Considerações de layout de PCB

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• Etapas básicas de projeto de PCB
• Documentação do projeto
• Considerações sobre layout e design de PCB
• A importância de testar
• Resolvendo problemas de layout de PCB com CAD
• Escolhendo um fornecedor de PCB

Projetar o layout de sua placa de circuito impresso é crucial para criar uma placa confiável e econômica. Embora o projeto do circuito e a seleção de componentes também sejam essenciais, você deve sempre deixar tempo suficiente para o layout da PCB. Muito é necessário para determinar o design ideal do layout da PCB, especialmente porque as placas de hoje estão se tornando mais complexas, compactas e leves. A crescente popularidade de PCBs flexíveis também complica o processo.

Se você não levar em consideração importantes considerações de layout de PCB, poderá acabar com um design que não se traduz bem no mundo real. Um layout inadequado pode resultar em vários problemas, como interferência eletromagnética, conflitos de componentes em ambos os lados da placa, funcionalidade limitada da placa e até mesmo falha total da placa. Além disso, se você não acertar o layout da primeira vez, precisará retrabalhá-lo, o que pode causar atrasos na fabricação e custos adicionais.

Então, quais são as regras e considerações de design de layout de PCB que você precisa ter em mente? Vejamos as etapas do design do layout da PCB e identifiquemos algumas das principais considerações para cada fase. Claro, existem outras considerações que você pode querer ter em mente também, mas esses são alguns dos aspectos mais críticos do design de layout de PCB que você deve estar ciente.

Etapas básicas de projeto de PCB

O design da placa de circuito impresso desempenha um papel em cada etapa do processo de produção da placa de circuito impresso, desde o momento em que você sabe que precisa de uma placa de circuito impresso até a produção final. O processo básico de design inclui seis etapas.

1. Conceito

Após identificar a necessidade de um PCB, o próximo passo é determinar o conceito final da placa. Esta fase inicial envolve a definição das funções que a PCB terá e desempenhará, suas características, sua interligação com outros circuitos, sua colocação no produto final e suas dimensões aproximadas. Além disso, considere a faixa de temperatura aproximada na qual a placa irá operar e quaisquer outras preocupações ambientais.

2. Esquema

A próxima fase é desenhar o esquema do circuito com base no conceito final. Este diagrama inclui todas as informações necessárias para que os componentes elétricos da placa funcionem adequadamente, bem como detalhes como nomes de componentes, valor, classificação e números de peça do fabricante.

Enquanto você está criando seu esquema, você estará criando sua lista de materiais. Este BOM contém informações sobre todos os componentes necessários para sua PCB. Mantenha sempre esses dois documentos atualizados.

3. Diagrama de blocos em nível de placa

Em seguida, você concluirá um diagrama de blocos no nível da placa, um desenho descrevendo as dimensões finais do PCB. Marque as áreas designadas para cada bloco, seções de componentes que estão conectados por motivos elétricos ou por restrições. Manter os componentes relacionados juntos permitirá que você mantenha seus rastreamentos curtos.

4. Colocação de componentes

O próximo passo é o posicionamento dos componentes, que determina onde você colocará cada elemento no quadro. Muitas vezes, você pode passar por várias rodadas de refinamento de posicionamento de componentes.

5. Roteamento de primeira passagem

Em seguida, determine o roteamento e a prioridade de roteamento para o circuito.

6. Teste

Depois de concluir o projeto, você deve realizar uma série de testes para garantir que ele atenda a todas as suas necessidades. Se isso acontecer, o projeto está completo. Caso contrário, você voltará às fases em que precisa fazer ajustes.

Documentação do projeto

À medida que você cria seu PCB, você desenvolve vários documentos. Esses documentos incluem:

• Os desenhos dimensionais de hardware: Descreve o tamanho da placa nua
• O esquema: Mapeia os recursos elétricos da placa
• A lista de materiais: Descreve os componentes necessários para o projeto
• O arquivo de layout: Descreve o layout básico do PCB
• O arquivo de posicionamento do componente: Descreve a localização dos componentes individuais.
• Os desenhos e instruções de montagem: Explica como montar o quadro
• Os Guias do usuário: Embora não sejam obrigatórios, eles são úteis para fornecer informações adicionais ao usuário
• O conjunto de arquivos Gerber: A coleção de arquivos de saída do layout que o fabricante da PCB usará para criar a PCB

Considerações de design de layout de PCB

Há muito a considerar em relação ao layout e design da PCB. Algumas considerações se aplicam a todo o processo, enquanto outras são específicas para etapas específicas. Aqui estão sete fatores relevantes para manter em mente.

