Regras básicas de disposição e cablagem de componentes

Existem algumas regras básicas que devem ser seguidas ao projetar um layout. Estas incluem manter os planos de alimentação e de terra dentro da placa, evitar redes cruzadas e colocar os componentes mais críticos em primeiro lugar. Deve-se também tentar colocar os CIs e os processadores de grande porte dentro da placa. Se seguir estas regras, não deverá ter problemas em conceber e criar uma placa de circuitos.

Evitar cruzar as redes

Ao ligar componentes entre si, deve evitar o cruzamento de redes. Se existirem vias, certifique-se de que estão suficientemente afastadas para evitar o cruzamento de redes. Outra forma de evitar o cruzamento de redes é colocar o pino positivo de um CI à frente do pino negativo do outro CI. Desta forma, evita-se o cruzamento de redes na placa de circuito impresso.

Colocar grandes processadores e CIs dentro da placa

Microprocessadores, circuitos integrados e outros componentes electrónicos de grande dimensão são o coração da maioria dos circuitos. São omnipresentes e podem ser encontrados em quase todas as placas de circuitos. Podem ser dispositivos simples com apenas alguns transístores ou dispositivos complexos com milhões ou mesmo milhares de milhões de transístores. Existem muitos tipos de CIs disponíveis, incluindo microcontroladores de 8 bits, microprocessadores de 64 bits e pacotes avançados.

Evitar colocar vias nos planos de alimentação e de terra

A colocação de vias nos planos de alimentação e de terra cria espaços vazios, que podem criar pontos quentes no circuito. Por este motivo, é melhor manter as linhas de sinal afastadas destes planos. Uma regra geral é colocar as vias a 15 mils de distância. Além disso, ao colocar as linhas de sinal, certifique-se de que existem 1350 curvas por via.

Num sistema de distribuição de energia típico de uma placa de circuito impresso, os planos de alimentação e de terra estão localizados nas camadas exteriores. Estas camadas são caracterizadas pela sua baixa indutância e elevada capacitância. Em sistemas digitais de alta velocidade, pode ocorrer ruído de comutação. Para atenuar este problema, utilize almofadas de alívio térmico para fazer ligações eléctricas.

Evitar colocar vias nos traços

Ao ligar os componentes, é importante evitar colocar vias nos traços. As vias são orifícios perfurados na placa através dos quais passam fios de cobre finos que são soldados em ambos os lados. Idealmente, as vias devem ser colocadas a pelo menos um oitavo de comprimento de onda de distância dos traços. Esta prática diminuirá a temperatura de funcionamento do CI e tornará o projeto mais fiável.

As vias são muito úteis para mover sinais de uma camada para outra. Ao contrário dos traços que correm de camada para camada, também são fáceis de identificar se forem necessárias quaisquer alterações ao design. As vias são o "pau para toda a obra" de uma disposição de PCB, proporcionando conetividade eléctrica entre camadas. Além disso, servem como uma ferramenta eficaz na transferência de calor de um lado da placa para o outro.

As 3 principais causas e contramedidas da deficiência de pasta de solda no design de PCB

Existem várias causas e contramedidas para a deficiência de pasta de solda num desenho de PCB. Estas incluem juntas de solda frias, colocação incorrecta, demasiado calor durante a soldadura e fugas químicas. Aqui estão algumas das causas mais comuns e como resolvê-las.

Juntas de soldadura a frio

Para evitar a formação de juntas de soldadura a frio, os projectistas de placas de circuito impresso devem concebê-las de forma a que todos os componentes sejam colocados em orientações semelhantes e tenham boas pegadas de componentes. Isto ajuda a evitar problemas com desequilíbrios térmicos e assimetria nas juntas de soldadura. Além disso, é importante conceber as placas de circuito impresso de modo a que cada componente seja posicionado numa almofada em forma de D. É igualmente importante evitar a utilização de componentes altos, uma vez que estes criam zonas frias na conceção da placa de circuito impresso. Além disso, é mais provável que os componentes perto da extremidade da placa fiquem mais quentes do que os que se encontram no centro.

Uma junta de solda defeituosa pode ser o resultado de uma variedade de factores, incluindo a falta de fluxo ou uma junta mal ligada. Uma área de trabalho limpa é essencial para uma boa qualidade da junta de solda. Também é importante refazer o revestimento da ponta de solda para evitar a oxidação.

Fuga de produtos químicos

Se é um projetista de PCBs, poderá estar interessado em saber como evitar fugas de produtos químicos. Este problema é causado por bolas de solda, que aparecem como pequenas esferas de solda que aderem à superfície do laminado, resistência ou condutor de uma PCB. Devido ao calor gerado, a humidade junto aos orifícios de passagem de uma placa de circuito impresso pode transformar-se em vapor e extrudir a solda.

