CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSOEWALDO
LUIZ DE MATTOS MEHL 1. CIRCUITOS IMPRESSOS ORIGENS E
MATERIAISAnteriormente inveno dos transistores os circuitos
eletrnicos baseavam-se em vlvulas vcuo que, por serrem
relativamente grandes, dispensavam maiores preocupaes quanto reduo
do tamanho da montagem final. A Figura 1 mostra um tpico chassi
metlico de rdio vlvulas, onde se observa que a interligao entre os
componentes era feita pela parte de baixo.
Figura 1: Nos circuitos vlvula, geralmente estas eram montadas
sobre um chassi de chapa metlica. A interligao entre os componentes
principias era feita pela parte de baixo do chassi
A maioria das publicaes sobre o assunto credita a inveno do
circuito impresso a um engenheiro austraco chamado Paul Eisler
(1907 - 1995) que em 1936, enquanto trabalhava na Inglaterra,
patenteou um mtodo de se corroer uma camada de cobre depositada
sobre uma superfcie isolante.Figura 2: Capa da biografia de Paul
Eisler, inventor do circuito impresso, e foto de um rdio construdo
por ele em 1946, utilizando circuito impresso semelhante aos
atuais.
Existe tambm registro de uma patente norte-americana de 1925, em
nome de Charles Ducas, que propunha depositar uma tinta condutiva
sobre um substrato isolante, que deu origem expresso Circuito
Impresso. No entanto, a primeira vez que os circuitos impressos
foram usados de uma forma mais ampla foi por volta de 1943, quando
foram empregados em equipamentos de rdio para uso militar, onde era
essencial que o circuito funcionasse em situaes extremamente
adversas. Aps a Segunda Guerra Mundial os circuitos impressos foram
usados em outras aplicaes e, com o advento dos transistores,
tornou-se a forma mais comum de construo de circuitos
transistorizados. Atualmente, placas de circuitos impressos (PCIs)
so amplamente empregados em todos os tipos de equipamentos
eletrnicos, principalmente quando se empregam em sua construo
circuitos integrados. O material inicialmente usado para a fabricao
de placas de circuito impresso (PCIs) foi uma chapa conhecida como
fenolite. Na verdade o nome fenolite era originalmente a marca
comercial de um fabricante de chapas isolantes, muito usada pelos
fabricantes de mquinas eltricas e transformadores. As chapas de
fenolite so feitas com a mistura de uma resina fenlica com
certaE.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO
IMPRESSO 1-1
quantidade de papel picado ou serragem de madeira (carga),
apresentando cor marrom claro ou escura, dependendo do tipo de
carga utilizada. A mistura moldada e prensada a quente na forma de
chapas, com diferentes espessuras. O principal problema das chapas
de fenolite para circuitos impressos decorre justamente do uso da
carga base de celulose, que a torna higroscpica. Ou seja, em um
ambiente mido as placas de fenolite absorvem certa quantidade de
gua, o que alm de prejudicar as suas caractersticas isolantes
frequentemente faz com que as placas empenem.Figura 3: Fotografia
ampliada de uma placa de circuito impresso (PCI) empregada em um
microcomputador.
Em resposta aos problemas apresentados pela fenolite, foram
desenvolvidas na dcada de 1960, como alternativa de melhor
qualidade, as placas conhecidas como fibra de vidro (FV). Na
verdade estas chapas so feita com resina epxi e apenas h
internamente uma fina manta de tecido de fibras de vidro. O uso da
resina epxi faz com que as placas de FV sejam totalmente inertes
gua mas, por outro lado, produz uma placa extremamente difcil de
ser cortada e furada. De fato, a dureza do epxi semelhante do
granito, fazendo com que sejam necessrias ferramentas especiais
para fazer o corte e a furao das placas de circuito impresso de FV.
