimentação): top/bottom = 158mils e drill = 118mils Relés e KREs: top/bottom = 118mils e drill = 78mils Furo de fixação: top/bottom = 118mils e drill = 118mils portanto não tem borda de cobre as duas dimensões são iguais. Em caso de dúvida, utilize um paquímetro para fazer a medida correta do diâmetro interno e utilize pelo menos 20mils entre top/bottom e drill. Por exemplo, o furo precisa ter 40mils, logo o diâmetro externo terá que ter no mínimo 60mils. Claro, se o furo interno é muito grande, a borda precisa ser maior, pois a quantidade de estanho a ser utilizado para fixar o lead precisa ser maior. Portanto, não é uma regra e sim uma dica para furos pequenos, até 40mils de diâmetro interno. OBS.: o ideal é padronizar os furos, ou seja, se existe uma pequena diferença entre o furo de um componente e de outro, se escolhe o maior e adota-se este, isto porque cada tamanho diferente de furo, nova broca deverá ser utilizado. Note que os pads não são do mesmo tamanho, isso se deve a bitola do (leads) terminal ser diferente. Assim, como a espessura das trilhas. Note que a via faz a passagem da trilha do layer top para o layer bottom. A via não é um pad e sim um furo de passagem. A via é colocada automaticamente pela ferramenta de CAD, durante o processo chamado roteamento. O roteamento consiste em fazer conexões entre cada componente de forma automatizada. FIGURA 2: Diferença entre PAD e VIA. 1) Tamanho dos componentes: Um bom layout passa pelo o uso de footprint (máscara dos compontes) adequados. Um resistor, por exemplo, de 1/8watt não tem o mesmo espaçamento dos leads (terminais) de um resistor de 5watts. Assim, como um capacitor eletrolítico, tem diversos tamanhos. Para isso, precisamos conhecer previamente os componentes, para saber qual máscara será utilizada. Por isso, uma dica é usar um paquímetro para fazer as medidas ou utilizar um gabarito, por exemplo, uma barra de pinos (Figura 3a) tem distanciamento de 100mils, entre cada terminal. Portanto, pela figura podemos constatar que o capacitor de 33pf tem distancia entre leads de 200mils, assim como o capacitor de 0,1µF. Já o resistor, apresenta uma distância de 300 a 350mils.

4 FIGURA 3: Em é apresentado uma barra de pinos servindo de gabarito para determinar a distância entre os leads dos componentes. Em é mostrado a máscara de vários componentes, sendo que para os capacitores temos diferentes tamanhos, assim como para diodos, resistores, etc.. Na Figura 4, é ilustrado outros componentes e suas respectivas distâncias entre os leads. A figura abaixo ilustra a medida de um indutor (300mils), um cristal (200mils), um capacitor de 39pF (200mils), um led (100mils), um capacitor de 10µF (100mils) e capacitor de 27nF (200mils). FIGURA 4: Novamente uma barra de pinos foi utilizada como gabarito para fazer a medidas dos componentes. Tanto o espaçamento dos terminais, como também para determinar o tamanho do invólucro, espaço ocupado, etc.. 2) Largura das trilhas: Assim como em instalações elétricas, onde as fiações apresentam diferentes bitolas (tomadas, chuveiros, iluminação, etc..), no projeto eletrônico precisamos dimensionar a largura das trilhas, dependendo da corrente elétrica. Como não podemos mudar a espessura da trilha, pois toda a placa de fibra ou fenolite tem a mesma espessura de cobre, portanto o que se faz é mudar a largura das trilhas. Em alguns sites,

5 é comentado uma relação de 1mm (40mils) para cada Ampèr, ou seja, se o circuito exige uma corrente de 2A, então a trilha deverá ter 2mm (80mils) de largura. Entretanto, existe um gráfico (Figura 5) que relaciona corrente elétrica, espessura do cobre, largura do cobre e temperatura. Por exemplo, deseja-se fazer uma trilha para uma corrente de 2 Ampèr, gradiente de temperatura de 30 o C acima da ambiente, espessura do cobre de 1oz (1oz 35µm, 1,378mils), qual a trilha que deve ser utilizada? Fazendo a análise gráfica, chegamos a uma largura de 20mils da trilha. Agora se fizermos à mesma análise considerando um gradiente de temperatura de 10 o C acima da ambiente, teremos uma largura de trilha de aproximadamente 80mils, o que equivale à primeira relação passada. O site da empresa Micropress, faz o cálculo automático da largura da trilha, consulte: FIGURA 5: Gráfico para determinar a largura da trilha de cobre.