A ponte de solda é outro problema causado por uma deficiência de pasta de solda. Quando a solda não se consegue separar de um chumbo antes de solidificar, forma-se um curto-circuito. Embora os curtos-circuitos sejam muitas vezes invisíveis, podem causar estragos num componente. Vários factores podem causar este problema, incluindo o número de pinos numa placa de circuito impresso, a distância entre eles e a regulação do forno de refusão. Em alguns casos, uma mudança nos materiais também pode causar pontes de solda.

Demasiado calor durante a soldadura

A pasta de solda pode ser propensa a deformações quando atinge uma determinada temperatura durante a soldadura. Demasiado calor durante a soldadura pode resultar em esferificação da solda e deformações discretas. Demasiada pasta de solda pode também levar a demasiada libertação de gás de fluxo. Estes factores podem contribuir para a formação de esferas de solda e deformidades na conceção de PCB.

A pasta de solda nunca deve interagir com a humidade. A máscara de solda deve ser corretamente posicionada e o fundo do stencil deve ser limpo regularmente. Outro erro comum de conceção de PCB é conhecido como o efeito de lápide, ou "efeito Manhattan", causado por desequilíbrios de força durante a soldadura. O efeito assemelha-se à forma de uma lápide num cemitério. No entanto, representa uma conceção de PCB defeituosa com um circuito aberto.

Limpar corretamente o material após a perfuração

A deficiência de pasta de solda é o resultado de um material que foi incorretamente limpo após a perfuração. O fio de solda deve estar à temperatura correcta e, idealmente, deve estar completamente molhado com as almofadas e os pinos. Se a solda não for molhada adequadamente, pode levar à formação de uma ponte de solda ou outros defeitos. A quantidade certa de solda é necessária para molhar as almofadas e os pinos uniformemente. Se assim não for, pode formar-se uma camada de óxido de metal no objeto ligado. Isto pode ser resolvido limpando bem o material e utilizando o ferro de soldar correto.

Uma quantidade insuficiente de solda pode causar vários problemas na placa de circuito. Uma solda insuficiente pode causar um buraco de areia, uma linha quebrada, um "buraco de sopro" ou um "vazio na junta de solda". Uma pasta de solda insuficiente também pode levar à remoção do estanho dos componentes. É essencial evitar estes problemas seguindo o processo de conceção da placa de circuito impresso.

Medidas preventivas

A ponte de solda ocorre quando a solda entra num espaço que não deveria. A formação de pontes de solda pode ser evitada com a utilização de cabos de componentes maiores. Quando as almofadas são demasiado pequenas, a solda tem de molhar uma área maior e fluir um volume menor pelo cabo. Isto resulta em bolas de solda que se formam e causam curto-circuitos. É importante colocar as almofadas em posições óptimas e utilizar pasta de solda adequada no processo de soldadura.

A falta de pasta de solda na placa também pode fazer com que os cabos dos componentes fiquem mais quentes do que as almofadas, porque os cabos dos componentes têm menos massa térmica e um maior fluxo de ar à sua volta. Aumentar o tempo de imersão da pasta de solda evitará esse problema e igualará as temperaturas em todo o conjunto. Também reduz a tendência de a solda fluir para superfícies mais quentes. Outro método de prevenção é otimizar o design do stencil para minimizar a quantidade de pasta de solda nas áreas problemáticas. Além de usar um estêncil, garantir que os componentes não sejam danificados antes da colocação pode ajudar a reduzir a pasta de solda em áreas problemáticas. O equilíbrio do cobre também pode ser utilizado para uniformizar o aquecimento e o arrefecimento da placa de circuito impresso.

Como fazer a proteção ESD durante a montagem SMT

Os danos electrostáticos são uma das principais causas de avaria dos dispositivos. É responsável por causar falhas directas em cerca de 10% dos dispositivos electrónicos. Pode causar problemas em todo o processo de montagem SMT. Felizmente, existem formas de se proteger contra este problema.

Material de proteção contra a estática

É imperativo proteger os componentes electrónicos das descargas electrostáticas (ESD), que podem provocar danos e falhas. A eletricidade estática pode ser gerada em qualquer altura ou lugar, e é frequentemente causada por fricção. É importante proteger os dispositivos electrónicos durante o processo de montagem SMT, para que possam manter um ótimo desempenho e fiabilidade. O material de proteção contra a eletricidade estática deve ser utilizado desde o início do processo de montagem e deve continuar a ser utilizado após a sua conclusão.

A humidade relativa do ambiente de fabrico também desempenha um papel vital na geração de ESD, pelo que a humidade relativa da fábrica deve ser cuidadosamente controlada. Se a HR não for mantida corretamente, pode resultar em níveis muito elevados de ESD. Recomenda-se também que os materiais com elevados níveis de eletricidade estática sejam mantidos afastados da linha de montagem. Para proteger a sua eletrónica contra ESD, deve utilizar material de proteção contra a eletricidade estática durante o processo de montagem.

