6 Dicas Essenciais para Design e Layout de PCB Bem-Sucedido

Sabia que quase todo circuito eletrônico inclui Layout de PCB? Nesta era da Internet das Coisas, demanda e complexidade de PCBs crescem diariamente. Projetar PCB pode ser intimidante, especialmente ao colocar vários componentes eletrônicos e roteamento ótimo em espaço restrito. Conhecer seu caminho no layout de PCB é crucial para acertar na primeira vez.

Este artigo discute seis coisas essenciais a considerar ao projetar seu PCB, incluindo escolha de material e componentes, colocação de componentes, stack-up de PCB, tipos de via, potência, questões térmicas e restrições da placa.

1. Material e Componentes

Deve considerar material e componentes que planeja usar para sua impressão nos detalhes pertinentes; primeiro deve definir funções que PCB terá que realizar, tamanho aproximado do produto final, interconexão do PCB com outros circuitos, e claro, sua colocação no produto.

Alguns materiais operam em temperaturas extremas; outros falham e resultam em curto-circuito. Por isso, mantenha em mente temperatura de trabalho do produto final concernente a material e componentes que escolhe para seu PCB.

Finalmente, considere custo e disponibilidade dos materiais. Se optar por material difícil de encontrar, podem ser caros e demorados para localizar, atrasando montagem do PCB. Considere escolher fornecedor que mantenha fornecimento constante de componentes necessários. Outras áreas: peças de reposição, reparos e substituições.

2. Colocação de Componentes no Layout de PCB

Dispor componentes na placa requer muita habilidade de resolução de problemas e criatividade. Como todos têm perspectiva única de design, sua colocação será única da ideia de outro.

Considere fabricação do PCB porque é objetivo final. Por exemplo, componentes semelhantes como transistores devem enfrentar mesma direção ao colocá-los para instalação e inspeção mais fáceis pelo fabricante.

Mantenha em mente tamanho e altura de componente individual. Alguns serão maiores que outros e podem resultar em saliências irregulares na placa quando colocados próximos. Componentes mais altos podem bloquear elementos menores, e quando placa passa por forno de solda para gravar partes, pode retornar com juntas de solda mal conectadas. Sempre considere altura e largura dos componentes — detalhes de dimensões similares podem ser colocados para um lado, garantindo que onda de solda alcance partes menores sem bloqueio.

Permita espaço para roteamento. Se colocar componentes muito próximos, ficará sem alcance ao iniciar roteamento. Circuitos integrados, por exemplo, têm muitos pinos para conectar ao redor da placa. Para evitar ficar sem espaço e pular sobre seu layout novamente, dê espaço suficiente para componentes que requerem muitos pinos conectados para facilitar processo.

3. Stack-Up do Layout de PCB

Stack-up de PCB forma fundação de todo PCB. Envolve colocação de camadas isolantes e de cobre. Stack compreende várias camadas dentro do PCB e permite estabelecer impedâncias características em cada camada. Quanto mais camadas, mais caro.

PCBs têm camadas de materiais diferentes laminadas com adesivo. Camada superior é silkscreen que adiciona indicadores como letras e símbolos. Camada inferior é FR4, dá rigidez e espessura. Próxima é camada de cobre, seguida por máscara de solda que dá cor verde distinta. Stack-up multicamadas otimizado minimiza radiação e ruído externo. Também permite compatibilidade eletromagnética aprimorada, mantém custo dentro do orçamento e garante eficiência na técnica de fabricação.

4. Tipos de Via no Layout de PCB

Via de PCB permite interconexões entre diferentes camadas. Vias podem unir traços, pads e outros elementos condutivos e fornecer caminho para energia elétrica e térmica movendo de uma camada a outra. Como furamos furos na placa para criar vias, deve considerar colocação e tamanho de cada furo concernente a outros componentes. Para eficiência na fabricação, é bom garantir que todas as vias na placa tenham mesmo tamanho.