6 1mils = 0,0254mm 1oz = 35µm = 1,378mils A Figura 6, ilustra algumas situações onde a largura da trilha influencia muito, tais como saída de potência (reles, motores de passo, etc..). FIGURA 6: Em, temos algumas trilhas mais largas, pois são trilhas que conectam os relés aos terminais de saída. Em, as trilhas mais largam são usadas nos drivers de corrente para motor de passo. 2) Fonte de Alimentação. (c) FIGURA 7: Essas fotos ilustram o plugue P4 utilizado nos kits de laboratório. Note que a furação é maior que os furos dos outros componentes. Além disso, precisa ter uma borda de cobre maior, para fazer a solda que resista as constantes conexões. (d) Os pads do conector plugue P4 devem ser grandes o suficiente para permitir o encaixe perfeito. Um tamanho aceitável para estes pads são 158mils top/bottom e 118mils drill. A Figura 7, mostra o footprint e o componente plugue P4. O regulador de tensão LM78XX exige um furo para os seus terminais, maior que a maioria dos furos convencionais (Figura 8.a), além disso, devemos reservar uma área livre de conexões para a fixação do dissipador de calor (Figura 8.c). Estes kits usados no laboratório dissipam uma potência razoável, por isso, devem-se usar um dissipador grande (2,7cm x 3,0cm). A área livre de conexão tem a finalidade de evitar um contato do dissipador com trilhas da placa (Figura 8.b). Não esqueça de colocar os capacitores da fonte, bem próximo do regulador de tensão.

7 Plugue P4 regulador Ponte diodos capacitor led (c) FIGURA 8: Nestas figuras, note que os componentes relacionados com o regulador, ficam próximos. A ponte de diodos (circuito de proteção contra inversão de polaridade), capacitores de filtragem, led indicativo de on-off, regulador de tensão e o plugue P4 ficam próximos. Portanto, sempre que possível agrupe os componentes que atuam juntos. A figura ao lado mostra um outro circuito, onde novamente os componentes referentes ao regulador de tensão, também ficam próximos. Este regulador não requer dissipador de calor, isto porque se trata de um regulador chaveado da Texas (PT5101A 1A). 3) CPU MSC1211Y5 CLOCK e CAPACITORES DE FILTRO. Neste projeto, uma parte considerada crítica é o posicionamento do cristal. Conforme a Figura 10.b, podemos constatar que o cristal e os capacitores do cristal ficam muito próximos dos pinos 1 e 2 do MSC1211. O cristal vai conectado a estes dois pinos. Portanto, o cristal DEVE ficar o mais próximo desses pinos e NÃO coloque os capacitores afastados do mesmo. Outro detalhe são os capacitores de filtro utilizados. Os capacitores devem ficar próximos dos pinos os quais estão conectados. Não coloque os capacitores distantes, pois perdem a sua finalidade de filtrar ruídos nas trilhas próximas do microprocessador. Capacitor de filtro Cristal Capacitor cristal FIGURA 10: Posicionamento dos capacitores de filtro, cristal e capacitores do cristal.

8 4) Circuito de Reset. O circuito de reset também deve ficar próximo da CPU. Os componentes que fazem parte do reset, push-buttom, capacitor e resistor, devem ficar próximos. 6) Porta Serial RS232. FIGURA 11: Circuito de reset. O conector usado na comunicação serial RS232 é o DB-9 macho (Figura 12.a). Cuidado na hora de fazer o layout para não colocar esse componente virado. Note que os quatro pinos são voltados para a borda da placa (Figura 12.b). Outro detalhe importante, é colocar os componentes relacionados com a serial próximos. Na Figura 12.c, vemos o driver da RS232 próximo dos capacitores e leds sinalizadores de transmissão e recepção. Não coloque esses componentes distribuídos na placa, coloquem próximos da serial, como mostra a figura. Um outro conector utilizado nos kits é o PS2 (Figura 13). DB9 para placa DB9 para cabo Furo metalizado Para fixar o DB9 Os quatros furos ficam para a borda da placa. Furo metalizado Drive RS232, capacitores e leds de sinalização. (c) FIGURA 12: Conectores usados para a comunicação RS232. Layout do conector DB-9 macho na PCI. Layout dos componentes referentes a comunicação serial (c).

