Como compreender alguns passos importantes na conceção de placas PCB

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Como compreender alguns passos importantes na conceção de placas PCB

Se estiver interessado em conceber uma placa PCB, há uma série de passos importantes que deve conhecer. Estes passos incluem a Ideação, a Definição, a Validação e a Colocação de componentes. A compreensão destes passos ajudá-lo-á a criar o melhor design possível.

Ideação

A criação de um design de placa PCB eficaz começa com a definição do objetivo do dispositivo. É essencial fazer corresponder as dimensões e as restrições de altura da placa aos componentes pretendidos. Outras considerações incluem a ESR dos componentes a altas frequências e a estabilidade da temperatura. Além disso, é necessário escolher a largura e o espaçamento adequados dos traços. O não cumprimento desta regra geral pode levar a uma explosão de custos.

O processo de conceção de PCB começa com a conceção, definição e validação. Este passo é fundamental e ocorre antes de conceber um protótipo ou executar um projeto. Realça a criatividade do designer e garante que todos os componentes de hardware estão alinhados e são congruentes. Também permite a colaboração cruzada entre os vários membros da equipa, resultando em sinergia.

Definição

A conceção de uma placa de circuito impresso é um processo complexo. Inclui a escolha dos materiais adequados para a base da placa de circuito impresso, a seleção de uma regra de conceção e a seleção das dimensões finais. A placa de circuito impresso também deve ser testada para garantir que funcionará corretamente nas condições de funcionamento previstas. Se a conceção não for feita corretamente, o projeto pode acabar em fracasso.

O primeiro passo na conceção de PCB é criar um conjunto de projectos. Isto é feito através de software de computador. As plantas servem de modelo para o projeto. O projetista pode também utilizar uma calculadora de largura de traço para determinar as camadas interior e exterior. Os traços e circuitos condutores de cobre são marcados com tinta preta. Os traços são conhecidos como camadas no desenho da PCB. Existem dois tipos de camadas, a exterior e a interior.

Validação

As placas PCB passam por processos de validação para garantir que foram concebidas corretamente. Estes testes são efectuados através da análise das estruturas da placa. Estas estruturas incluem sondas e conectores, bem como o padrão Beatty para parâmetros de material. Estes testes são efectuados para eliminar quaisquer erros de conceção, tais como reflexos.

As placas PCB são então preparadas para o fabrico. O processo depende da ferramenta CAD utilizada e das instalações de fabrico. Normalmente, envolve a criação de ficheiros Gerber, que são desenhos de cada camada. Existem várias ferramentas de visualização e verificação Gerber disponíveis, algumas das quais estão integradas em ferramentas CAD, enquanto outras são aplicações autónomas. Um exemplo é o ViewMate, que pode ser descarregado e utilizado gratuitamente.

O processo de validação também envolve o teste do dispositivo. O projeto é testado com um protótipo para garantir que cumpre a resposta esperada. Além disso, inclui uma análise do circuito para determinar se o projeto é estável. Os resultados deste teste determinam se são necessárias alterações. Devem ser efectuadas algumas modificações para melhorar a conceção e garantir que esta cumpre as especificações do cliente.

Colocação de componentes

A colocação de componentes em placas PCB pode ser efectuada de várias formas. Pode colocá-los acima ou abaixo de outro componente, ou pode utilizar uma combinação destes métodos. As colocações podem ser organizadas alinhando os componentes seleccionando Alinhar em cima ou Alinhar em baixo. Também é possível distribuir uniformemente os componentes no quadro seleccionando-os e clicando com o botão direito do rato sobre eles. Também pode mover os componentes para o lado superior ou inferior da placa de circuito impresso premindo L.

Quando se desenham placas de circuito impresso, a colocação dos componentes é crucial. Idealmente, os componentes são colocados na parte superior da placa. No entanto, se o componente tiver uma dissipação térmica baixa, pode ser colocado na parte inferior. Recomenda-se também agrupar componentes semelhantes e colocá-los numa fila uniforme. Além disso, os condensadores de desacoplamento devem ser colocados muito próximos dos componentes activos. Além disso, os conectores devem ser colocados de acordo com os requisitos do projeto.