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1. Restrições da placa

As primeiras restrições que você deve observar são aquelas associadas à placa nua. Algumas dessas restrições básicas incluem o tamanho e a forma do tabuleiro.

Você precisará garantir que tenha uma área de placa adequada para o circuito. O tamanho do produto final, a funcionalidade que a placa deve fornecer e outros fatores determinam o tamanho da placa. Os produtos eletrônicos e as placas de circuito que eles incorporam estão se tornando cada vez menores. Antes de iniciar o processo de design, estime o tamanho da placa. Se você não tiver espaço suficiente para todas as funcionalidades necessárias com um design mais direto, talvez seja necessário usar um design de multicamadas ou de interconexão de alta densidade (HDI).

O PCB padrão é retangular. Esta continua a ser, predominantemente, a forma mais comum para PCBs. É possível criar placas de outras formas, no entanto. Os projetistas de PCB costumam fazer isso devido a restrições de tamanho ou uso em produtos de formato irregular.



Outra consideração crítica é o número de camadas que você precisará, quais níveis de potência e complexidade do projeto ajudarão a decidir. É melhor descobrir quantos você precisa no início do processo de design de layout. Adicionar mais camadas pode aumentar os custos de produção, mas permite incluir mais faixas. Isso pode ser necessário para placas mais complexas com funcionalidade avançada.

Use pelo menos duas vias para fazer transições de camada para todos os caminhos de alta corrente. O uso de várias vias nas transições de camada aumenta a confiabilidade, melhora a condutividade térmica e reduz as perdas indutivas e resistivas.

2. Processos de fabricação

Você também deve considerar os processos de fabricação que gostaria de empregar para produzir a placa. Diferentes métodos têm diferentes limitações e restrições. Você precisará usar furos ou pontos de referência que funcionem com o processo de fabricação na placa. Certifique-se sempre de que os orifícios estejam livres de componentes.

Além disso, lembre-se do método de montagem da placa. Diferentes abordagens podem exigir que você deixe diferentes áreas do quadro abertas. O uso de vários tipos de tecnologia, como componentes de montagem em superfície e furos passantes, pode aumentar o custo de suas placas, mas pode ser necessário em alguns casos.

Sempre verifique com seu fabricante se ele tem a capacidade de produzir o tipo de placa que você precisa. Alguns podem não, por exemplo, fabricar placas com muitas camadas – ou aquelas que usam um design flexível.

3. Materiais e componentes

Considere durante a fase de layout os materiais e componentes que você planeja usar para sua placa. Primeiro, você precisa garantir que os itens desejados estejam acessíveis. Alguns materiais e peças são difíceis de encontrar, enquanto outros são tão caros que são proibitivos. Diferentes componentes e materiais também podem vir com diferentes necessidades de design.

Reserve um tempo para garantir que você escolheu os materiais e componentes ideais para o seu tabuleiro e também que você projetou um tabuleiro que atende aos pontos fortes desses itens.

4. Pedido de colocação de componentes

Uma das diretrizes de projeto de PCB mais fundamentais envolve a ordem em que você coloca os componentes na placa. A ordem recomendada são os conectores, depois os circuitos de potência, depois os circuitos de precisão, depois os circuitos críticos e depois o resto dos elementos. Níveis de potência, suscetibilidade a ruídos, capacidade de geração e roteamento também influenciam a prioridade de roteamento de um circuito.

5. Orientação

Ao colocar componentes, tente orientar aqueles que são semelhantes entre si na mesma direção. Isso tornará o processo de soldagem mais eficiente e ajudará a evitar erros durante o processo.

6. Canal

Tente não colocar peças no lado da solda da placa de circuito impresso que ficarão atrás das peças com furos passantes.

7. Organização

A organização lógica de seus componentes pode reduzir o número de etapas de montagem necessárias, aumentando a eficiência e reduzindo os custos. Procure colocar todos os seus componentes de montagem em superfície em um lado da placa e todos os seus componentes de passagem no lado superior.

Considerações sobre energia, aterramento e rastreamento de sinal

As dicas acima focaram na colocação de componentes de PCB. Para que esses componentes funcionem como desejado, você também precisa rotear os traços de energia, terra e sinal. Concluir esta etapa com eficiência ajudará a garantir que seus sinais tenham um caminho confiável para percorrer para manter sua placa funcionando corretamente. Aqui estão cinco fatores para manter em mente.

