Lidando com questões de design de PCB

O design adequado da placa de circuito impresso (PCB) é fundamental para a capacidade de produzir protótipos eletrônicos que sejam operacionais e comercialmente eficientes. Isso é particularmente verdadeiro para aplicativos incorporados. Os circuitos integrados variam em tamanho e tipo com base no microprocessador, componentes e sistema operacional, mas principalmente na complexidade do software, que pode variar de algumas centenas de bytes a vários megabytes de código.

A partir do diagrama de circuito desenvolvido, é possível realizar simulações e projetar o PCB exportando arquivos Gerber / drill. Não importa qual seja o projeto, os engenheiros precisam saber precisamente como os circuitos elétricos (e os componentes eletrônicos) devem ser organizados e como funcionarão. Para os EEs, encontrar as ferramentas de software certas para o projeto de PCBs pode ser uma tarefa difícil. Uma ferramenta de software ideal para um projeto de PCB pode ser menos adequada para outros. Os EEs desejam ferramentas de design de placa que sejam intuitivas, incluam funcionalidades úteis, sejam estáveis ​​o suficiente para limitar os riscos e tenham uma biblioteca robusta que as torne aplicáveis ​​a vários projetos.

Questões de hardware

Para projetos que visam a internet das coisas, em que a integração é fundamental para o desempenho e a confiabilidade, a integração de materiais condutores e não condutores em um PCB exige que os projetistas de IoT estudem as interações entre os vários aspectos elétricos e mecânicos do projeto. Em particular, o aquecimento elétrico em um PCB se torna um fator cada vez mais crítico à medida que o tamanho do componente continua a encolher. Ao mesmo tempo, os requisitos funcionais estão aumentando. Para obter um desempenho baseado no mérito conforme projetado, a resposta à temperatura, o comportamento dos componentes elétricos na placa e o gerenciamento térmico geral são essenciais para a funcionalidade e confiabilidade do sistema.

Um PCB deve ser isolado para garantir a proteção. Os curtos-circuitos são evitados protegendo os traços de cobre colocados na placa para criar o sistema eletrônico. FR-4 é preferido como um material de substrato em relação a alternativas de baixo custo, como papel aglomerado de resina sintética (SRBP, FR-1, FR-2) por causa de suas características físicas / mecânicas, especialmente sua capacidade de reter dados em altas frequências, sua alta resistência ao calor e sua capacidade de absorver menos água do que outros materiais. O FR-4 é amplamente utilizado para construção de ponta e para equipamentos industriais e militares. É compatível com isolamento ultra-alto (ultra-alto vácuo ou UHV).

Mas o FR-4 enfrenta uma série de limitações como substrato de PCB que resultam do processamento químico usado na produção. Em particular, o material é suscetível à formação de inclusões (bolhas de ar) e estrias (bolhas de ar longitudinais), bem como deformação do tecido de vidro. Essas imperfeições levam a inconsistências na rigidez dielétrica e prejudicam o desempenho do traço de PCB. Novos materiais de vidro epóxi resolvem esses problemas.

Outros materiais comumente usados ​​são polimida / fibra de vidro, que suporta temperaturas mais altas e é mais rígido, e KAPTON, que é flexível, leve e adequado para aplicações como telas e teclados. Fatores a serem considerados ao selecionar um material dielétrico (substrato) incluem o coeficiente de expansão térmica (CTE), temperatura de transição vítrea (Tg), condutividade térmica e rigidez mecânica.

PCBs militares / aeroespaciais requerem considerações especiais de design, com base nas especificações de layout e cobertura 100% design-for-test (DFT). O padrão MIL-STD-883 estabelece métodos e procedimentos para testar dispositivos microeletrônicos adequados para uso em sistemas militares e aeroespaciais, incluindo testes mecânicos e elétricos, procedimentos de fabricação e treinamento e outros controles, para garantir um nível uniforme de qualidade e confiabilidade em todo o várias aplicações para tais dispositivos.

O projeto de um dispositivo eletrônico para um sistema automotivo deve seguir uma série de regras, além de atender a vários padrões, como testes mecânicos e eletrônicos AEC-Q100 para circuitos integrados integrados. Os efeitos de cross-talk podem impedir a segurança do veículo. Para minimizar esses efeitos, os projetistas de PCB devem impor uma distância mínima entre o sinal e as linhas de alimentação. O projeto e a padronização são facilitados por ferramentas de software que destacam automaticamente os aspectos do projeto que precisam de modificações adicionais para atender aos limites de interferência e às condições de dissipação de calor, a fim de evitar o comprometimento da operação do sistema.

Figura 1:Altium Designer (Imagem:Altium)

A interferência do circuito em si não é a única ameaça à qualidade do sinal. Os PCBs dos carros são bombardeados com ruídos que interagem de maneiras complicadas com a carroceria, induzindo uma corrente indesejada nos circuitos. E os picos e flutuações na voltagem causados ​​pelo sistema de ignição do carro podem empurrar os componentes bem para fora de suas tolerâncias de usinagem.