Design de PCB para iniciantes: um guia passo a passo para construir sua primeira placa

A primeira placa que um iniciante envia geralmente volta com um de três problemas: uma pegada de conector a meio milímetro de suas almofadas, um traço de energia esquentando sob carga ou um pacote Gerber sobre o qual o fabricante precisa enviar um e-mail antes mesmo de o trabalho começar. Nenhum desses são erros de circuito. São decisões de layout e handoff tomadas após o esquema já trabalhado na tela.

Para um primeiro projeto, o caminho confiável é estreito. Mantenha a placa de um lado ou de duas camadas, coloque cada conector e orifício de montagem antes de rotear um único traço, dimensione os traços de energia de uma tabela atual em vez de a olho nu e termine com uma verificação de regra de projeto que corresponda ao que seu fabricante pode realmente produzir. As seções abaixo explicam por que cada uma dessas etapas existe e quanto custa ignorá-la.

Comece com um esquema e pegadas que você pode verificar

O esquema não é uma papelada que você termina antes do início do trabalho de design "real". É a netlist que orienta o layout, a lista de materiais e o desenho de montagem, e cada incompatibilidade deixada nela se torna um traço de cobre que você terá que cortar mais tarde.

Passe a hora extra na biblioteca em vez do layout. Repositórios abertos e sites de distribuidores estão cheios de pegadas desenhadas por outros usuários, e uma almofada 0,2 mm estreita demais ainda parece convincente na tela, ao mesmo tempo que torna a soldagem manual quase impossível.

• Copie o padrão de terreno recomendado da folha de dados do componente em vez de desenhar o seu próprio.
• Confirme a orientação do pino 1 e verifique se a peça fica espelhada quando assenta na parte inferior.
• Verifique se cada pátio de área ocupada não se sobrepõe aos seus vizinhos.
• Combine a contagem de blocos da pegada com o símbolo antes de importar ambos para o layout.

Se você ainda está construindo um modelo mental de todo o fluxo, vale a pena ler um passo a passo dos fundamentos do design de PCB, opções de empilhamento e dicas de solução de problemas antes de dedicar um fim de semana a uma ferramenta de layout.

Uma placa unilateral ou de duas camadas geralmente é suficiente

Para um primeiro projeto, uma ou duas camadas quase sempre carregam o circuito, e a placa mais simples é mais barata de fazer, mais rápida de chegar e muito mais fácil de retrabalhar quando algo dá errado.

Uma placa unilateral coloca todos os traços no cobre inferior e todas as partes no topo. Não há vias revestidas com as quais se preocupar, e se um traço cruzar outro, você resolve o problema com um link de fio em vez de um redesenho. É por isso que tantos primeiros projetos – temporizadores, quebras de sensores, drivers de transistor único – permanecem unilaterais.

O acabamento da superfície é mais importante do que os iniciantes esperam. OSP, o conservante orgânico de soldabilidade, deixa o cobre plano que solda bem, tem uma vida útil razoável e custa menos que o folheado a ouro. Uma placa OSP de um lado é uma primeira ordem sensata porque há muito pouco nela que um ferro de solda desajeitado possa danificar.

Placa PCB OSP unilateral Os PCBs OSP de um lado utilizam um tratamento de superfície de filme de soldabilidade orgânica (OSP), que é ecologicamente correto e não tóxico. Eles oferecem almofadas altamente planas, maki... Ver Produto →

Duas camadas fornecem um plano de aterramento contínuo em um lado, que é a maior melhoria de ruído e qualidade de sinal disponível por muito pouco dinheiro. Se o seu projeto incluir um regulador de comutação, um barramento SPI ou um cristal, comece com duas camadas.

Mude para quatro camadas quando o roteamento ou o ruído exigirem

Quatro camadas deixam de ser um luxo quando a densidade do sinal ou a velocidade do clock aumentam. O arranjo padrão para iniciantes é sinal, terra, energia, sinal: cada traço recebe um plano de referência contínuo diretamente abaixo dele, o que elimina a maior parte das suposições sobre o caminho de retorno que assola os layouts de duas camadas.

O passo de duas para quatro camadas é real, mas geralmente menor do que as pessoas temem, e compra uma placa mais silenciosa com muito menos tempo de layout. Uma construção padrão de quatro camadas com máscara de solda verde e acabamento OSP é onde muitos dos primeiros projetos sérios terminam.

PCB OSP verde de 4 camadas Quatro camadas double-sided green OSP boards, using high-Tg FR-4 substrate and environmentally friendly OSP (organic soldering flux) surface treatment process, the green s... Ver Produto →

Coloque os componentes antes de rotear qualquer coisa

O posicionamento decide a maior parte da dificuldade de roteamento. Os iniciantes geralmente posicionam as peças de maneira aproximada, iniciam o roteamento e só então descobrem que um conector precisa se mover.

1. Coloque primeiro os conectores, interruptores, LEDs e orifícios de montagem, pois o gabinete decide onde eles vão.
2. A seguir, adicione peças com restrições mecânicas: cristais, antenas, dissipadores de calor, qualquer coisa com uma área de proteção.
3. Coloque cada capacitor de desacoplamento o mais próximo possível do pino de alimentação ao qual ele serve, no mesmo lado se o espaço permitir.
4. Organize os componentes restantes de forma que as conexões entre eles permaneçam curtas e, em seguida, comece o roteamento.

