CONFECCAO_DE_PCI_ver..

PUCRS – FENG – DEE
2005/II
Laboratório de Processadores
Prof. Anderson Royes Terroso – www.aterroso.com
Dicas para elaborar um layout de um
placa de circuito impresso (PCI)
Este material foi desenvolvido com o objetivo de apresentar algumas dicas que
serão úteis na elaboração de uma placa de circuito impresso. Neste documento não
será abordado uma ferramenta de CAD (Computer Aided Design) em específico.
Um projeto completo de uma PCI passa por algumas etapas, são elas:
•
•
•
•
•
•
Elaboração do circuito: esta etapa compreende no desenho do circuito
eletrônico.
Determinação dos valores dos componentes: alguns exigem cálculos, outros são indicações de fabricantes.
Elaboração do layout: o layout consiste na organização dos componentes no espaço físico de uma placa, ou seja, a disposição dos mesmos,
e nesta etapa precisamos ter um cuidado redobrado, pois a colocação de
um componente de forma equivocada pode inviabilizar o uso da placa,
assim como trazer um mau funcionamento do circuito. Portanto, esta etapa precisa ser elaborada com o máximo de cuidado e atenção. Este
material dará algumas dicas e alguns erros freqüentes no processo de
elaboração do layout.
Confecção da placa de circuito impresso: depois do layout finalizado,
os arquivos gerber (combinação de comandos gráficos utilizados pelo
equipamento fotoploter para a formação das imagens da placa de circuito impresso, e que pode ser gerado a partir de qualquer programa para
projeto de PCI) são encaminhados para a fabricação da placa em uma
empresa especializada.
Montagem: consiste em fazer a solda dos componentes. Nesta etapa,
podemos verificar se o layout, em termos de disposição dos componentes ficou acessível. Muitas vezes nesta etapa, descobrimos que o pushbuttom ficou muito próximo de um capacitor, o que dificulta o acesso ao
interruptor. Esses detalhes que precisamos tomar muito cuidado na hora
de elaborar um layout.
Teste: esta etapa encerra um ciclo, fazendo o check-up final de todo o
processo, testando-se o funcionamento de cada componente, ou seja, se
o sistema possui um display, será feita a escrita no mesmo, se existe um
relé, será feito o acionamento e assim por diante, precisamos garantir
que todas as etapas anteriores foram executadas de forma correta.
Antes de serem apresentadas algumas dicas para a elaboração de uma PCI, é
importante esclarecer alguns termos frequentemente utilizados, como por exemplo:
layer, pad, via, mils, etc... A seguir você encontrará uma lista dos termos mais utilizados e seus respectivos significados.
Layer
O layer consiste nas faces de uma placa de circuito impresso. Podemos
ter uma placa face simples, ou seja, um layer. Isso significa que teremos trilhas (conexões) em um lado da placa (fenolite ou fibra – material
usado em PCIs). Uma placa com dois layers, também chamado de placa
dupla-face, ou seja, teremos trilhas tanto na parte de cima da placa,
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Footprint
Trilha
Mils
Via
PAD
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como embaixo. Chamamos o layer de cima de TOP e o layer de baixo de
BOTTOM. Existem projetos que requerem placas multi-layers, são placas que possuem camadas intermediárias entre TOP e BOTTOM, seria
uma forma de sanduíche de placas. A escolha pelo número de layers
depende do projeto, existem projetos que com uma face simples se
pode elaborar um layout de uma PCI, mas outros requerem uma facedupla. Existem projetos complexos que exigem várias camadas (multilayers), mas para isso, é preciso verificar custos e empresas especializadas que realizam este tipo de placa.
Footprint é a máscara de um componente. Note que na ferramenta onde desenhamos o esquemático, a representação gráfica (desenho) do
capacitor não muda com a capacitância do mesmo, mas na hora de fazermos o layout, isso deverá ser levado em consideração, pois um capacitor de 1uF não tem o mesmo tamanho de um capacitor de 1000uF.
Portanto, o footprint é a máscara do componente real, enquanto que a
representação gráfica usada no esquemático é só uma simbologia universal. A Figura 1 exemplifica a representação gráfica e o footprint de
um capacitor e um resistor.
