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Placas de circuito impresso

As placas de circuito impresso estão no centro de todos os equipamentos eletrônicos. São estruturas rígidas ou flexíveis que fornecem base para montagem e interconexão de componentes eletrônicos. Os PCBs normalmente têm superfícies metálicas incorporadas conhecidas como traços e almofadas e áreas metálicas maiores conhecidas como planos. Os componentes eletrônicos montados em PCBs são soldados em almofadas metálicas especialmente projetadas para esse fim, enquanto traços metálicos os interligam. Os PCBs podem ter uma, duas ou múltiplas camadas de circuitos.

As placas de circuito normalmente contêm um material de núcleo dielétrico com boas propriedades isolantes para garantir a transmissão de sinal pretendida. Placas multicamadas possuem camadas extras de metal e dielétrico interespaçadas. Embora o material dielétrico padrão das placas rígidas seja feito de FR4, um composto resistente a chamas de resina epóxi e tecido de fibra de vidro, o material dielétrico das placas flexíveis é normalmente a poliimida. Tanto as placas rígidas quanto as flexíveis possuem traços de metal, almofadas e planos para o circuito feitos de cobre.

Confiabilidade e Qualidade

Dependendo da aplicação, uma PCB pode pertencer a uma determinada classe que define sua confiabilidade e qualidade. Normalmente existem três classes de placas de acordo com os padrões IPC:

Classe 1: 

Essas placas pertencem a produtos eletrônicos de consumo com confiabilidade e qualidade razoáveis. Exemplos de tais eletrônicos 

Classe 2: 

Essas placas pertencem a dispositivos que devem ter alta confiabilidade e baixos índices de falhas. Exemplos de tais produtos eletrônicos são laptops, micro-ondas e equipamentos de mineração.

Classe 3: 

Essas placas pertencem a dispositivos que devem ser extremamente confiáveis ​​e de altíssima qualidade. Eles representam os padrões de fabricação mais exigentes. Exemplos de tais aplicações eletrônicas estão em equipamentos aeroespaciais, militares e médicos.

Tipos de PCBA

Conforme mencionado acima, é possível categorizar as placas em dois tipos: rígidas e flexíveis.

Placas Rígidas

Para a grande maioria dos usuários, é costume usar placas rígidas. Um substrato rígido formado por alto calor e um processo de laminação pressurizada contém o layout da placa. O material mais comum para tais placas é o FR-4, mas dependendo da aplicação e das necessidades específicas do projeto, é possível modificar, enfatizar ou melhorar certas características do material.

Placas Flexíveis

Menos comum que placas rígidas, placas flexíveis são normalmente feitos de material que permite maior deflexão. A poliimida é um material comum para essas placas, cuja natureza flexível permite espessuras de placa muito menores do que as placas rígidas padrão.

Processo de design de PCB

Antes de ser possível fabricar uma placa de circuito impresso é necessário projetá-la. Os designers normalmente usam ferramentas CAD PCB Design para isso, e fazem isso em duas etapas: captura esquemática e layout de PCB. Durante a captura esquemática, eles criam a conectividade do circuito em um diagrama. Durante Layout da placa de circuito impresso, eles projetam o layout físico da placa de circuito.

Captura Esquemática

Antes de iniciar a captura esquemática, o projetista deve garantir que possui as peças da biblioteca necessárias em seu software CAD. Geralmente incluem símbolos esquemáticos ou lógicos, pegadas para layout, modelos de simulação e modelos de etapas para exibição de PCB 3D. Depois de terem essas bibliotecas prontas, o próximo passo do projetista é criar uma representação lógica do circuito em um esquema. A ferramenta CAD permite ao designer colocar os símbolos necessários em uma folha esquemática. Eles podem então interconectá-los para formar os circuitos necessários.

Para começar, o projetista cria símbolos lógicos para peças eletrônicas como resistores, capacitores, indutores, conectores, transistores e circuitos integrados. Felizmente, a maioria das ferramentas modernas de software CAD já vem equipada com bibliotecas prontas para tais símbolos lógicos e pegadas.