1. Planos de energia e terrestres

Uma regra fundamental de design de layout de PCB é manter seus planos de energia e terra internamente dentro de sua placa. Eles também devem ser centralizados e simétricos para evitar arqueamento e torção da prancha. A curvatura pode fazer com que os componentes saiam da posição e potencialmente danifiquem a placa. Outras recomendações incluem o uso de trilhos comuns para cada suprimento, garantindo que você tenha rastreamentos confiáveis ​​e extensos e evitando a criação de cadeias para conectar os componentes.

A alta tensão nos circuitos de energia pode interferir nos circuitos de controle de baixa tensão e corrente. Você pode usar o posicionamento do aterramento de energia e do aterramento de controle para ajudar a minimizar essa interferência. Tente manter seus motivos para cada estágio da fonte de alimentação separados. Se você precisar colocar alguns juntos, certifique-se de que eles estejam no final do seu caminho de suprimento. Se o plano de aterramento estiver na camada intermediária da placa, inclua um pequeno caminho de impedância para evitar interferência no circuito de alimentação.

Você também deve manter seus aterramentos digitais e analógicos separados de maneira semelhante. Tente apenas fazer com que as linhas analógicas cruzem seu terra analógico para reduzir o acoplamento capacitivo.

2. Projeto da trilha

Esta etapa também envolve a conexão de traços de sinal de acordo com seu esquema. Você sempre quer que seus traços sejam tão curtos e diretos quanto possível. Se você tiver roteamento de rastreamento horizontal em um lado do PCB, coloque rastreamentos verticais no outro lado.



Sua placa pode exigir várias redes com diferentes correntes, o que determinará a largura da rede que você precisa. O uso de uma calculadora de largura de traço pode ajudar nessa etapa. Trilhos finos só podem transportar tanta corrente. Faixas com 0,010″ polegadas ou 10 mils de espessura podem receber apenas uma corrente de cerca de um amp, enquanto uma faixa com 250 mils de espessura pode transportar até 15 amperes com um aumento de temperatura de 30 graus Celsius.

3. Dimensão da almofada e do furo

Você também precisará determinar as dimensões da almofada e do furo no início do processo de design da PCB. À medida que o tamanho das almofadas e orifícios diminui, obter a proporção correta de tamanho da almofada para o orifício torna-se mais crucial. É especialmente crítico ao trabalhar com orifícios de passagem. O fabricante da placa de circuito impresso pode fornecer diretrizes sobre os padrões e a proporção de tela que eles exigem.

Outra consideração importante é a forma das almofadas de PCB. As pegadas de PCB podem variar de acordo com o processo de fabricação. A soldagem por onda normalmente requer dimensões maiores do que a soldagem por refluxo infravermelho, por exemplo.

4. Integridade do sinal e problemas de RF

O design do layout da placa de circuito impresso desempenha um papel crucial na garantia da integridade do sinal e na prevenção de problemas elétricos, como interferência, geralmente chamada de interferência de radiofrequência ou interferência eletromagnética.

Evitar esses problemas tem muito a ver com como você roteia seus rastreamentos. Para evitar problemas de sinal, evite correr em pistas paralelas umas às outras. Faixas paralelas terão mais crosstalk, o que pode causar vários problemas que são difíceis de corrigir depois de construir o PCB. Se as faixas precisarem se cruzar, certifique-se de que o façam em ângulos retos. Isso reduzirá a capacitância e a indutância mútua entre as linhas, diminuindo a diafonia.

O uso de componentes semicondutores que geram baixa radiação eletromagnética também pode ajudar na integridade do sinal. Às vezes, outras necessidades podem exigir peças com maior geração eletromagnética.



Ao projetar um PCB, elimine as antenas, que podem irradiar energia eletromagnética, bem como grandes loops de sinal e linhas de retorno de terra que transportam altas frequências. Você deve posicionar os circuitos integrados com cuidado para obter linhas de interconexão curtas.

Colocar uma grade de aterramento próxima sobre o PCB é outra diretriz essencial de design de layout de PCB de RF que ajuda a garantir que as linhas de retorno estejam próximas às linhas de sinal. Isso mantém a área efetiva da antena relativamente pequena. Em uma placa multicamada, você pode conseguir isso com um plano de terra.

5. Problemas térmicos

Problemas térmicos podem afetar muitas partes diferentes do processo de design. Placas maiores e com maior densidade de componentes e velocidades de processamento mais altas tendem a ter mais problemas relacionados ao calor. Para placas menores, eles podem não ser uma preocupação, mas para os mais avançados, podem ser um desafio significativo.