FIGURA 1 – Representação gráfica e footprint.
É a conexão física entre um terminal de um componente e o outro. Em
uma pront’board isto é feito com fio. A espessura da trilha depende da
corrente elétrica, assim como a bitola do fio utilizado em instalações
elétrica também depende da corrente elétrica. Como a trilha tem uma
espessura muito pequena, pois trata-se de uma fina camada de cobre
depositada sobre a placa de fenolite ou fibra, então precisamos estipular a largura da trilha.
Mils é uma unidade muito usada e significa a milésima parte de uma
polegada, ou seja, é uma medida bem pequena, mas quando tratamos
de largura de trilha, tamanho de via, etc... recomenda-se o seu uso.
1mils – 0,0254mm
Então quando dizemos que a espessura de uma trilha tem que ter
40mils, estamos dizendo que ela tem aproximadamente 1mm.
É um furo metalizado que faz a passagem de uma trilha (ligação elétrica) que corre de um layer para o outro. Então a via é o caminho de
passagem de uma trilha de um layer para o outro.
O pad (ilha) consiste em um furo metalizado que serve para fixar (soldar) os terminais dos componentes. Quando realizamos um projeto de
uma placa em uma ferramenta de CAD, devemos determinar o tamanho
dos pads, isto porque temos tamanhos diferentes. Os leads (terminais)
dos componentes apresentam diâmetros diferentes, por exemplo, o lead
de um diodo de potência não tem o mesmo diâmetro de um lead de um
resistor de 1/8 watt. Portanto, devemos determinar o diâmetro externo
e interno do pad (a diferença entre os dois diâmetros, será o tamanho
da borda de cobre para soldar o terminal).
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Exemplo de pads
Resistores (1/8 watt) e capacitores (baixa tensão e baixa capacitância): top/bottom = 51mils e drill (furo – broca) = 31mils (resta
uma borda de 10mils de cobre para soldar o componente).
Diodos: top/bottom = 59mils e drill = 39mils.
Barra de pinos: top/bottom = 59mils e drill = 39mils.
Plugue P4 (plugue da fonte de alimentação): top/bottom =
158mils e drill = 118mils
Relés e KREs: top/bottom = 118mils e drill = 78mils
Furo de fixação: top/bottom = 118mils e drill = 118mils – portanto
não tem borda de cobre – as duas dimensões são iguais.
Em caso de dúvida, utilize um paquímetro para fazer a medida correta
do diâmetro interno e utilize pelo menos 20mils entre top/bottom e drill.
Por exemplo, o furo precisa ter 40mils, logo o diâmetro externo terá
que ter no mínimo 60mils. Claro, se o furo interno é muito grande, a
borda precisa ser maior, pois a quantidade de estanho a ser utilizado
para fixar o lead precisa ser maior. Portanto, não é uma regra e sim
uma dica para furos pequenos, até 40mils de diâmetro interno.
OBS.: o ideal é padronizar os furos, ou seja, se existe uma pequena
diferença entre o furo de um componente e de outro, se escolhe o maior e adota-se este, isto porque cada tamanho diferente de furo, nova
broca deverá ser utilizado.
Note que os pads não são do
mesmo tamanho, isso se deve a bitola do (leads) terminal ser diferente. Assim, como a espessura das trilhas.
Note que a via faz a passagem da trilha do layer top
para o layer bottom. A via
não é um pad e sim um furo
de passagem. A via é colocada
automaticamente
pela
ferramenta de CAD, durante
o processo chamado roteamento. O roteamento consiste em fazer conexões entre
cada componente de forma
automatizada.
FIGURA 2: Diferença entre PAD e VIA.
1) Tamanho dos componentes: Um bom layout passa pelo o uso de footprint (máscara dos compontes) adequados. Um resistor, por exemplo, de 1/8watt não tem o
mesmo espaçamento dos leads (terminais) de um resistor de 5watts. Assim, como um
capacitor eletrolítico, tem diversos tamanhos. Para isso, precisamos conhecer previamente os componentes, para saber qual máscara será utilizada. Por isso, uma dica é
usar um paquímetro para fazer as medidas ou utilizar um gabarito, por exemplo, uma
barra de pinos (Figura 3a) tem distanciamento de 100mils, entre cada terminal. Portanto, pela figura podemos constatar que o capacitor de 33pf tem distancia entre leads
de 200mils, assim como o capacitor de 0,1µF. Já o resistor, apresenta uma distância
de 300 a 350mils.