O designer então organiza esses símbolos em folhas esquemáticas na ferramenta CAD. Depois de posicioná-los aproximadamente, o projetista conecta os pinos dos símbolos esquemáticos com linhas de conectividade que representam fios. Essas linhas formam as redes, representando redes individuais ou grupos de redes para os circuitos eletrônicos. Durante este processo, tecnicamente conhecido como captura esquemática, o projetista deve realocar as peças conforme necessário para criar um esquema claro e legível.

Simulação de Circuito

Nesta fase, o projetista pode executar uma simulação de circuito para verificar se o projeto funciona eletricamente. Eles podem usar ferramentas de simulação de circuitos para testar o funcionamento dos circuitos que estão projetando antes de começarem a construir o hardware real. Este é um passo importante, pois ajuda os designers a economizar tempo e dinheiro.

Uma vez concluída esta etapa de forma satisfatória, o projetista pode criar os dados de conectividade usando a ferramenta esquemática e transferi-los para a ferramenta de layout.

Configurando regras de design

Antes de passar para a próxima etapa, os designers devem configurar seu software para atender a diferentes capacidades. Estas são regras e restrições de projeto diferentes que impedirão a sobreposição de duas redes, mantendo uma distância especificada entre diferentes objetos de projeto. O software PCB CAD permite que os designers configurem vários recursos adicionais, como grades de design. Essas ajudas ajudam os projetistas a posicionar os componentes de maneira adequada e a traçar traços limpos e ordenados.

Colocando Componentes

Depois que o projetista tiver configurado o banco de dados de projeto corretamente, ele poderá importar as informações de conectividade de rede do esquema. Com essas informações, os projetistas podem iniciar a tarefa de organizar fisicamente a placa de circuito. Para isso, devem começar pelo contorno da placa no sistema CAD. Este contorno contém informações não apenas sobre a periferia externa da placa, mas também exibe os furos internos, recortes e outras restrições na placa.

A conectividade de rede importada também traz outra informação importante: a pegada de cada um dos componentes do circuito. O projetista deve verificar cuidadosamente a exatidão das informações da pegada importada, pois mesmo um pequeno erro pode levar muito tempo para ser corrigido.

Inicialmente, as pegadas aparecerão como um padrão confuso. O projetista deve desembaraçá-los manualmente e posicionar cada pegada separadamente dentro do contorno do tabuleiro. Como alternativa, eles podem usar o recurso de posicionamento automático do software CAD, pois isso posicionará de maneira ideal cada componente dentro do contorno. Neste momento, as redes interligadas aparecem como elásticos exibidos como linhas tênues, conhecidas como ninhos de ratos.

O projetista deve agora exercitar seu conhecimento técnico para posicionar as pegadas dos componentes da melhor maneira possível. O posicionamento deve oferecer o melhor desempenho, ao mesmo tempo que oferece a conectividade mais curta possível, a menor quantidade de diafonias e interferências e a distribuição adequada de calor. O projetista também deve procurar o posicionamento ideal para conectores, cabos e outros acessórios de montagem.

Este estágio também é o melhor para o projetista considerar o DFA ou Design for Assembly – posicionando os componentes de forma que o fabricante possa montá-los facilmente. Isto pode envolver o posicionamento de todos os componentes bipolares na mesma direção ou em ângulos retos, todos os circuitos integrados com seus pinos de identificação no mesmo quadrante, deixando espaço para os dedos em torno dos componentes montados manualmente e assim por diante.

Colocando Componentes

Depois que o projetista tiver configurado o banco de dados de projeto corretamente, ele poderá importar as informações de conectividade de rede do esquema. Com essas informações, os projetistas podem iniciar a tarefa de organizar fisicamente a placa de circuito. Para isso, devem começar pelo contorno da placa no sistema CAD. Este contorno contém informações não apenas sobre a periferia externa da placa, mas também exibe os furos internos, recortes e outras restrições na placa.

A conectividade de rede importada também traz outra informação importante: a pegada de cada um dos componentes do circuito. O projetista deve verificar cuidadosamente a exatidão das informações da pegada importada, pois mesmo um pequeno erro pode levar muito tempo para ser corrigido.

