As 5 Principais Regras de Design de PCB que Você Precisa Conhecer

#2 - Ajustando a Colocação dos Seus Componentes

A etapa de colocação de componentes no processo de design do layout da sua PCB é tanto uma arte quanto uma ciência, exigindo uma consideração estratégica do espaço nobre disponível na sua placa. O objetivo na colocação de componentes é criar uma placa que possa ser facilmente roteada, idealmente com o mínimo de transições de camadas possível. Além disso, o design deve cumprir com as regras de design e satisfazer as colocações de componentes essenciais. Esses pontos podem ser difíceis de equilibrar, mas um processo simples pode ajudar o projetista da placa a colocar componentes que atendam a esses requisitos:

1. Coloque os componentes essenciais primeiro. Muitas vezes, há componentes que devem ser colocados em locais específicos, às vezes devido a restrições do invólucro mecânico ou devido ao seu tamanho. É melhor colocar esses componentes primeiro e fixar sua posição antes de prosseguir para o restante do layout.
2. Coloque grandes processadores e ICs.Componentes como CI de alta contagem de pinos ou processadores geralmente precisam fazer conexões com múltiplos componentes no design. Localizar esses componentes centralmente facilita o roteamento de trilhas no layout da PCB.
3. Tente evitar cruzamento de redes. Quando os componentes são colocados no layout da PCB, as redes não roteadas normalmente são visíveis. É melhor tentar minimizar o número de cruzamentos de redes. Cada interseção de rede exigirá uma transição de camada através de vias. Se você puder eliminar cruzamentos de redes com um posicionamento criativo dos componentes, será mais fácil implementar as melhores diretrizes de roteamento para um layout de PCB.
4. Regras de design de placas PCB SMD. É recomendado colocar todos os componentes de dispositivo de montagem em superfície (SMD) no mesmo lado da placa. A principal razão para isso surge durante a montagem; cada lado da placa exigirá sua própria passagem pela linha de soldagem SMD, então colocar todos os SMDs em um lado ajudará a evitar alguns custos extras de montagem.
5. Experimente com a orientação. Está tudo bem em rotacionar componentes para tentar eliminar interseções de redes. Tente orientar os pads conectados de modo que eles se enfrentem, pois isso pode ajudar a simplificar o roteamento.

Se você seguir os pontos #1 e #2, será muito mais fácil organizar o restante da sua placa sem muita sobreposição entre as rotas. Além disso, sua placa terá aquela aparência e sensação modernas no layout, onde um processador central fornece dados para todos os outros componentes ao redor do perímetro da placa.

#3 - Posicionando Suas Trilhas de Alimentação, Terra e Sinal

Com os componentes posicionados, agora é hora de traçar as trilhas de alimentação, terra e sinal para garantir que os sinais tenham um caminho limpo e livre de problemas para viajar. Aqui estão algumas diretrizes a ter em mente para esta etapa do seu processo de layout:

Onde Posicionar Planos de Alimentação e Terra

Geralmente, é o caso de que a alimentação e o terra são colocados em duas camadas internas. Para uma placa de 2 camadas, isso pode não ser tão fácil, então você iria querer colocar um grande plano de terra em uma camada e, em seguida, rotear sinais e trilhas de alimentação na outra camada. Com empilhamentos de placas de circuito de 4 camadas e contagens de camadas maiores, você deve usar planos de terra em vez de tentar rotear trilhas de terra. Para componentes que precisam de conexões diretas de alimentação, é recomendado usar trilhos comuns para cada fornecimento se um plano de alimentação não for usado; certifique-se de ter trilhas largas o suficiente (100 mils está bom para 5 a 10 A) e não faça cadeia em série das linhas de alimentação de parte para parte.

Algumas recomendações afirmam que a colocação da camada do plano deve ser simétrica, mas isso não é estritamente necessário para a fabricação. Em placas grandes, isso pode ser necessário para reduzir as chances de empenamento, mas isso não é uma preocupação em placas menores. Foque no acesso à alimentação e ao terra, bem como garantir que todas as trilhas tenham uma forte acoplamento de retorno ao plano de terra mais próximo primeiro, depois se preocupe com a simetria perfeita no empilhamento do design da PCB.