9 7) Porta I2C. FIGURA 13: Footprint do conector PS2 e o respectivo conector. O conector usado na comunicação serial I 2 C consiste em uma barra de 4 pinos macho. A Figura 14.a mostra o footprint deste conector e na Figura 14.b, a foto da barra de pinos. FIGURA 14: O conector usado na comunicação serial I 2 C. 8) Display LCD O display utilizado nos kits de laboratório, normalmente é de 16x2, 16x4 ou 20x4 (Figura 15.a e Figura 15.b). Indicamos que a montagem do display fique para dentro da placa, conforme mostra a Figura 15.c e Figura 15.d. Neste tipo de montagem, temos que ter um cuidado redobrado, pois alguns componentes NÃO PODEM ficar de forma alguma embaixo do display, tais como: relés, push-buttom, dissipador, jumper, trimpot (Figura 15e e Figura 15.f para ajuste do contraste do display de LCD), leds, capacitores, ou seja, nenhum componente que tenha uma altura maior que a distancia do display da placa ou que precise ser constantemente pressionados ou modificados. A Figura 15.c e a Figura 15.d, mostram um exemplo de display montado sobre a placa, sem causar nenhum tipo de problema a placa. Note que a barra de pinos no display 16x2, fica na parte inferior e a numera-

10 ção é da direita para esquerda. Enquanto que o display 16x4 e o 20x4, a barra de pinos fica na parte superior do display, e a numeração é da esquerda para a direita. Portanto, antes fazer o layout da placa, é necessário saber qual o display será empregado no projeto. (c) Nesta figura, podemos observar que a barra de pinos usada para fixar o display, é uma barra de pinos fêmea. Neste projeto, o display ficou montado sobre a placa, e precisa ter um cuidado especial com alguns componentes, como potenciômetro, capacitores, leds, push-buttom, jumpers, reles, ou seja, componentes que necessitem uma intervenção do usuário para regulagem ou ajuste. (d) A figura acima, mostra alguns desses componentes e a sua localização após a instalação do display de LCD 16x4. (e) (f) 9) Saída de Áudio. A saída de áudio usada nos projetos de Lab. De Processadores, é um buzzer autoosciláveis (Figura 16.a e Figura 16.c). O footprint dele é muito semelhante de um capacitor com espaçamento de 300mils entre os terminais (Figura 16.b). (c) FIGURA 16: Componente de áudio (buzzer) e o seu respectivo footprint.

11 10) Conector PS2. Como já foi mencionado anteriormente, estes kits também possuem uma interface PS2 e o conector deve ser montado da forma apresentado na Figura 17.a. FIGURA 17: Footprint do conector PS2 e o conector para placa mini-dim 6 pinos. 11) Teclado. O teclado consistem em 4 ou 5 teclas push-buttom. Elas podem ser colocadas em linha como mostram as Figuras 18.a e 18.b, porém no caso de 5 teclas, podemos adotar uma outra configuração (Figura 18.c) FIGURA 18: Teclado push-buttom. 12) IrDA & RF. (c) (c) FIGURA 19: Receptor e Transmissor da WhenShing. O transceiver da WhenShing. O IrDA TFDU4100 da Vishay (c).

12 13) Driver de Potência. (c) Um detalhe importante que podemos notar na figura, é que a largura das trilhas está compatível com a corrente requerida pelo circuito, porém o espaçamento entre as mesmas é irrisório, ou seja, o isolamento entre as trilhas é muito pequeno, portanto recomenda-se o uso de espaçamento igual a largura da trilha, por exemplo, se a trilha for de 40mils, então o espaçamento deverá ser de 40mils. Neste outro exemplo, o distanciamento entre as trilhas e os demais obstáculos, trilhas, plano de terra, pads, vias, já é maior, evitando assim um curto circuito ou

13 algo que possa causar algum dano ao circuito. 14) Saída de Reles. Os reles também exigem uma trilha mais larga e um espaçamento entre as mesmas da mesma largura da trilha. Cuidado com os footprint dos KRE (conectores cinzas com parafuso para fixar os fios) e o rele, pois ambos possuem pinos bem mais grossos que o normal. 15) Conector de I/O. Os conectores de I/O ou expansão devem ficar na periferia da placa. Consistem em barras de pinos machos. Se for colocada uma área de wire-up, então estes conectores devem ficar próximos. Do contrário, nunca os coloque no meio da placa. Wire-up Barras de pinos - conectores de I/O FIGURA : Conectores para expansão. 16) Conector de Smart Card. O Conector de Smart Card está mostrado na figura abaixo. Uma idéia de layout para a placa de, é a montagem do display em uma face da placa e na outra o conector de smart-card. Desta forma, reduziríamos consideravelmente a área de placa. A Figura abaixo, tenta demonstrar essa idéia. Qualquer dúvida consulte os professores da disciplina.

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