Mantenha o cobre a pelo menos 0,3 mm do contorno da placa, a menos que o fabricante indique o contrário, e lembre-se de que as bordas com ranhuras em V ou fresadas removem o material após a montagem. Não enterre um ponto de teste sob uma parte alta e deixe espaço para sondagem em torno de qualquer coisa que você precise medir – você medirá.

Traços de tamanho da corrente, não do hábito

A largura do traço é uma decisão térmica antes de qualquer outra coisa. Um traço que é demasiado estreito para a sua corrente aquece, e esse aumento de temperatura – e não apenas a corrente – é o que eventualmente danifica o laminado ou uma junta de solda.

As curvas IPC-2221 ficam atrás de quase todas as calculadoras online de largura de traço, e o padrão é simples: a largura cresce mais rápido que a atual. Passar de 1A para 2A na mesma espessura de cobre multiplica a largura necessária por aproximadamente 2,6, não por dois. Os traços da camada interna também ficam mais quentes porque o laminado retém o calor, portanto, um traço interno precisa de cerca de 2,6 vezes a largura de seu equivalente na camada externa.

Trate esses números como mínimos apenas para temperatura. Queda de tensão, impedância controlada e corrente de fusão são todas com larguras de impulso maiores.

Quando um projeto realmente carrega corrente, o peso do cobre e o acabamento superficial tornam-se decisões de layout, em vez de detalhes de compra. Duas onças de cobre dividem aproximadamente pela metade cada largura da mesa, e um acabamento soldado sem chumbo, como aquele usado em uma placa dupla-face sem chumbo construída para energia e eletrônica automotiva, vale a pena especificar com antecedência porque altera tanto o processo quanto a superfície na qual você irá soldar.

PCB soldado sem chumbo verde de dupla face para eletrônicos automotivos e de energia Placa estanhada verde sem chumbo de dupla face. A espessa barreira metálica formada pelo revestimento de estanho possui excelente desempenho de dissipação de calor e capacidade de lidar com... Ver Produto →

A geometria também importa. Roteie a 45 graus em vez de 90, mantenha os loops de alta corrente fisicamente pequenos e execute rastreamentos de sinal em terreno intacto sempre que o empilhamento permitir.

Execute a RDC contra os limites reais do fabricante

A verificação das regras de design não é uma formalidade guardada para o fim. Defina suas regras a partir do recurso publicado do fabricante antes de começar e execute a verificação após a colocação e novamente após o roteamento.

As fábricas multicamadas podem conter largura e espaçamento de linha de 3/3 mil – uma placa banhada a ouro de 6 camadas com essa geometria é produção rotineira para muitas delas – mas projetar a 6/6 mil custa uma primeira placa lenta, nada em desempenho e deixa margem contra variação de gravação e cotações mais baratas.

Antes de exportar, limpe estas verificações:

• Redes desconectadas e de bloco único, o que geralmente significa que um símbolo esquemático nunca foi conectado.
• Violações de folga entre traços, almofadas e vazamentos de cobre.
• Serigrafia impressa sobre almofadas expostas, o que interfere na pasta de solda.
• Anéis anulares e tamanhos de broca abaixo do mínimo do fabricante.
• Pads sobrepostos ou duplicados, geralmente deixados para trás quando uma pegada é editada.

Em seguida, exporte Gerbers no formato RS-274X, um arquivo por camada, além de um arquivo de perfuração NC em unidades correspondentes e uma breve nota de texto listando a contagem de camadas, espessura da placa, peso do cobre, acabamento superficial e quaisquer requisitos de impedância. Cada pergunta que um fabricante tem a fazer acrescenta um dia à cotação.

O que enviar e o que volta

A produção é rápida quando os arquivos estão corretos. Os prazos de entrega padrão para um quadro simples são assim:

• Grandes lotes unilaterais e frente e verso: 6 a 7 dias
• 4 a 8 camadas: 9 a 20 dias
• 10 a 16 camadas: 20 a 25 dias
• 16 a 32 camadas: 25 a 45 dias
• Placas HDI: dentro de 25 dias
• Protótipos frente e verso: em até 24 horas

O preço é determinado pelo tamanho, contagem de camadas, peso do cobre, acabamento, quantidade e quão forte você pressiona a tolerância. As certificações mostram quais mercados uma fábrica pode atender: ISO 9001, ISO 14001 e ISO 45001 cobrem a gestão geral de qualidade, meio ambiente e segurança, enquanto a IATF 16949 é importante quando a placa acaba em um veículo e a UL é importante quando o produto acabado é vendido na América do Norte. Ler a página de serviço de um possível fornecedor antes de bloquear os Gerbers informa quais tolerâncias e acabamentos eles executam todos os dias, o que é mais útil do que os mínimos impressos em uma tabela de capacidade.

Se você retirar uma sequência deste artigo, torne-a esta:

1. Desenhe o esquema e verifique cada área ocupada em uma folha de dados.
2. Escolha a contagem de camadas mais baixa que transporta seus sinais e adicione um plano de terra assim que passar para duas camadas.
3. Coloque os conectores, os furos de montagem e os capacitores de desacoplamento antes de rotear qualquer coisa.
4. Dimensione os traços de energia de uma tabela de corrente e mantenha os loops de corrente curtos.
5. Execute o DRC, exporte Gerbers RS-274X com um arquivo de perfuração NC e envie o pacote com uma nota de empilhamento por escrito.

Em seguida, peça uma pequena quantidade de protótipo, ligue-o lentamente e anote o que você mudaria. A segunda placa é sempre melhor que a primeira, e a maneira mais rápida de aprender o design de PCB é terminar uma.