As placas FV so tambm cerca de 30% mais caras do que as de
fenolite. Apesar disso, devido sua excelente capacidade isolante e
estabilidade dimensional, a grande maioria das placas de circuito
impresso de equipamentos eletrnicos so fabricas com placas de FV,
ficando a fenolite geralmente restrita a projetos de pouca
qualidade ou quando se utiliza uma tcnica mais artesanal na
fabricao. Segundo a norma NBR 8188/83, as chapas para circuito
impresso de fenolite so referenciadas como FR-2 e as de fibra de
vidro como FR-4. A sigla FR vem da expresso em ingls flame
resistant, ou seja, resistente ao fogo. Para aplicaes em freqncias
muito elevadas, tanto a fenolite como a FV podem apresentar
problemas de polarizao dieltrica. Como alternativa existem chapas
para circuito impresso onde o material isolante utilizado o
politetrafluoroetileno (PTFE), um material mais conhecido pelo nome
comercial de Teflon (Du Pont). So placas muito caras e geralmente
utilizadas em circuitos onde esto presentes freqncias de muitos
GHz. Outro material alternativo oE.L.M.Mehl - CONCEITOS
FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-2
polister, que permite fabricar circuitos impressos flexveis,
usados em alguns equipamentos portteis, como notebooks, agendas
eletrnicas e telefones celulares
Figura 4: Esquema de construo de MCPCB.
Um tipo de placa especial de circuito impresso que tem se
tornado relativamente comum nos ltimos anos conhecida como MCPCB
(metal clad printed circuit board). Este tipo construtivo consiste
de uma placa de alumnio com 2 mm a 3 mm de espessura, sobre a qual
depositada uma camada de material dieltrico (geralmente xido de
alumnio Al2O3, obtido por anodizao) e uma camada condutora de
cobre, conforme mostrado na Figura 4. Este tipo de placa indicado
quando se necessita uma boa dissipao de calor. Sua principal
aplicao na montagem de diodos emissores de luz (LED) de alta
potncia, encontrando tambm uso em conversores DC-DC e em sistemas
de injeo eletrnica de combustveis. Quanto ao material condutor das
PCIs, empregado o cobre. A escolha deste metal se deve sua
excelente condutividade eltrica, somente superada pela prata, alm
de suas caractersticas mecnicas que permitem a produo de folhas de
pequena espessura. O processo de deposio do cobre sobre as placas
isolantes inicia-se pela aplicao de uma tinta base de grafite. Em
seguida as placas so ligadas ao plo negativo de uma fonte de
corrente contnua e mergulhadas em uma soluo saturada com sais de
cobre, sendo tal soluo ligada ao plo negativo da fonte. Ocorre ento
um processo eletroqumico chamado galvanoplastia, obtendo-se a
deposio de uma fina camada de cobre metlico sobre a placa. Ao se
obter a espessura de cobre desejada, a placa retirada do processo
de galvanoplastia e passada por uma calandra metlica aquecida, que
fixa a camada de cobre placa e deixa-a com uma superfcie lisa e
uniforme. Geralmente as placas de circuito impresso usadas em
eletrnica so chamadas de cobre a uma ona; isto significa que a
camada de cobre existente em uma rea de um p quadrado (1 sq.ft. -
square foot) pesa uma ona (one once = 28,34 g). A tabela 1 mostra
as caractersticas usualmente encontradas nas placas de FV (FR-4)
disponveis para a indstria de PCI.Tabela 1: Caractersticas das
chapas tipo FR-4, disponveis para PCI. Espessura da camada de Cobre
Largura mnima das trilhas (*) Espessura da chapa isolante(*)
1/2 ona (espessura de 18m)
1 ona (espessura de 35m)
8 mils = 0,08 inch
12 mils = 0,12 inch
0,8mm, 1mm, 1,2mm, 1,6mm (tpico), 2mm e 2,4mm
A largura mnima da trilha depende do processo de fabricao
utilizado. Os valores citados so usuais nos prestadores de servio
de confeco de placas disponveis no Brasil.
