Como fazer uma placa de circuito impresso – PCB

Como fazer uma placa de circuito impresso – PCB

• Início da Eletrônica

Os antigos rádios eram desenvolvidos com válvulas e fios para conectá-los. Como essa conexão era feita manualmente, a quantidade de erros e custo era elevada. Por isso os fabricantes de aparelhos eletrônicos começaram a notar a necessidade de se desenvolver novos métodos para a fabricação de seus dispositivos.

• Surgimento das placas de circuito impresso

As placas de circuito impresso (Printed Circuit Board – PCB) surgiram na década de 50 quando as companhias resolveram corrigir erros e reduzir custos. Era necessário um material para segurar os componentes nas placas (material isolante) e um material para conduzir eletricidade. O material isolante deveria ser produzido com papel e resina, fibra de vidro ou um material cerâmico. Já o material condutor era usado para conduzir eletricidade como se fossem fios condutores. A escolha por trilhas com material condutor foi feita para se automatizar o processo antigo de placas onde eram usados fios para conectar os componentes.

• PCBs nos dias atuais

Dessa forma surgiram as PCBs e com o processo foi possível fazer placas de circuito impresso em grandes quantidades [1]. Qualquer aparelho moderno tem uma ou várias placas de circuito impresso para a interligação de seus componentes eletrônicos. Os materiais mais comuns para se fazer uma placa de circuito impresso são o fenolite, a composite e a fibra de vidro.

• Materiais utilizados para PCBs e suas diferenças

O fenolite possui a cor marrom opaca e caracteriza-se por ser quebradiço. É um material que absorve umidade com relativa facilidade, causando a deterioração da placa e diminuindo a resistência de isolação. A placa de fenolite ainda apresenta um bom desempenho em circuitos mais simples, sendo uma solução muito usada por muitos estudantes.

A composite é um material de baixo custo como a fenolite, porém com uma qualidade mais elevada. Já a fibra de vidro é menos quebradiça e é mais resistente a choques mecânicos, apresenta uma cor verde e semi-transparente, não absorve umidade e por isso possui uma resistência de isolação maior do que a do fenolite.

O grande problema de se construir placas usando fibra está no seu alto custo [2]. Em um projeto de uma placa de circuito impresso, geralmente, quando se necessita de uma PCB de alta qualidade se utiliza fibra de vidro. O composite também é uma boa solução quando se quer algo de uma qualidade razoável com um baixo custo.

Como fazer uma placa de circuito impresso ( PCB) – Esquemático

O primeiro passo necessário antes de se fazer uma PCB é criar o esquemático,  porém muitos desenvolvedores preferem ignorar essa tarefa e atuar logo no roteamento. Mas para o projeto ter qualidade e ser organizado, é necessário obedecer essas etapas [3].

• Tamanho do esquemático

Normalmente se desenvolve esquemáticos em tamanho A4 para se poder imprimir em impressoras comuns. Então, se o esquemático não entrar em uma única folha A4, divide-se em duas ou mais conforme o circuito projetado. O circuito é separado por partes, conforme a utilidade (parte de força, parte I/O, parte A/D, LCD). Nas Figuras 1 e 2, é mostrado o projeto de um circuito feito em duas folhas de esquemático.

Na Figura 1, são mostrados a parte de força, a parte do display de cristal líquido e a parte do microcontrolador.

Já na Figura 2, são apresentados o display de 7 segmentos, relés, buzzer e um sensor de luminosidade.

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Figura 1. Esquemático de uma PCB

Com o esquemático pronto, deve-se gerar o netlist (arquivo com a lista de conexões correspondentes ao esquemático do circuito)  do circuito. Usando-se esse arquivo de netlist é possível passar para o roteamento do circuito. Outro ponto importante, é que deve-se saber o valor de cada componente, por exemplo, o valor da resistência de um resistor.

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Figura 2. Esquemático de uma PCB

Já quando se coloca esse resistor na placa PCB é necessário se ter a correta dimensão para que esse componente entre na placa de uma forma correta.

Para se ter a correta dimensão do componente é necessário consultar o datasheet (especificação técnica de um componente eletrônico) ou medir com um paquímetro. A unidade de medida mais usada em desenho de PCB é o mil (1/1000 polegadas). Normalmente usa-se a unidade de mils para trilhas, ilhas, espaçamento e grids. Já a unidade mm é usada para medidas mecânicas de fabricação e furos [4].