Tensão de rutura dieléctrica

Quer esteja a conceber a sua própria placa de circuito impresso ou a adquirir uma placa de circuito impresso a um fabricante, há vários passos que deve conhecer. Algumas destas etapas incluem: testar a funcionalidade dos componentes eléctricos e da disposição da placa de circuito impresso. Isto é feito através da realização de uma bateria de testes de acordo com as normas IPC-9252. Dois dos testes mais comuns são os testes de isolamento e de continuidade do circuito. Estes testes verificam se existem quaisquer desconexões ou curto-circuitos na placa.

Após a conclusão do processo de design, é importante considerar a expansão térmica e a resistência térmica dos componentes. Estas duas áreas são importantes porque a expansão térmica dos componentes da placa aumenta quando esta fica mais quente. A Tg dos componentes de uma placa deve ser suficientemente elevada para evitar que os componentes sejam danificados ou deformados. Se a Tg for demasiado baixa, pode provocar a falha prematura dos componentes.

Medidas de interferência na conceção de placas de circuito impresso

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Medidas de interferência na conceção de placas de circuito impresso

Se está à procura de medidas de interferência na conceção de placas de circuito impresso, veio ao sítio certo. Estas medidas incluem blindagem, ligação à terra, linhas de transmissão e filtros passa-baixo. Estas medidas podem ajudar a evitar EMI e ruído, bem como a melhorar o desempenho dos seus produtos electrónicos.

Blindagem

A blindagem é uma parte importante do processo de conceção da placa de circuito impresso. Evita que a EMI, ou interferência electromagnética, interfira com a placa de circuitos. A EMI é causada por sinais eléctricos, que são frequentemente de frequência mais elevada do que a própria placa de circuitos. As protecções metálicas ou latas na placa de circuitos ajudam a bloquear este tipo de interferência. A blindagem é um aspeto importante da conceção da placa de circuito impresso, independentemente de a placa ser concebida para circuitos analógicos ou digitais.

Normalmente, o material de proteção é constituído por várias camadas de cobre. Estas camadas de cobre estão ligadas umas às outras através de vias cosidas e a camada de blindagem é colocada entre elas. Uma camada de cobre sólida oferece uma maior blindagem, enquanto as camadas de cobre com hachuras cruzadas oferecem blindagem sem comprometer a flexibilidade.

Os materiais de proteção são frequentemente feitos de cobre ou estanho. Estes metais são úteis para blindar os circuitos, uma vez que os isolam do resto da placa. A blindagem também pode alterar a espessura de um circuito flexível. Como resultado, pode diminuir a capacidade de dobragem. Os materiais de blindagem devem ser escolhidos com cuidado, porque há certos limites para a flexibilidade de uma placa de circuito.

Ligação à terra

A ligação à terra na conceção de placas de circuito impresso é importante para manter a integridade do sinal e minimizar a EMI. Um plano de terra de referência fornece um caminho de retorno limpo para os sinais e protege os circuitos de alta velocidade da EMI. A ligação à terra adequada da placa de circuito impresso também pode ajudar com os circuitos de alimentação. No entanto, há vários factores a considerar na conceção de circuitos de PCB antes de começar.

Primeiro, isole os pontos de terra analógicos do plano de potência. Isto pode evitar picos de tensão no plano de potência. Além disso, distribua condensadores de desacoplamento por toda a placa. Para componentes digitais, deve utilizar um condensador de desacoplamento com o mesmo valor que o plano de potência. Em segundo lugar, evite distribuir o plano de terra em mais do que uma camada, o que aumentará a área do circuito.

Os planos de terra não devem estar demasiado próximos dos componentes electrónicos. A indução electromagnética (EMI) provoca o acoplamento de sinais se dois traços forem colocados demasiado próximos. Este fenómeno é conhecido como diafonia. Os planos de terra são concebidos para minimizar a diafonia e reduzir a EMI.

Linhas de transmissão

As linhas de transmissão são importantes para a conceção de placas de circuito impresso porque podem afetar a funcionalidade da placa. As propriedades de uma linha de transmissão incluem a impedância caraterística e o atraso de propagação. Quando estes parâmetros não são controlados, podem causar reflexões de sinal e ruído eletromagnético. Isto reduzirá a qualidade do sinal e pode comprometer a integridade da placa de circuitos.