Para aplicaes especiais, onde a corrente eltrica ser elevada,
existem placas com camadas mais espessas de cobre, chamadas de 3
onas e at mesmo 5 onas. Apesar de aparente muito pouco espessa, a
camada de cobre existente na face de uma placa de circuito impresso
possibilita a conduo de corrente eltrica em nveis elevados. A
Figura 5 mostra um baco existente na norma NBR 8188/89 que permite
calcular a largura da trilha de cobre, em funo da corrente a ser
transmitida pela trilha, da espessura de cobre existente na placa e
da temperatura mxima permitida.
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Espessura de cobre = 18 m
Espessura de cobre = 35 m
Figura 5: bacos existentes na NBR 8188/89, para dimensionamento
da corrente mxima que pode fluir nas trilhas de um circuito
impresso.
Quanto ao espaamento mnimo entre trilhas contguas, este uma funo
da tenso entre elas. O baco da Figura 6, extrado da NBR 8188/89,
possibilita verificar tal espaamento mnimo.
Figura 6: baco que permite estabelecer o espaamento entre duas
trilhas contguas, em funo da tenso verificada entre tais trilhas.
Fonte: NBR 8188/89.
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2. CIRCUITOS IMPRESSOS SMD
Apesar do amplo uso de circuitos impressos, at a dcada de 1970
muitos dos componentes eletrnicos continuaram a ser fabricados como
se no fossem destinados a serem usados nesse tipo de montagem.
Principalmente os capacitores e os resistores eram produzidos com
terminais longos, na forma de arames de cobre revestidos com
estanho. Aps a soldagem desses componentes na placa de circuito
impresso, era necessrio cortar o comprimento em excesso dos
terminais. A necessidade de orifcios para passam dos terminais
tambm representa uma etapa a mais no processo de fabricao do
circuito e faz crescer o seu custo final. Em face desses fatos, a
partir de 1975 comearam a surgir PCIs com uma nova classe de
componentes, chamados SMD (surface mount devices dispositivos para
montagem em superfcie). Na montagem de placas com SMDs, geralmente
so usadas mquinas automticas conhecidas como Pick & Place. Os
componentes so fornecidos pelos fabricantes afixados em rolos. Um
sistema robotizado coloca os componentes de forma muito precisa nos
pontos corretos na placa, aplicando a eles uma pequena gota de
cola. Nos circuitos de maior complexidade, os SMDs podem ser
aplicados em ambas as faces da placa. Aps a colagem dos componentes
na placa, segue-se um processo de soldagem feito pela rpida imerso
da placa em um banho da liga de solda em estado de fuso. Ou seja,
todos os componentes de tecnologia SMD so soldados nesse processo
e, posteriormente, componentes de maiores dimenses so soldados com
tcnicas tradicionais.
Figura 7: Placas de circuito impresso com componentes
tradicionais e com SMD.E.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE
PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-5
3. LAYERS
A tcnica de projeto de circuitos impressos evoluiu
consideravelmente nos ltimos anos e os circuitos atingiram um
elevado grau de complexidade. Como resultado das pequenas dimenses
dos SMDs, surgiu a necessidade de se projetar placas com trilhas em
camadas intermedirias, alm das trilhas normalmente existentes nas
faces superior e inferior da placa. Algumas placas chegam a ter
trilhas em 16 camadas, chamadas de layers. Por exemplo, um circuito
com 4 layers significa que a placa de circuito impresso possui
trilhas nas faces superior e inferior e tambm duas camadas metlicas
intermedirias, onde igualmente existem trilhas gravadas. Geralmente
os layers intermedirios so usados para a alimentao eltrica dos
componentes; outros projetos usam layers intermedirios ligados ao
terra do circuito, para controle da emisso de rudo eletromagntico,
funcionando nesse caso como plano de terra. As trilhas existentes
nas diferentes camadas so interligadas atravs de orifcios cuja
superfcie interna recebe um revestimento metlico, atravs de um
processo eletroqumico. Estes orifcios metalizados so chamados de
vias. Nos projetos que empregam exclusivamente SMDs, as vias servem
unicamente como meio de interligao entre layers; se forem usados
componentes tradicionais com terminais na forma de fios, os
orifcios de vias podem ser usados tambm para a fixao e soldagem
desses terminais.Figura 8: Esquema representando uma placa de
circuito impresso (PCI) com 16 layers. Observar que existem vias
que interligam as faces externas bem como vias que apenas
interligam layers intermedirios.