Inicialmente, as pegadas aparecerão como um padrão confuso. O projetista deve desembaraçá-los manualmente e posicionar cada pegada separadamente dentro do contorno do tabuleiro. Como alternativa, eles podem usar o recurso de posicionamento automático do software CAD, pois isso posicionará de maneira ideal cada componente dentro do contorno. Neste momento, as redes interligadas aparecem como elásticos exibidos como linhas tênues, conhecidas como ninhos de ratos.

O projetista deve agora exercitar seu conhecimento técnico para posicionar as pegadas dos componentes da melhor maneira possível. O posicionamento deve oferecer o melhor desempenho, ao mesmo tempo que oferece a conectividade mais curta possível, a menor quantidade de diafonias e interferências e a distribuição adequada de calor. O projetista também deve procurar o posicionamento ideal para conectores, cabos e outros acessórios de montagem.

Este estágio também é o melhor para o projetista considerar o DFA ou Design for Assembly – posicionando os componentes de forma que o fabricante possa montá-los facilmente. Isto pode envolver o posicionamento de todos os componentes bipolares na mesma direção ou em ângulos retos, todos os circuitos integrados com seus pinos de identificação no mesmo quadrante, deixando espaço para os dedos em torno dos componentes montados manualmente e assim por diante.

Roteando o PCB

Depois de posicionar os componentes de forma satisfatória, o projetista pode iniciar a próxima etapa de roteamento da placa. O projetista deve converter o ninho de ratos formado por conexões elásticas em traços e planos. As ferramentas CAD normalmente possuem muitos recursos que permitem ao projetista fazer isso manualmente, automaticamente ou semiautomaticamente. Isso pode economizar uma quantidade substancial de tempo para o designer.

O designer deve ter cuidado ao rotear os rastreamentos. Algumas boas práticas envolvem não permitir que os traços se dobrem em ângulos agudos, evitar transições repentinas na largura, permitir a redução gradual do traço ao bloco, manter um intervalo adequado entre os traços que transportam sinais ruidosos e assim por diante.

Sinais de alta velocidade e alta frequência podem precisar de cuidados adicionais para manter a integridade do sinal. Isto pode envolver a criação de estruturas de linhas de transmissão adequadas para os traços que transportam esses sinais.

Caminho de retorno

Normalmente, cada componente ativo tem duas conexões essenciais – conexão à alimentação e às redes de aterramento – além dos sinais de controle e IO. A maioria dos projetistas usa áreas inundadas e camadas com planos sólidos ao redor desses componentes, permitindo que eles se conectem a eles e formem um caminho de retorno. No entanto, isso pode nem sempre ser suficiente se a placa tiver muitas fendas, recortes ou furos. Um caminho de retorno inadequado pode aumentar a quantidade de ruído e degradar o desempenho da PCB.

Verificação de regras de design

Embora a maioria das ferramentas CAD ofereça verificações de regras de projeto on-line, não há mal nenhum em executar uma verificação final das regras. A verificação de projeto online sinalizará automaticamente quaisquer erros de projeto, como violação de restrições de espaço, violação de concentricidade e assim por diante, permitindo que o projetista faça correções. A execução de uma verificação final das regras não apenas fundamenta as descobertas, mas também permite ao designer reparar quaisquer regras que possam ter perdido inadvertidamente.

Informações sobre serigrafia

O designer deve agora configurar os diversos textos e informações de marcação que o quadro carregará. O fabricante irá serigrafar essas informações nas camadas externas da placa. As informações permitem aos usuários localizar componentes específicos, encontrar o número do lote da placa, identificar informações de direitos autorais, a identidade do fabricante e assim por diante.

Arte Final

Depois de concluir todas as etapas acima de forma satisfatória, o projetista finalmente consegue gerar a arte final do projeto da PCB para enviar ao fabricante para fabricação da placa. A prática usual é gerar a arte final em formatos padrão como Gerber.

Conclusão

De acordo com a PCB Trace Technologies Inc., os processos de projeto, fabricação e montagem de PCB são bastante exigentes e exatos. Para construir a placa de acordo com suas especificações, de modo que ela forneça o desempenho pretendido, é necessário fornecer dados de projeto precisos ao fabricante na forma de uma arte final precisa.

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