Existem três tipos básicos de vias: Vias passantes (through), vias cegas (blind) e vias enterradas (buried). Via passante conecta duas camadas externas visíveis. Vias cegas conectam camada externa visível com camada interna invisível. Vias enterradas conectam duas camadas internas ocultas. Outros tipos incluem vias térmicas para transferir calor da camada superior para inferior ou internas e vias tentadas encerradas com máscaras de solda para prevenir vazamento de componentes elétricos e térmicos. Certifique-se de discutir capacidades dos tipos de via que pretende usar com seu fornecedor pois diferentes vias têm diferentes capacidades de corrente.

5. Potência e Questões Térmicas

Enquanto colocação de componentes é crucial, fazer componentes funcionarem também requer considerar roteamento de potência. Planos de potência e terra devem ser internos na placa, centralizados e simétricos para prevenir torção ou arqueamento da placa.

Questões térmicas afetam placas maiores com maior densidade e velocidades excessivas. Para evitar, seu PCB deve permitir dissipação de calor. Durante seleção de material, identifique componentes gerando muito calor e encontre formas de desviar calor deles. Espaço de superfície ao redor de partes que esquentam rápido é consideração crucial de layout porque precisam espaço para esfriar. Pode considerar incluir dissipadores de calor, ventoinhas de resfriamento e alívios térmicos. Locais para adicionar reservas térmicas incluem vias furo passante para reduzir taxa de dissipação de calor através das camadas.

Afeta integridade de sinal. Deve esperar problemas elétricos como interferência eletromagnética em dispositivos. Para garantir que seu PCB não cause tais problemas, evite trilhas paralelas. Para trilhas que devem cruzar, garanta que estejam em ângulos retos para minimizar capacitância e indutância mútua.

6. Restrições da Placa

Primeiro, dependendo do propósito do PCB que projeta, deve considerar tamanho e forma da placa. Placa é componente primário porque segura todas as outras partes. Fatores determinando tamanho e forma incluem funcionalidade e tamanho do produto destino. Ex.: wearables como rastreadores de atividade requerem PCBs muito menores que televisões.

Alguns produtos requerem PCBs com mais circuitos que a placa comporta. Nestas situações, pode precisar usar PCBs de interconexão de alta densidade multicamadas (HDI PCBs) que permitem empacotar mais funcionalidade em área menor. Interconexões de alta densidade aumentam níveis de confiabilidade pois têm interconexão robusta de vias empilhadas. Outra vantagem de PCBs HDI é garantir que sinais elétricos levem menos tempo para viajar pela proximidade dos componentes.

Problemas de Layout de PCB

Estágio de montagem de PCB. Placa bem projetada evita problemas de layout como terminais famintos (starved thermals), anéis anulares insuficientes, máscaras de solda ausentes, armadilhas de ácido, etc. Terminais famintos ocorrem quando traços de alívio térmico e planos de cobre associados são conectados impropriamente. Máscaras de solda ausentes provavelmente ocorrem em placas com espaçamento apertado durante montagem. Armadilhas de ácido causam circuitos abertos por desconexão de traços de redes atribuídas. Furos de furação perdidos causam anéis anulares. É crucial considerar regras de layout na fabricação; há altas chances de falhas que afetam negativamente funcionalidade final. Existem várias regras de layout para evitar tais problemas resultando em perdas, protótipos ruins e desperdício de tempo.

Conclusão

Este artigo discutiu várias questões a considerar ao projetar placa de circuito impresso e problemas que PCB mal projetado pode causar. Tópicos incluem colocação de componentes, restrições da placa, stack-up, material e componentes, potência e efeitos térmicos, e tipos de via.

Para conectar vários componentes do PCB, imprimimos caminhos condutivos na placa. Como conexões são internas, complexidade do design geral é reduzida tremendamente. Elementos como circuitos integrados, transistores e resistores montam na placa através de soldagem.

PCBs são cruciais para funcionamento de dispositivos IoT e placas de vídeo, motherboards, placas de rede, TVs, celulares, tablets e mais. À medida que tecnologia avança, complexidade de layout de PCB também. Dito isso, acertar design para produção valerá a pena com PCB impresso de alta qualidade. Seu produto final deve não apenas funcionar confiavelmente como esperado mas também permanecer dentro do orçamento. Esperamos que este artigo guie você a bom layout de PCB.