E VIAS
4. PADRONIZAO DAS DIMENSES DOS COMPONENTES ELETRNICOS
Com a evoluo dos circuitos eletrnicos e a necessidade de automao
no processo de montagem de placas de circuito impresso, tornou-se
mandatrio padronizar os componentes eletrnicos. Em projetos de PCI
a unidade de medida empregada a polegada (inch), equivalente a 2,54
cm. Geralmente os componentes eletrnicos tm suas dimenses
estabelecidas em mil, que significa um milsimo de polegada. Para se
ter uma idia da grandeza dessa unidade, padronizou-se que a
distncia entre dois pinos laterais de qualquer circuito integrado,
no encapsulamento conhecido como dual in line (DIP) de 0,1 inch, ou
100 mils.Figura 9: A distncia padronizada entre os pinos contguos
de um circuito integrado DIL de 0,1 inch ou 100 mils.
E.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO
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A distncia entre as duas fileiras de pinos de um circuito
integrado DIL varia um pouco. Os CIs com poucos pinos (exemplos:
555 com 8 pinos, 74LS00 com 14 pinos, 74LS373 com 20 pinos)
apresentam a distncia de 0,3 inch ou 300 mils entre as fileiras. J
chips com maior nmero de pinos (exemplos: memrias EPROM 27C64 com
28 pinos, RAM 62256 com 28 pinos, microprocessadores Z80 e 80C31
com 40 pinos) apresentam largura de 0,6 inch ou 600 mils.
Figura 10: Exemplo de dimenses de um circuito integrado com
encapsulamento DIL16, padro 300 mils.
Figura 11: Exemplo de dimenses de um circuito integrado com
encapsulamento DIL40, padro 600 mils.
Deixando de lado placas com SMDs, os resistores mais comuns em
PCI so os de 1/8 W. Na montagem, seus terminais so dobrados e o
excesso do comprimento dos terminais cortado. Em montagens
caseiras, os terminais so dobrados mo ou com a ajuda de um alicate
de bico, o componente soldado placa e somente depois que o excesso
do comprimento dos terminais cortado. Em montagens industriais o
componente dobrado e o excesso cortado por uma mquina que possui um
padro de distncia esperado entre os pontos de solda. Essa distncia
padronizada em 300 mils (0,3 inch) para resistores de 1/8 W, porm
se a montagem for feita manualmente conveniente usar um espaamento
de 400 mils (0,4 inch) ou mesmo 500 mils (0,5 inch), o que
facilitar a soldagem do resistor.E.L.M.Mehl - CONCEITOS
FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-7
Quanto a capacitores, existem em vrios tipos e numa gama ampla
de dimenses. Os modelos mais comuns so conhecidos pelo tipo de
dieltrico utilizado, cermico ou polister. Capacitores cermicos
geralmente apresentam pequenas capacitncias, na ordem de pF. Estes
capacitores tm, em geral, uma distncia de 200 mils ou 0,2 inch
entre os terminais. Capacitores de polister so produzidos com
valores mdios de capacitncia, da ordem de nF e possuem distncia
usual entre de 200 mils (0,2 inch) ou 300 mils (0,3 inch) entre os
terminais. Capacitores eletrolticos so produzidos com valores
grandes de capacitncias, acima de 1 F at alguns mF. Estes
componentes so polarizados e se apresentam em uma gama muito grande
de dimenses e distncia entre os terminais. Existem capacitores
eletrolticos chamados axiais, que se destinam a serem montados
deitados na PCI; outros, onde ambos os terminais esto no mesmo
lado, so chamados radiais e destinam-se a ser montados em p na
PCI.
Figura 12: Capacitor Eletroltico com terminais axiais.