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(a)
(b)
FIGURA 3: Em (a) é apresentado uma barra de pinos servindo de gabarito para
determinar a distância entre os leads dos componentes. Em (b) é mostrado a máscara de vários componentes, sendo que para os capacitores temos diferentes tamanhos, assim como para diodos, resistores, etc..
Na Figura 4, é ilustrado outros componentes e suas respectivas distâncias entre os
leads. A figura abaixo ilustra a medida de um indutor (300mils), um cristal (200mils),
um capacitor de 39pF (200mils), um led (100mils), um capacitor de 10µF (100mils) e
capacitor de 27nF (200mils).
FIGURA 4: Novamente uma barra de pinos foi utilizada como gabarito para fazer a
medidas dos componentes. Tanto o espaçamento dos terminais, como também para
determinar o tamanho do invólucro, espaço ocupado, etc..
2) Largura das trilhas:
Assim como em instalações elétricas, onde as fiações apresentam diferentes
bitolas (tomadas, chuveiros, iluminação, etc..), no projeto eletrônico precisamos dimensionar a largura das trilhas, dependendo da corrente elétrica. Como não podemos
mudar a espessura da trilha, pois toda a placa de fibra ou fenolite tem a mesma espessura de cobre, portanto o que se faz é mudar a largura das trilhas. Em alguns sites,
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é comentado uma relação de 1mm (40mils) para cada Ampèr, ou seja, se o circuito
exige uma corrente de 2A, então a trilha deverá ter 2mm (80mils) de largura.
Entretanto, existe um gráfico (Figura 5) que relaciona corrente elétrica, espessura do cobre, largura do cobre e temperatura.
Por exemplo, deseja-se fazer uma trilha para uma corrente de 2 Ampèr, gradiente de temperatura de 30oC acima da ambiente, espessura do cobre de 1oz (1oz Æ
35µm, 1,378mils), qual a trilha que deve ser utilizada? Fazendo a análise gráfica, chegamos a uma largura de 20mils da trilha. Agora se fizermos à mesma análise considerando um gradiente de temperatura de 10oC acima da ambiente, teremos uma largura
de trilha de aproximadamente 80mils, o que equivale à primeira relação passada. O
site da empresa Micropress, faz o cálculo automático da largura da trilha, consulte:
http://www.micropress.com.br/portugues/pistas_calc.asp
FIGURA 5: Gráfico para determinar a largura da trilha de cobre.
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1mils = 0,0254mm
1oz = 35µm = 1,378mils
A Figura 6, ilustra algumas situações onde a largura da trilha influencia muito, tais como saída de potência (reles, motores de passo, etc..).
(b)
(a)
FIGURA 6: Em (a), temos algumas trilhas mais largas, pois são trilhas que conectam
os relés aos terminais de saída. Em (b), as trilhas mais largam são usadas nos drivers
de corrente para motor de passo.
2) Fonte de Alimentação.
(d)
(c)
(a)
(b)
FIGURA 7: Essas fotos ilustram o plugue P4 utilizado nos kits de laboratório. Note
que a furação é maior que os furos dos outros componentes. Além disso, precisa ter
uma borda de cobre maior, para fazer a solda que resista as constantes conexões.
Os pads do conector plugue P4 devem ser grandes o suficiente para permitir o encaixe
perfeito. Um tamanho aceitável para estes pads são 158mils top/bottom e 118mils
drill. A Figura 7, mostra o footprint e o componente plugue P4.
O regulador de tensão LM78XX exige um furo para os seus terminais, maior que a
maioria dos furos convencionais (Figura 8.a), além disso, devemos reservar uma área
livre de conexões para a fixação do dissipador de calor (Figura 8.c). Estes kits usados
no laboratório dissipam uma potência razoável, por isso, devem-se usar um dissipador
grande (2,7cm x 3,0cm). A área livre de conexão tem a finalidade de evitar um contato do dissipador com trilhas da placa (Figura 8.b). Não esqueça de colocar os capacitores da fonte, bem próximo do regulador de tensão.