GRID

Muitos iniciantes em desenhos de PCBs desprezam o grid no layout de sua placa. Ele é necessário para se ter um alinhamento, posicionamento e traçado correto de trilhas. Com  o uso dessa ferramenta se torna muito fácil movimentar-se, alinhar as trilhas, furar, etc. O tempo perdido cresce bastante se não for usado o grid. Use sempre valores inteiros (100, 50, 25, 20,10,5 mils). O grid também pode ser usado no esquemático [3]. Na Figura 3 é mostrado um exemplo.

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Figura 3. Exemplo de grid

MÁSCARA DOS COMPONENTES

A máscara dos componentes sempre é colocada em uma PCB. Essa máscara identifica qual circuito integrado, resistor ou capacitor vai ser montado naquele lugar, conforme apresenta-se na Figura 4. Essa parte é essencial para produção e manutenção de nosso projeto de uma maneira mais simples.

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Figura 4. Máscara de componentes

REGRAS DE PROJETO PARA UMA PCB

• Tamanho da trilha

A trilha é na realidade um condutor que tem uma certa capacidade de conduzir corrente. Seu tamanho é fundamental e se não for respeitado isso, a trilha irá esquentar e romper. Por isso quando trabalha-se com sinais, é comum uma trilha de 20 mils. Já com uma trilha de força, como é usado para a corrente de um relé, trabalha-se com trilhas de 50 mils [4].
Alguns tamanhos comuns são descritos abaixo:

Trilha de sinal – 15, 20, 25 mils
Trilhas de força – 50, 75, 100 mils

De acordo com Williams [1] além da largura da trilha, outro detalhe que deve-se levar em conta é a sua espessura, conforme apresentado na Tabela I. A espessura é medida em 1 oz, 2 oz ou 3 oz. O mais comum é se ter PCBs com 1 oz (onças por pés ao quadrado).

 

Na Figura 5 foi feito um exemplo de uma trilha de sinal que possui 50 mils na parte superior e uma trilha de 20 mils na parte inferior. Se for colocada uma corrente muito alta na trilha de 20 mils, com certeza, ela irá esquentar e romper. Já a trilha de 50 mils consegue transportar uma corrente muito maior.

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Figura 5. Trilhas de sinal(1) e de força(2)

Distâncias de projeto

Sempre que se desenvolve uma PCB é necessário respeitar as principais distâncias entre:

1) trilha e trilha – mostrado na Figura 6.
2) trilha e pad – mostrado na Figura 7.
3) trilhas e malha de terra – mostrado na Figura 8.
4) pad e pad – mostrado na Figura 9.

Nas Figuras 6 e 7 foi usado um grid de 10 mils, ou seja, cada quadrado equivale a uma distância de 10 mils. No caso da Figura 6 é possível ver o espaçamento das trilhas em 10 mils (1 quadrado). É fundamental termos em mente qual a distância mínima que o fabricante consegue fazer conforme o processo de fabricação escolhido. Outro detalhe importante, é não passar trilhas muito próximas das bordas da PCB, pois é possível que a trilha seja danificada no processo de corte.

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Figura 6. Distâncias de trilha e trilha

MALHA DE TERRA (COPPER POUR)

A malha de terra é um dos elementos que irá garantir um bom desempenho da nossa PCB. E quanto mais sofisticada a PCB mais importante se torna essa malha. Boas técnicas de malha de terra podem ser a diferença de um correto ou incorreto funcionamento da placa.

Quanto melhor a malha de terra, menor a impedância do circuito e menos problemas você terá com seu projeto.

Sempre faça polígonos ou planos e identifique-os como GND [1]. Um problema grave que acontece em placas de circuito impresso é o ruído, o qual a malha sempre ajuda a minimizar. Na Figura 10 é mostrada uma malha de terra onde as trilhas estão conectadas aos componentes e logo ao lado, existe a malha de terra que está em forma de um retângulo cobrindo toda a extensão de nossa PCB.

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Figura 7. Distâncias de trilha e pad

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Figura 8. Distâncias de malha de terra e trilha

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Figura 9. Distâncias de pad e pad

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Figura 10. Malha de terra em uma PCB

Quando se posiciona os componentes deve-se separar entre  os componentes que geram ruído, dos componentes que são suscetíveis a ele.