Componentes de supressão de ESD

Para evitar danos causados por ESD durante o processo de montagem SMT, os componentes devem ser armazenados e transportados em sacos à prova de ESD. Recomenda-se vivamente a utilização de montadores profissionais para este tipo de trabalho.

Para evitar a eletricidade estática, os trabalhadores da montagem devem usar vestuário anti-estático. Devem também evitar tocar nos componentes com objectos afiados. O vestuário anti-estático pode também funcionar como um circuito de ligação à terra para dispositivos electrónicos. Para além de usar vestuário condutor, o pessoal de montagem deve usar um fato e calçado de proteção para reduzir o risco de eletricidade estática. É também importante reduzir ao mínimo a utilização de materiais isolantes.

A eletricidade estática pode ocorrer devido a componentes metálicos, que conduzem uma carga eletrostática. Também pode ser causada por indução ou estática corporal. Os efeitos podem ser nocivos, especialmente para os componentes electrónicos.

Espuma de proteção contra a estática

As descargas electrostáticas (ESD) podem causar danos dispendiosos nos componentes electrónicos. Embora existam formas de o evitar, não é possível proteger todos os dispositivos dos efeitos da ESD. Felizmente, existem espumas anti-estáticas, também conhecidas como espumas de descarga eletrostática, para proteger componentes sensíveis.

Para minimizar os riscos associados à ESD, utilize embalagens de proteção para os componentes electrónicos. Certifique-se de que a embalagem é feita com uma resistividade de superfície e de volume adequada. Deve também resistir aos efeitos de carga triboeléctrica resultantes do movimento durante o transporte. Normalmente, os componentes sensíveis à eletrostática são fornecidos em espuma condutora preta ou num saco anti-estático. Os sacos anti-estáticos contêm plástico parcialmente condutor que actua como uma gaiola de Faraday.

A eletricidade estática é um problema comum durante o processo de montagem SMT. É um subproduto da fricção e pode provocar a falha de componentes. O movimento humano gera eletricidade estática que pode variar entre algumas centenas de volts e vários milhares de volts. Estes danos podem afetar os componentes electrónicos resultantes da montagem SMT e podem resultar em falhas prematuras.

Sacos ESD

Quando se trabalha com eletrónica, é importante utilizar embalagens de proteção ESD para transportar e armazenar artigos susceptíveis. A proteção ESD pode ajudar a minimizar o risco de choques eléctricos e queimaduras, ao mesmo tempo que proporciona proteção no transporte e armazenamento. Uma embalagem de proteção também pode proteger as peças e os componentes quando não estão a ser utilizados, por exemplo, quando são transportados de e para a fábrica.

Ao manusear uma placa de circuito impresso, é importante seguir as instruções do fabricante e seguir as suas directrizes. Isto é essencial porque um mau plano de proteção ESD pode resultar em danos nos componentes electrónicos. Se não tiver a certeza de como manusear corretamente os componentes durante o processo de montagem, consulte um profissional.

Combinação de ambos

Para evitar a eletricidade estática durante a montagem SMT, é essencial ligar a eletrónica à terra. A ligação à terra pode ser de dois tipos: ligação à terra suave e ligação à terra forte. A ligação à terra suave significa ligar os dispositivos electrónicos a uma terra de baixa impedância, enquanto a ligação à terra dura significa ligar os componentes electrónicos a uma terra de alta impedância. Ambos os tipos de ligação à terra podem evitar a eletricidade estática e proteger os componentes electrónicos contra danos.

A ESD é uma das principais fontes de danos na indústria eletrónica. A ESD provoca a degradação do desempenho e até a falha de componentes. Estima-se que 8% a 33% de todas as falhas electrónicas são causadas por ESD. O controlo deste tipo de danos pode melhorar a eficiência, a qualidade e os lucros.

Analisar o papel do design da pilha em camadas na supressão de EMI

A conceção de pilhas de camadas é o processo de utilização de uma PCB com muitas camadas para melhorar a integridade do sinal e reduzir a EMI. Uma placa de 6 camadas de alto desempenho para fins gerais, por exemplo, coloca a primeira e a sexta camadas como camadas de terra e de alimentação. Entre estas duas camadas encontra-se uma camada de linha de sinal de microfita dupla centrada que proporciona uma excelente supressão de EMI. No entanto, esta conceção tem as suas desvantagens, incluindo o facto de a camada de traço ter apenas duas camadas de espessura. A placa convencional de seis camadas tem traços exteriores curtos que podem reduzir a EMI.