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Plugue P4
regulador
Ponte diodos
capacitor
led
(a)
(b)
(c)
FIGURA 8: Nestas figuras, note que os componentes relacionados com o regulador,
ficam próximos. A ponte de diodos (circuito de proteção contra inversão de polaridade), capacitores de filtragem, led indicativo de on-off, regulador de tensão e o plugue P4 ficam próximos. Portanto, sempre que possível agrupe os componentes que
atuam juntos.
A figura ao lado mostra um outro circuito, onde novamente os componentes
referentes ao regulador de tensão, também ficam próximos. Este regulador não
requer dissipador de calor, isto porque
se trata de um regulador chaveado da
Texas (PT5101A – 5Volts @ 1A).
3) CPU MSC1211Y5 – CLOCK e CAPACITORES DE FILTRO.
Neste projeto, uma parte considerada crítica é o posicionamento do cristal. Conforme a
Figura 10.b, podemos constatar que o cristal e os capacitores do cristal ficam muito
próximos dos pinos 1 e 2 do MSC1211. O cristal vai conectado a estes dois pinos. Portanto, o cristal DEVE ficar o mais próximo desses pinos e NÃO coloque os capacitores
afastados do mesmo.
Outro detalhe são os capacitores de filtro utilizados. Os capacitores devem ficar próximos dos pinos os quais estão conectados. Não coloque os capacitores distantes, pois
perdem a sua finalidade de filtrar ruídos nas trilhas próximas do microprocessador.
Cristal
Capacitor
cristal
Capacitor
de filtro
(b)
(a)
FIGURA 10: Posicionamento dos capacitores de filtro, cristal e capacitores do cristal.
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4) Circuito de Reset.
O circuito de reset também deve ficar próximo da CPU. Os componentes que fazem
parte do reset, push-buttom, capacitor e resistor, devem ficar próximos.
FIGURA 11: Circuito de reset.
6) Porta Serial RS232.
O conector usado na comunicação serial RS232 é o DB-9 macho (Figura 12.a). Cuidado
na hora de fazer o layout para não colocar esse componente virado. Note que os quatro pinos são voltados para a borda da placa (Figura 12.b). Outro detalhe importante,
é colocar os componentes relacionados com a serial próximos. Na Figura 12.c, vemos o
driver da RS232 próximo dos capacitores e leds sinalizadores de transmissão e recepção. Não coloque esses componentes distribuídos na placa, coloquem próximos da serial, como mostra a figura. Um outro conector utilizado nos kits é o PS2 (Figura 13).
Furo metalizado
Para fixar o DB9
DB9
para
placa
Furo
metalizado
Os quatros furos
ficam para a borda
da placa.
DB9
para
cabo
(a)
(b)
Drive RS232, capacitores e leds de
sinalização.
(c)
FIGURA 12: Conectores usados para a comunicação RS232 (a). Layout do conector
DB-9 macho na PCI (b). Layout dos componentes referentes a comunicação serial
(c).
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(b)
(a)
FIGURA 13: Footprint do conector PS2 (a) e o respectivo conector (b).
7) Porta I2C.
O conector usado na comunicação serial I2C consiste em uma barra de 4 pinos macho.
A Figura 14.a mostra o footprint deste conector e na Figura 14.b, a foto da barra de
pinos.
(a)
FIGURA 14: O conector usado na comunicação serial I2C.
(b)
8) Display LCD
O display utilizado nos kits de laboratório, normalmente é de 16x2, 16x4 ou 20x4 (Figura 15.a e Figura 15.b). Indicamos que a montagem do display fique para dentro da
placa, conforme mostra a Figura 15.c e Figura 15.d. Neste tipo de montagem, temos
que ter um cuidado redobrado, pois alguns componentes NÃO PODEM ficar de forma
alguma embaixo do display, tais como: relés, push-buttom, dissipador, jumper, trimpot (Figura 15e e Figura 15.f – para ajuste do contraste do display de LCD), leds, capacitores, ou seja, nenhum componente que tenha uma altura maior que a distancia
do display da placa ou que precise ser constantemente pressionados ou modificados. A
Figura 15.c e a Figura 15.d, mostram um exemplo de display montado sobre a placa,
sem causar nenhum tipo de problema a placa.