Para evitar problemas relacionados ao calor, você precisa permitir que o calor se dissipe. Primeiro, identifique os componentes que geram muito calor. Você deve encontrar as classificações de resistência térmica de cada componente em sua folha de dados. Em seguida, você pode seguir as diretrizes recomendadas para desviar o calor desse componente.

Certifique-se de deixar espaço suficiente ao redor de todos os componentes que podem ficar quentes. Quanto mais calor eles criarem, mais área eles precisarão para se refrescar. Também é vital não colocar componentes críticos perto de fontes de calor.

Idealmente, toda a placa terá a mesma temperatura de operação. Use planos termicamente condutores para dissipar o calor em uma ampla área, o que acelera a taxa na qual a temperatura diminui aumentando a área da superfície usada para a transferência de calor.

Se os problemas térmicos forem substanciais para sua placa, talvez seja necessário incluir ventiladores de resfriamento, dissipadores de calor e alívios térmicos, que são críticos para solda por onda em placas multicamadas e montagens com alto teor de cobre. Você pode criar dissipadores de calor usando uma pasta de dissipador de calor, um polímero preenchido com partículas sólidas finamente dispersas. Você pode aplicar esta pasta usando a impressão de tela ou estêncil. Após um processo de secagem ou cozimento, ele se torna fixo e atua como um dissipador de calor.

É sempre aconselhável usar alívios térmicos em componentes de furos passantes, o que diminui a taxa de dissipação de calor através das placas dos componentes. Como regra geral, use um padrão de alívio térmico sempre que uma via ou orifício se conectar a um terra ou plano de força. Você também pode usar lágrimas onde os traços e as almofadas se encontram para fornecer suporte adicional e reduzir o estresse térmico.

A importância de testar

Durante todo o processo de projeto de PCB, bem como no restante do processo de fabricação de PCB, você deve verificar continuamente seu trabalho. A detecção precoce de problemas ajudará a minimizar seu impacto e a reduzir os custos de corrigi-los.



Dois testes comuns que você deve realizar são a verificação das regras elétricas e a verificação das regras de projeto. Esses testes irão ajudá-lo a resolver muitos dos problemas mais significativos que você pode encontrar.

Uma vez que você possa passar seus testes ERC e DRC sem problemas, você deve verificar o roteamento de cada sinal e comparar sua placa com seu esquema em detalhes.

Resolvendo problemas de design de layout de PCB com CAD

Hoje, a maioria dos projetistas de PCBs usa sistemas avançados de software de design assistido por computador (CAD) para criar seus PCBs. Da mesma forma, os fabricantes usam software de fabricação auxiliado por computador. O uso desses sistemas pode ajudá-lo a resolver muitos dos problemas de layout que você pode encontrar. Algumas das vantagens de usar esses sistemas de software incluem:

• Processos de design simples e semiautomatizados: Os programas CAD permitem que você arraste e solte componentes onde você precisar deles para ir em seu projeto. Muitos sistemas até criam os rastreamentos para você, e então você pode mover, adicionar ou remover componentes ou redirecioná-los conforme necessário. Essa abordagem pode aumentar a eficiência e a precisão do seu processo de design.
• Validação do projeto: Antes de enviar seu projeto para a fase de fabricação, você pode testá-lo usando um sistema CAD para verificar suas tolerâncias, compatibilidade, colocação de componentes e outros aspectos. Muitos sistemas podem até detectar erros básicos em tempo real, minimizando ou eliminando seu impacto.
• Geração de arquivos de fabricação: Você pode gerar arquivos Gerber e outros formatos de arquivos que você pode precisar enviar ao fabricante com um sistema CAD. Criar esses arquivos diretamente do software de design pode ajudar a aumentar sua precisão e garantir uma transição suave para o estágio de fabricação.
• Documentação: Você também pode usar esses sistemas para gerar e salvar documentação detalhada relacionada ao uso de componentes, relatórios de erros, status do projeto, controle de versão e muito mais, o que pode ajudar em projetos futuros.
• Criação de regras: Alguns desses programas permitem que você crie e armazene conjuntos de regras personalizados, que podem ser compartilhados com designers para melhorar a funcionalidade do software.
• Criação de modelos: Você pode até criar modelos para uso em projetos futuros. Depois de criar um design, você pode salvá-lo e reutilizá-lo como modelo para outros projetos.
• Aumento da eficiência e redução de custos: A incorporação do projeto auxiliado por computador em suas operações pode melhorar a eficiência e a precisão do processo de projeto, o que reduz os custos gerais.

Escolhendo um fornecedor de PCB

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