Ferramenta de análise de impedância

Se procura uma ferramenta de conceção de PCB para minimizar a suscetibilidade da sua PCB a EMI, veio ao sítio certo. O software de análise de impedância ajuda-o a determinar os materiais correctos para a sua placa de circuito impresso e a determinar qual a configuração mais suscetível de suprimir a EMI. Estas ferramentas também lhe permitem conceber a pilha de camadas da sua placa de circuito impresso de forma a minimizar os efeitos da EMI.

No que diz respeito à conceção de pilhas de camadas de PCB, a EMI é frequentemente uma grande preocupação para muitos fabricantes. Para reduzir este problema, pode utilizar um design de pilha de camadas PCB com uma separação de três a seis milímetros entre camadas adjacentes. Esta técnica de conceção pode ajudá-lo a minimizar a EMI de modo comum.

Disposição das camadas planas e de sinal

Ao conceber uma placa de circuito impresso, é fundamental ter em conta a disposição das camadas planas e de sinal. Isto pode ajudar a minimizar o efeito da EMI. Geralmente, as camadas de sinal devem estar localizadas adjacentes aos planos de alimentação e de terra. Isto permite uma melhor gestão térmica. Os condutores da camada de sinal podem dissipar o calor através de arrefecimento ativo ou passivo. Do mesmo modo, vários planos e camadas ajudam a suprimir a EMI, minimizando o número de caminhos directos entre as camadas de sinal e os planos de alimentação e de terra.

Um dos projectos mais populares de empilhamento de camadas de PCB é o empilhamento de seis camadas de PCB. Este design fornece blindagem para traços de baixa velocidade e é ideal para roteamento de sinais ortogonais ou de banda dupla. Idealmente, os sinais analógicos ou digitais de alta velocidade devem ser encaminhados para as camadas exteriores.

Correspondência de impedância

A conceção de pilhas de camadas de PCB pode ser uma ferramenta valiosa na supressão de EMI. A estrutura em camadas oferece uma boa contenção de campo e um conjunto de planos. A estrutura em camadas permite ligações directas de baixa impedância ao GND, eliminando a necessidade de vias. Permite também um maior número de camadas.

Um dos aspectos mais críticos da conceção de PCB é a correspondência de impedâncias. A correspondência de impedância permite que os traços da placa de circuito impresso correspondam ao material do substrato, mantendo assim a intensidade do sinal dentro do intervalo necessário. A integridade do sinal é cada vez mais importante à medida que as velocidades de comutação aumentam. Esta é uma das razões pelas quais as placas de circuito impresso já não podem ser tratadas como ligações ponto-a-ponto. Uma vez que os sinais se movem ao longo dos traços, a impedância pode mudar significativamente, reflectindo o sinal de volta à sua fonte.

Ao projetar pilhas de PCB em camadas, é importante considerar a indutância da fonte de alimentação. A elevada resistência do cobre na fonte de alimentação aumenta a probabilidade de EMI de modo diferencial. Ao minimizar este problema, é possível conceber circuitos com menos linhas de sinal e comprimentos de traço mais curtos.

Encaminhamento de impedância controlada

Na conceção de circuitos electrónicos, o encaminhamento controlado da impedância é uma consideração importante. O encaminhamento controlado da impedância pode ser conseguido através da utilização de uma estratégia de empilhamento em camadas. Numa conceção de empilhamento em camadas, é utilizado um único plano de potência para transportar a corrente de alimentação em vez de vários planos de potência. Este projeto tem várias vantagens. Uma delas é que pode ajudar a evitar EMI.

O encaminhamento de impedância controlada é um elemento de design importante para suprimir a EMI. A utilização de planos separados por três a seis mils pode ajudar a conter campos magnéticos e eléctricos. Além disso, este tipo de design pode ajudar a reduzir a EMI de modo comum.

Proteção de vestígios sensíveis

A conceção de pilhas em camadas é um elemento crítico na supressão de EMI. Um bom empilhamento de placas pode conseguir uma boa contenção de campos e fornecer um bom conjunto de planos. No entanto, deve ser concebido cuidadosamente para evitar problemas de CEM.

Geralmente, um plano separado de 3 a 6 milímetros pode suprimir harmónicas de alta qualidade, baixos transientes e EMI de modo comum. No entanto, esta abordagem não é adequada para suprimir a EMI causada por ruídos de baixa frequência. Um empilhamento com espaçamento de três a seis milímetros só pode suprimir a EMI se o espaçamento do plano for igual ou superior à largura do traço.

A conceção de uma placa de seis camadas para fins gerais de elevado desempenho coloca a primeira e a sexta camadas como base. A terceira e a quarta camadas são responsáveis pela alimentação eléctrica. No meio, é colocada uma camada de linha de sinal de microfita dupla centrada. Esta conceção proporciona uma excelente supressão de EMI. No entanto, a desvantagem desta conceção é o facto de a camada de traço ter apenas duas camadas de espessura. Por conseguinte, é preferível a placa convencional de seis camadas.

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.