As linhas de transmissão podem ter diferentes formas, incluindo striplines e guias de onda coplanares. Cada tipo de linha de transmissão tem uma impedância caraterística, que é determinada pela largura e espessura da tira condutora. Ao contrário de outros tipos de linhas de transmissão, as linhas estriadas não necessitam de um único plano de terra, uma vez que a sua tira condutora pode ser incorporada entre duas camadas diferentes.

Outro tipo de linha de transmissão são as microstrips, que são normalmente utilizadas na camada mais externa de uma placa de circuito impresso. Estes tipos de traços oferecem uma impedância caraterística elevada, que varia com a frequência. Esta diferença de impedância leva à reflexão do sinal, que viaja na direção oposta. Para evitar este efeito, a impedância deve ser igual à impedância de saída da fonte.

Filtros passa-baixo

Os filtros passa-baixo são utilizados para filtrar sinais, como ondas de rádio, a baixas frequências. A utilização de condensadores como filtros passa-baixo num desenho de placa de circuito impresso pode melhorar o desempenho de um circuito. No entanto, nem sempre é possível utilizar o material da placa de circuito impresso Rogers 4003 e este nem sempre está disponível no mercado.

As ferrites são normalmente utilizadas como filtros passa-baixo, mas este material é suscetível de saturação quando é exposto a corrente contínua. Como tal, nem sempre é possível utilizá-la como elemento passa-baixo se a impedância do circuito for superior à impedância da ferrite.

Como utilizar o empilhamento em camadas de PCB para controlar a radiação dos CEM

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Como utilizar o empilhamento em camadas de PCB para controlar a radiação dos CEM

Um empilhamento em camadas de PCB é uma das melhores formas de reduzir a CEM e controlar as emissões de CEM. No entanto, não é isenta de riscos. A conceção de uma placa de circuito impresso com duas camadas de sinal pode resultar numa quantidade insuficiente de espaço na placa para encaminhar os sinais, cortando o plano PWR. Por conseguinte, é preferível colocar as camadas de sinal entre dois planos condutores empilhados.

Utilizar um empilhamento de PCB de 6 camadas

Um empilhamento de PCB de 6 camadas é eficaz para dissociar sinais de alta velocidade e sinais de baixa velocidade, podendo também ser utilizado para melhorar a integridade da energia. Ao colocar uma camada de sinal entre a superfície e as camadas condutoras interiores, pode suprimir eficazmente a EMI.

A colocação da fonte de alimentação e da terra na segunda e quinta camadas do empilhamento da placa de circuito impresso é um fator crítico no controlo da radiação EMI. Esta colocação é vantajosa porque a resistência do cobre da fonte de alimentação é elevada, o que pode afetar o controlo da EMI de modo comum.

Existem diferentes configurações de empilhamentos de PCB de 6 camadas que são úteis para diferentes aplicações. Um empilhamento de PCB de 6 camadas deve ser concebido para as especificações de aplicação adequadas. Então, deve ser exaustivamente testado para garantir sua funcionalidade. Depois disso, o desenho será transformado numa impressão azul, que orientará o processo de fabrico.

As placas de circuito impresso costumavam ser placas de camada única, sem vias e com velocidades de relógio na ordem dos cem kHz. Atualmente, podem conter até 50 camadas, com componentes aninhados entre camadas e em ambos os lados. As velocidades de sinal aumentaram para mais de 28 Gb/S. As vantagens do empilhamento em camadas sólidas são numerosas. Eles podem reduzir a radiação, melhorar a diafonia e minimizar os problemas de impedância.

Utilizar uma placa laminada com núcleo

A utilização de uma placa de circuito impresso com núcleo laminado é uma excelente forma de proteger os componentes electrónicos da radiação EMI. Este tipo de radiação é causado por correntes que mudam rapidamente. Estas correntes formam loops e irradiam ruído quando mudam rapidamente. Para controlar a radiação, deve utilizar uma placa com núcleo laminado que tenha uma constante dieléctrica baixa.