Normalmente se separa os componentes que trabalham com sinais digitais, dos que trabalham com sinais analógicos, pois isso acaba gerando ruído. Circuitos de alta freqüência e a alimentação são grandes geradores de ruído. O desacoplamento na alimentação de circuitos integrados é uma prática comum para eliminar ruídos, os quais causam problemas no circuito integrado. Para se eliminar esse ruído, basta colocar um capacitor o mais próximo possível da alimentação do componente conforme apresenta-se na Figura 11. Se na PCB tiver 10 circuitos integrados, deve-se ter um capacitor para cada componente [5].

Figura 11. Capacitor para eliminar ruídos

Como fazer uma placa de circuito impresso ( PCB) – ROTEAMENTO BÁSICO

Roteamento é o processo que liga os componentes através de trilhas da PCB. Quando menor for o tamanho das trilhas menor será a resistência, capacitância e indutância. Todos esses fatores são indesejados na PCB. Sinais que trabalham com alta freqüência não podem ter descontinuidades em sua trilha, ou seja, uma mudança brusca de direção. Ângulos com 45° devem ser sempre usados. Nunca deve-se usar trilhas com ângulo de 90° ou mais. Na Figura 12 é mostrada uma trilha com um ângulo de 90° e uma com 45°. Usando ângulos de 90° você terá problemas com interferência eletromagnética [5].

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Figura 12. Trilhas usando ângulo em 90° e 45°

DESIGN RULE CHECK (DRC)

É possível checar o roteamento através do uso do comando DRC. Essa ferramenta checa a conectividade, o espaçamento, as larguras de trilhas, o tamanho de furos, curtos circuitos, entre outras coisas. Esses parâmetros são editáveis pelo projetista. É possível salvar os parâmetros em arquivos [2].

ESTUDO DE CASO:SIGNAL INTEGRITY

Há 15 anos, a maioria dos projetistas não se preocupava com técnicas para conectar os componentes eletrônicos em uma PCB. Se as trilhas fossem muito longas, mas conectadas a corretas entradas, a qualidade do circuito se mantinha. Com os circuitos mais modernos e mais rápidos(alta freqüência), o sinal começa a ter distorções. Essas distorções começam a mudar a forma do sinal.

Nos tempos atuais os projetistas necessitam se preocupar com elementos parasitas (resistência, capacitância e indutância). Os problemas ocorrem com EMI (interferência eletromagnética), crosstalk , reflexão e desacoplamento [6].

Crosstalk

O crosstalk ocorre quando ruídos são gerados devido a campos eletromagnéticos que são causados entre trilhas [4].

Considere que temos duas trilhas adjacentes. Normalmente se divide os sinais do crosstalk em sinal agressor e sinal vítima. Uma corrente fluindo por um condutor chamado de agressor irá criar dois sinais de ruídos. Um desses sinais irá fluir pelo condutor vítima no mesmo sentido do agressor. O outro sinal de ruído irá fluir no condutor vítima no sentido contrário [6]. Na Figura 13 apresenta-se o sinal nas duas trilhas usadas. Uma delas foi excitada com um pulso de tensão (agressor) e para a outra não foi mandado nenhum sinal (vítima). Fica bem claro que o agressor induz um sinal de ruído no sinal vítima. Um fato importante de se constatar é que todo o condutor que for vítima também poderá ser considerado como agressor. O sinal vítima é claramente visível. Contudo existe um sinal menor que é mostrado no agressor. Ele é causado por esse pico de tensão do condutor vítima [7].

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Figura 13. Sinal de crosstalk entre agressor e vítima

De acordo com Green [7] existem alguns fatores que diminuem o crosstalk:

• Minimizar o comprimento das trilhas em paralelo.
• Fornecer terminações corretas para trilhas com impedância controlada.
• Reduzir a distância de separação entre o sinal e o GND.

Para o desenvolvimento das simulações foi usado o software PCAD2006 da Altium. Nele foi usado o aplicativo PCB para se projetar as 5 placas usadas no estudo conforme é mostrado na Figura 14.