Figura 13: Capacitor Eletroltico com montagem unilateral,
terminais radiais ou paralelos
5. PROJETO DE CIRCUITOS IMPRESSOSDurante muitos anos o projeto
de PCI era feito manualmente, em um trabalho que envolvia muita
pacincia e requeria uma excelente noo de espao tridimensional do
projetista. Geralmente o trabalho iniciava-se fazendo a distribuio
dos componentes em um desenho com as dimenses da placa desejada. Em
seguida, usando lpis e borracha, o projetista comeava a tentar
estabelecer o melhor caminho para as trilhas, usando como base um
papel onde estava traado um gradeado (ou grid) de 0,1 inch. Como
esta a unidade padronizada para a distncia entre os terminais dos
componentes eletrnicos, tornava-se conveniente j colocar os
componentes em um grid com essa dimenso. A Figura 14 mostra alguns
componentes eletrnicos desenhados em um papel com um grid de 0,1
inch x 0,1 inch.
Figura 14: A utilizao de um grid de 0,1 inch x 0,1 inch facilita
o desenho da PCI, pois os componentes eletrnicos usam esta dimenso
como base.
Com o aumento da complexidade dos circuitos eletrnicos, o
projeto manual de PCI tornou-se cada vez mais um trabalho de esforo
extremo e sujeito a erros. O primeiro software para auxlio nessa
tarefa que teve grande aceitao pelos projetistas foi o TANGO,
mostrado nas Figuras 15 e 16 em sua verso para DOS.
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Figuras 15 e 16: Aspecto do TANGO, verso DOS de um software que
teve grande aceitao entre os projetistas de PCI.
Apesar do TANGO em sua verso DOS estar tecnicamente superado em
favor de diversos outros programas surgidos posteriormente,
interessante observar que grande parte dos conceitos embutidos
nesse programa se constitui em padres ainda seguidos atualmente.
Por exemplo, o TANGO introduziu a idia de se usar bibliotecas
(Libraries), que nada mais so do que um conjunto de desenhos
pr-definidos de alguns componentes. A vantagem desse enfoque que,
com a evoluo da eletrnica, o software pode facilmente ser adaptado,
acrescentando-se novas bibliotecas medida que novos componentes so
lanados. Esta caracterstica acaba sendo algo extremamente
importante sob o ponto de vista econmico, pois as ferramentas de
software para projeto de PCI tem custo de licena elevados. Tambm o
TANGO foi responsvel pela introduo das primeiras ferramentas de
roteamento automtico; ou seja, os programas traam as trilhas da PCI
para o usurio, usando algoritmos de tentativa e erro. Mesmo sendo
evidente que as ferramentas de software especializadas em projeto
de PCI vieram a facilitar o trabalho dos projetistas, algumas
tarefas tradicionais continuam sendo necessrias: Definir as
dimenses da PCI, bem como restries que possam existir em alguns
locais especficos da placa. Por exemplo, podem ser necessrios
orifcios para fixar componentes, ou ser necessrio ter um conector
numa posio determinada para ligar um cabo ou outra placa. Verificar
as dimenses dos componentes eletrnicos que sero utilizados. No caso
de circuitos integrados e transistores as dimenses so padronizadas
e geralmente podem-se tomar como base os desenhos existentes nos
data sheets. No entanto as dimenses de capacitores, indutores,
chaves, displays e outros tipos de componentes necessitam ser
verificadas, pois variam entre diferentes fabricantes. Muitas vezes
conveniente ter amostras dos componentes em mos e medir as
distncias entre os terminais com um paqumetro. Verificar condies
especiais do circuito, tais como tenses ou correntes muito altas,
que vo requerer cuidados no espaamento entre trilhas ou trilhas de
largura maior que o usual. Sempre que possvel, consultar o
fabricante ou potenciais fabricantes da futura PCI, quanto a
restries de largura mnima de trilhas, espaamento entre trilhas,
dimetros de furos e outros detalhes construtivos. Por exemplo,
supondo-se que se solicita ao fabricante um furo com certo dimetro
fora do comum, isso pode representar um custo a mais para a
fabricao da placa. O conjunto desses dados o que se chama de regras
de projeto (design rules), necessrios para se obter um resultado
conforme esperado.
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