A EMI é causada por uma variedade de fontes. A mais comum é a EMI de banda larga, que ocorre em frequências de rádio. É produzida por uma série de fontes, incluindo circuitos, linhas eléctricas e lâmpadas. Pode danificar o equipamento industrial e reduzir a produtividade.

Uma placa com núcleo laminado pode incluir circuitos de redução de EMI. Cada circuito redutor de EMI inclui uma resistência e um condensador. Pode também incluir um dispositivo de comutação. A unidade do circuito de controlo controla cada circuito redutor de EMI enviando sinais de seleção e controlo para os circuitos redutores de EMI.

Incompatibilidade de impedância

Os empilhamentos em camadas de PCB são uma excelente forma de melhorar o controlo da EMI. Podem ajudar a conter campos eléctricos e magnéticos, minimizando a EMI de modo comum. O melhor empilhamento tem planos sólidos de alimentação e terra nas camadas exteriores. A ligação de componentes a estes planos é mais rápida e fácil do que o encaminhamento de árvores de alimentação. Mas a contrapartida é o aumento da complexidade e dos custos de fabrico. As PCB multicamadas são caras, mas as vantagens podem compensar a desvantagem. Para obter os melhores resultados, trabalhe com um fornecedor de PCB experiente.

A conceção de um empilhamento em camadas de PCB é uma parte integrante do processo de integridade do sinal. Este processo requer uma consideração cuidadosa dos requisitos de desempenho mecânico e elétrico. Um projetista de PCB trabalha em estreita colaboração com o fabricante para criar a melhor PCB possível. Em última análise, o empilhamento de camadas da placa de circuito impresso deve ser capaz de encaminhar todos os sinais com êxito, manter intactas as regras de integridade do sinal e fornecer camadas de alimentação e de terra adequadas.

Um empilhamento em camadas de PCB pode ajudar a reduzir a radiação EMI e melhorar a qualidade do sinal. Pode também fornecer um barramento de energia de desacoplamento. Embora não exista uma solução única para todos os problemas de EMI, existem várias boas opções para otimizar as pilhas de camadas de PCB.

Separação de traços

Uma das melhores formas de controlar a radiação EMI é utilizar o empilhamento de camadas nos desenhos de PCB. Esta técnica consiste em colocar o plano de terra e as camadas de sinal ao lado umas das outras. Isto permite-lhes atuar como escudos para as camadas de sinal interiores, o que ajuda a reduzir a radiação de modo comum. Além disso, um empilhamento em camadas é muito mais eficiente do que uma PCB de plano único no que respeita à gestão térmica.

Para além de ser eficaz na contenção da radiação EMI, a conceção de uma pilha de camadas de PCB também ajuda a melhorar a densidade dos componentes. Isto é feito garantindo que o espaço à volta dos componentes é maior. Isto também pode reduzir a EMI de modo comum.

Para reduzir a radiação EMI, um projeto de PCB deve ter quatro ou mais camadas. Uma placa de quatro camadas produzirá menos 15 dB de radiação do que uma placa de duas camadas. É importante colocar a camada de sinal perto do plano de potência. A utilização de um bom software para a conceção de PCB pode ajudar a escolher os materiais correctos e a efetuar cálculos de impedância.

Como soldar os componentes do chip

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Como soldar os componentes do chip

Soldadura manual

A soldadura manual envolve a aplicação de calor e pressão ao componente para formar uma ligação forte. Ao contrário das máquinas de soldadura por onda ou por refluxo, a soldadura manual é efectuada por um indivíduo com um ferro de soldar e uma estação de soldadura. A soldadura manual pode ser efectuada em componentes mais pequenos ou para reparação e retrabalho.

Para começar a soldar, segure a ponta do ferro de soldar no condutor ou no ponto de contacto do chip. De seguida, toque com a ponta do fio de solda no condutor. Depois, aqueça o fio e a solda até que a solda flua. Certifique-se de que a solda cobre todo o condutor ou ponto de contacto. Para evitar a formação de pedras tumulares, não mantenha o calor num dos lados do chip durante muito tempo. Caso contrário, a solda irá refluir para o lado oposto.