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Figura 14. Placas projetadas e usadas nas simulações

Tanto no projeto como na simulação foram usados sinais de +5V, GND (malha de terra) e respeitado regras de projeto para o circuito ser o mais real possível. Nas PCBs foram colocados dois circuitos integrados da família CMOS com duas trilhas em paralelo entre os dois componentes. Foi criado em volta das trilhas às malhas de terra para ajudar a diminuir o sinal de ruído. Variou-se a distância entre os componentes e foram analisados os sinais tanto para crosstalk. Manteve-se a largura das trilhas nas cinco placas, bem como a distância entre elas. Com os projetos prontos foi usado o aplicativo Signal Integrity para o estudo dos sinais de crosstalk e reflexão.
Regra de projeto usadas
Largura trilha=20 mils
Distância entre trilhas = 85 mils
Distâncias entre os componentes D=5, 20, 40, 60 e 80 mm

Figura 15. Análise do crosstalk usando D=5 mm e D=80 mm

Com o aumento da distância D, foi analisado o sinal de crosstalk para todas as simulações. Na Figura 15 mostrou-se apenas as simulações usando as distâncias de 5 e 80 mm. Pelo mostrado nessa Figura, é possível concluir que existe um aumento do crosstalk, conforme cresce a distância D. Outro fator importante de se ressaltar nessa Figura(D=80mm), é que o sinal agressor gera um sinal na trilha vítima e essa acaba gerando um pequeno sinal na trilha agressora.

Reflexão

Quando existe uma troca de dados em uma PCB existe sempre um emissor e um receptor. Esse transmissor irá emitir uma troca de estado baixo para alto ou de alto para baixo. Só que para isso acontecer é necessário um meio de transmissão, a trilha. Com o envio do nível lógico do emissor para o receptor, um pedaço desse sinal quase sempre volta para o emissor, ele reflete. Se essa interferência for muito grande, o receptor não conseguirá entender o que foi enviado [6]. Alguns fatores que diminuem a reflexão:

• Menor comprimento da trilha
• Sinais com curto tempo de subida e descida

Para se realizar os teste com reflexão foram usadas as mesmas 5 PCBs que usou-se no teste do crosstalk. O sinal foi analisado somente na trilha superior das 5 placas. Na Figura 16 apresenta-se apenas os sinais de reflexão para as distâncias(D) de 5 e 80 mm.

Figura 16. Análise da reflexão usando D=5 mm e D=80 mm

Com base no gráfico mostrado da Figura 16, é fácil de notar que conforme o aumento do comprimento da trilha maior será a reflexão do sinal emitido. Para se diminuir os resultados de reflexão de sinal encontrados, poderia ter sido usado terminadores. Um grande desafio em se trabalhar com terminadores, esta em saber qual o tipo de terminador e onde colocá-lo [8].

Empresa que apoia o site e desenvolve PCBs:

PHATOM – Embedded Systems

 

CONCLUSÕES

Nesse artigo foram estudadas algumas técnicas que são usuais de qualquer projetista e analisado um estudo de caso para sinais de crosstalk e reflexão. Foi constatado que se for projetado uma PCB que trabalhe com alta freqüência e esta possuir trilhas com grandes distâncias em paralelo, terá-se sérios problemas com crosstalk e reflexão. De acordo com o estudo realizado, conclui-se que não são recomendadas trilhas em paralelo com sinais de alta freqüência. Para se minimizar problemas com crosstalk e reflexão, é possível usar malhas de terra, trilhas com um ângulo correto, capacitores de desacoplamento,  simulações e terminadores.

REFERÊNCIAS

[1] A. Williams, Build Your Own Printed Circuit Board. McGraw-Hill, 2004.
[2] C. Coombs, Printed Circuits Handbook. McGraw-Hill Professional, 2001.
[3] D. L. Jones. (2004) PCB Design Tutorial. [Online]. Available:
http://www.alternatezone.com/electronics/files/PCBDesignTutorialRevA.pdf
[4] J. Seixas and A. Cerqueira. (2007) Desenvolvimento de Técnicas de
Layout de Circuito Impresso, LPS COPPE/UFRJ. layoutseixasfinal.pdf.
[Online]. Available: http://www.coppe.ufrj.br/pesquisa/labs.htm
[5] M. Grant, “ Signal Integrity Considerations for High Speed Digital
Hardware Design,” 2002.
[6] D. Brooks, Signal Integrity Issues and Printed Circuit Board Design.
Prentice Hall, 2003.
[7] L. Green, “Electrical thresholds for identifying crosstalk aggressors,”
Electronics Engineer, May, 2000.
[8] Guidelines for Designing High-Speed FPGA PCBs, AN 315, Altera, 2003.