(a)
Note que a barra de pinos no display
16x2, fica na parte inferior e a numeraProf. Eng. Anderson Royes Terroso
(b)
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ção é da direita para esquerda.
Enquanto que o display 16x4 e o 20x4, a
barra de pinos fica na parte superior do
display, e a numeração é da esquerda
para a direita. Portanto, antes fazer o
layout da placa, é necessário saber qual o
display será empregado no projeto.
(c)
Nesta figura, podemos observar que a
barra de pinos usada para fixar o display,
é uma barra de pinos fêmea. Neste projeto, o display ficou montado sobre a placa,
e precisa ter um cuidado especial com
alguns componentes, como potenciômetro, capacitores, leds, push-buttom, jumpers, reles, ou seja, componentes que
necessitem uma intervenção do usuário
para regulagem ou ajuste.
(d)
A figura acima, mostra alguns desses
componentes e a sua localização após a
instalação do display de LCD 16x4.
(e)
(f)
9) Saída de Áudio.
A saída de áudio usada nos projetos de Lab. De Processadores, é um buzzer autoosciláveis (Figura 16.a e Figura 16.c). O footprint dele é muito semelhante de um capacitor com espaçamento de 300mils entre os terminais (Figura 16.b).
(b)
(c)
(a)
FIGURA 16: Componente de áudio (buzzer) e o seu respectivo footprint.
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10) Conector PS2.
Como já foi mencionado anteriormente, estes kits também possuem uma interface PS2
e o conector deve ser montado da forma apresentado na Figura 17.a.
(b)
(a)
FIGURA 17: Footprint do conector PS2 e o conector para placa mini-dim 6 pinos.
11) Teclado.
O teclado consistem em 4 ou 5 teclas push-buttom. Elas podem ser colocadas em linha
como mostram as Figuras 18.a e 18.b, porém no caso de 5 teclas, podemos adotar
uma outra configuração (Figura 18.c)
(c)
(a)
(b)
FIGURA 18: Teclado push-buttom.
12) IrDA & RF.
(a)
(b)
(c)
FIGURA 19: Receptor e Transmissor da WhenShing (a). O transceiver da WhenShing
(b). O IrDA TFDU4100 da Vishay (c).
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13) Driver de Potência.
(a)
(b)
(c)
Um detalhe importante que podemos notar na figura (b), é que a largura das trilhas
está compatível com a corrente requerida pelo circuito, porém o espaçamento entre
as mesmas é irrisório, ou seja, o isolamento entre as trilhas é muito pequeno, portanto recomenda-se o uso de espaçamento igual a largura da trilha, por exemplo, se
a trilha for de 40mils, então o espaçamento deverá ser de 40mils.
Neste outro exemplo, o distanciamento entre as trilhas e os demais obstáculos,
trilhas, plano de terra, pads, vias, já é maior, evitando assim um curto circuito ou
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algo que possa causar algum dano ao circuito.
14) Saída de Reles.
Os reles também exigem uma trilha mais larga e um espaçamento entre as mesmas
da mesma largura da trilha. Cuidado com os footprint dos KRE (conectores cinzas com
parafuso para fixar os fios) e o rele, pois ambos possuem pinos bem mais grossos que
o normal.
15) Conector de I/O.
Os conectores de I/O ou expansão devem ficar na periferia da placa. Consistem em
barras de pinos machos. Se for colocada uma área de wire-up, então estes conectores
devem ficar próximos. Do contrário, nunca os coloque no meio da placa.
Wire-up
Barras de
pinos conectores
de I/O
FIGURA : Conectores para expansão.
16) Conector de Smart Card.
O Conector de Smart Card está mostrado na figura abaixo.
Uma idéia de layout para a placa de 2005/II, é a montagem do display em uma face
da placa e na outra o conector de smart-card. Desta forma, reduziríamos consideravelmente a área de placa. A Figura abaixo, tenta demonstrar essa idéia. Qualquer dúvida consulte os professores da disciplina.
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