O processo de solda manual é geralmente a etapa final da montagem do protótipo. Ao usar uma ferramenta de solda da Thermaltronics, é possível finalizar detalhes finos em componentes de montagem de superfície e de passagem. Ao usar a solda manual, é melhor usar um ferro com temperatura controlada. O uso de um ferro sem controle de temperatura não produzirá juntas elétricas confiáveis.

Soldadura através de orifícios

A soldadura através de orifícios é um processo que consiste em montar um componente com fios de chumbo. Os fios de chumbo são inseridos nos orifícios utilizando um alicate, que é mantido contra o corpo do componente. É importante aplicar uma ligeira pressão sobre os fios à medida que são inseridos nos orifícios de passagem. Este processo assegura que os fios dos componentes das pastilhas não ficam demasiado esticados. O estiramento excessivo pode afetar a colocação de outros componentes na placa de circuito impresso. Além disso, pode afetar o aspeto de todo o processo de soldadura através de orifícios.

Antes de soldar, é importante limpar a superfície do componente do chip. Para limpar um componente de circuito integrado, pode utilizar uma almofada 3M Scotch-Brite ou lã de aço de qualidade superior. É importante utilizar o fluxo de soldadura correto, uma vez que o fluxo solúvel em água pode oxidar o PCB ou o componente do orifício de passagem.

Soldadura sem chumbo

A soldadura sem chumbo é um processo que utiliza solda sem chumbo e um ferro de soldar de maior potência. Para obter um desempenho ótimo, as temperaturas de soldadura devem ser suficientemente elevadas para transferir calor suficiente para o componente do chip. A temperatura necessária depende do volume do componente, da massa térmica e das tolerâncias da placa.

O primeiro passo para a soldadura sem chumbo é determinar se os componentes do chip são compatíveis com a solda sem chumbo. O processo não é isento de complicações. Alguns componentes de pastilhas são revestidos com uma liga de estanho e chumbo para poderem ser soldados. No entanto, este tipo de revestimento viola a legislação ambiental. Felizmente, alguns fabricantes de chips encontraram formas de utilizar solda sem chumbo com componentes de estanho-chumbo. Isto é conhecido como compatibilidade com versões anteriores.

Outra forma de tornar os componentes das pastilhas sem chumbo é utilizar chumbo-níquel. O níquel-chumbo é utilizado há anos com solda de estanho-chumbo. Outra opção é a solda Ni-Pd-Au. No entanto, o Ni-Pd-Au não é molhável da mesma forma que o estanho.

Fluxo em solda sem chumbo

O fluxo é um agente de pré-processamento utilizado durante o processo de soldadura. O fluxo promove ligações metalúrgicas entre os componentes das pastilhas, para que as juntas de soldadura não se partam ou flutuem em resposta ao stress. Também remove a oxidação das superfícies, o que facilita a molhagem, o processo de solda que flui sobre a superfície.

Os resíduos de fluxo podem provocar corrosão e crescimento dendrítico nos conjuntos de PCB. Depois de soldar os componentes das pastilhas, os resíduos devem ser limpos com um bom removedor de fluxo. Para obter melhores resultados, incline a placa durante a limpeza para que o excesso de solvente escorra da placa. Pode ser utilizado um toalhete que não largue pêlos ou uma escova de crina de cavalo para esfregar suavemente a placa.

O fluxo é um componente importante da solda sem chumbo. Limpa a superfície do metal para garantir uma boa ligação metalúrgica. Juntas de solda ruins podem levar a falhas dispendiosas de componentes. Felizmente, o fluxo é um agente químico de limpeza que pode ser aplicado antes da soldadura e durante o próprio processo.

Limpar o excesso de solda

Ao soldar componentes de chips, é frequentemente necessário limpar o excesso de solda. Mas pode ser difícil remover a solda que já foi aplicada. Uma vez aderida ao componente, a solda já terá sido aquecida duas ou três vezes. Cada reaquecimento altera a composição física do metal. Como resultado, a solda torna-se cada vez mais frágil. Para evitar isso, é melhor remover a solda antiga e substituí-la por uma nova.

Outra opção é usar uma trança de solda para remover o excesso de solda do componente do chip. Para isso, coloque uma trança de solda sobre o componente, segure o ferro de solda contra a trança e espere alguns segundos. Em seguida, retire a trança de solda.