ELETRÔNICA DIGITAL II Parte 10 Introdução ao Projeto de Placas de Circuito Impresso Professor Dr. Michael Klug 1
2 Circuito Impresso? PCB (Printed Circuit Board) ou PCI (Placa de Circuito Impresso): Consiste na técnica de, por meio de processos industriais e/ou artesanais, imprimir um desenho contendo ligações elétricas (circuito) entre componentes em uma chapa de material resistente recoberta por uma fina camada de cobre.
Elementos Basicamente: PCI constituída de um lado cobreado (single-sided) em cima de um substrato isolante (fenolite ou fibra de vidro) Conexões entre componentes são realizadas no lado do cobre através de caminhos condutores (TRILHAS) Local onde o terminal do componente é soldado na PCI é denominado ilha de soldagem, ou simplesmente ILHA (PAD). Trilha ilha 3
4 Materiais de Base Fenolite: papelão impregnado com uma resina fenólica Boa estampabilidade, rigidez e isolação elétrica; Baixo custo Fibra de Vidro: laminado de fibra de vidro Utilizado em circuitos profissionais; Boa rigidez, isolação elétrica e resistência mecânica.
Comparativo Custo: PCI 10x10cm face simples Fenolite: R$2,61 Fibra: 6,38 OBS: na utilização de perfuradores manuais considerar o uso de PCIs de Fenolite 5
6 Número de faces: Face Simples (single-sided), Dupla Face (double-sided) e Multi- Camadas (Multilayer) Em geral: top layer, bottom layer. Classificação Encapsulamento: PTH (pin through hole) ou SMD (surface mounted device)
7 Etapas de um Projeto Eletrônico: Projeto em bloco: ideias no papel Esquemático Simulação: Multisim, Orcad, Proteus, Altium, etc Montagem temporária: Protoboard, Placa Padrão Projeto do Layout da PCI: Manual ou com Softwares específicos Construção da placa: Transferência manual do layout para a placa, Usinagem CNC (Prototipagem) Soldagem e Testes Documentação Projeto Eletrônico
Projeto da PCI Função Básica: interligação elétrica e suporte mecânico entre os componentes utilizados no circuito eletrônico Dimensão dos componentes, volume disponível, arrefecimento, condições ambientais... Outros aspectos a serem considerados: Espessura do laminado de cobre Espessura do material base mils = milésimo de polegada 8
Projeto da PCI 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 (fluxo de ar); Local onde a placa ou caixa será instalada, volume disponível e condições ambientais; As considerações acima expostas poderão levar ao aparecimento de elementos que não estavam previstos no projeto inicial, por exemplo, conectores na PCI. 9
Projeto da PCI 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; Desenhos das trilhas e ilhas; Considerações gerais: corrente elétrica, efeito capacitivo e indutivo 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 10
Projeto da PCI Disposição dos componentes na placa: 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. 11
Projeto da PCI Disposição dos componentes na placa: 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 uma unidade denominada mils.(40 mils = 1,016mm); Os componentes são sempre dispostos utilizando-se múltiplos desta unidade (ex.: 100 mils); 12
Principais Componentes Circuitos integrados: para o encapsulamento DIP (Dual Inline Package) os pinos estão dispostos à uma distância de 100 mils. (~2,5 mm); Ex. 7400 EM GERAL: NUNCA SOLDE O C.I. DIRETO NA PCI. Utilize sempre soquetes para fixar na placa. 13
Principais Componentes Diodos: normalmente são dobrados utilizando-se uma grade de 400 mils (ou 10,16mm); Ex.: Diodo 1N4007 Fab. Semikron 14
Principais Componentes Display de 7 segmentos: 15
Principais Componentes LED de 5mm 16
Principais Componentes Resistores: Apresentam-se em diferentes tamanhos. Ex. Tamanho dos Resistores 17
Principais Componentes Resistor Variável: 18
Principais Componentes Capacitores: Tem de diferentes formas, valores e material de fabricação. É necessário uma atenção especial a este componente. 19
Principais Componentes Capacitor Eletrolítico: O capacitor eletrolítico é fornecido com terminais em modo: axial radial 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 20
Principais Componentes Ex: Relê Metaltex modelo miniatura MH 21
Desenho das Trilhas e Ilhas 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
Desenho das Trilhas e Ilhas 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. 23
Desenho das Trilhas e Ilhas 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 de circuito impresso fabricadas utilizando-se materiais 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. 24
Desenho das Trilhas e Ilhas 25
Desenho das Trilhas e Ilhas 26
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); Caso isto não seja respeitado, corre-se o risco do rompimento da parede do material base por insuficiência de sustentação mecânica. 27
Placas Universais e Barra de Terminais 28
Transferência do Layout p/ Placa Manual: caneta especial Método Fotográfico (photoresist), Silk-Screen Térmico (papel transfer ou couchê): Utilização de impressora laser; Transferência através de prensa térmica (ou ferro de passar roupas) Usinagem (Prototipadora): Máquina de comando numérico (CNC) ISOLATION DRILL 29
30 Processos de Fabricação Para os métodos Manual,..., Térmico Após a transferência do layout a placa deve passar pelo processo de corrosão (solução de percloreto de ferro)
31 Usinagem da PCI Processos de Fabricação Cobre é removido somente para isolar as trilhas e pads Arquivos Gerber: padrão da indústria de placas de circuito impresso São armazenadas de forma ordenada várias informações sobre a placa: layers, tipos de furos, locais de furação, entre outros Gerber to G-code: máquinas CNC utilizam como padrão o código G (coopercam)
Montagem da Placa 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; 32
Evitando Solda Fria 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. Exemplo de uma soldagem correta: obteve-se boa aderência da solda à trilha do circuito impresso e ao terminal do componente. 33