Guia de Roteamento para Layouts de PCB

Em seguida, conecte suas trilhas de sinal para corresponder às redes no seu esquemático. As melhores práticas de layout de PCB recomendam que você sempre coloque trilhas curtas e diretas entre os componentes quando possível, embora isso nem sempre seja prático em placas maiores. Se o posicionamento dos seus componentes forçar o roteamento de trilhas horizontalmente em um lado da placa, então sempre faça o roteamento de trilhas verticalmente no lado oposto. Esta é uma das muitas regras importantes de design de placas PCB de 2 camadas.

As regras de design de placa de circuito impresso e as diretrizes de layout de PCB tornam-se mais complexas à medida que o número de camadas no seu empilhamento aumenta. Sua estratégia de roteamento exigirá trilhas horizontais e verticais alternadas em camadas alternadas, a menos que você separe cada camada de sinal com um plano de referência. Em placas muito complexas para aplicações especializadas, muitas das práticas recomendadas de PCB comumente divulgadas podem não se aplicar mais, e você precisará seguir diretrizes de design de placas PCB que são particulares à sua aplicação.

• Leia mais sobre algumas práticas recomendadas básicas de roteamento de PCB.

Definindo Larguras de Trilhas

Os designs de layout de PCB usam trilhas para conectar componentes, mas quão largas essas trilhas devem ser? A largura de trilha necessária para diferentes redes depende de três possíveis fatores:

1. Fabricabilidade.As trilhas não podem ser muito finas, caso contrário, não poderão ser fabricadas de maneira confiável. Na maioria dos casos, você trabalhará com larguras de trilha muito maiores do que o valor mínimo que seu fabricante pode produzir.
2. Corrente. A corrente transportada em uma trilha determinará a largura mínima necessária para evitar o superaquecimento da trilha. Quando a corrente é maior, a trilha precisa ser mais larga.
3. Impedância. Sinais digitais de alta velocidade ou sinais de RF precisarão ter uma largura de trilha específica para atingir um valor de impedância requerido. Isso não se aplica a todos os sinais ou redes, então você não precisa impor controle de impedância em todas as redes no design de sua placa.

Para trilhas que não precisam de impedância específica ou alta corrente, uma largura de trilha de 10 mil é adequada para a grande maioria dos sinais analógicos e digitais de baixa corrente. Trilhas de circuito impresso que transportam mais de 0,3 A podem precisar ser mais largas. Para verificar isso, você pode usar o nomograma IPC-2152 para determinar a largura da trilha do design da sua PCB para uma capacidade de corrente requerida e limite de aumento de temperatura.

Conexões de Alívio Térmico para Planos em Componentes Through-Hole

O plano de terra pode atuar como um grande dissipador de calor que, então, transporta o calor uniformemente por toda a placa. Portanto, se uma via específica estiver conectada a um plano de terra, omitir os pads de alívio térmico nessa via permitirá que o calor seja conduzido para o plano de terra. Isso é preferível a manter o calor preso perto da superfície. No entanto, isso pode criar um problema se componentes through-hole forem montados na placa usando soldagem por onda, pois é necessário manter o calor preso perto da superfície.

Alívios térmicos são uma característica de design de layout de PCB que pode ser necessária para garantir que uma placa será fabricável em um processo de soldagem por onda, ou em outras palavras, para componentes through-hole conectados diretamente a planos. Como pode ser difícil manter as temperaturas do processo quando um through-hole é um ponto de solda diretamente a um plano, é recomendado que se usem alívios térmicos para garantir que a temperatura de soldagem possa ser mantida. A ideia por trás do alívio térmico é simples: ele retarda a taxa na qual o calor é dissipado no plano durante a soldagem, o que ajudará a prevenir juntas frias.

Alguns designers dirão para você usar um padrão de alívio térmico para qualquer via ou furo que esteja conectado a um plano interno de terra ou de alimentação, mesmo que seja apenas um pequeno polígono. Este conselho é frequentemente generalizado demais. A necessidade de uma via térmica em qualquer componente through-hole dependerá do tamanho do plano de cobre ou polígono que fará uma conexão na camada interna, e isso é algo que você deve solicitar que seu fabricante revise antes de colocar sua placa em produção.

E sobre os Térmicos em Preenchimentos de Cobre?

As pads de componentes through-hole em preenchimentos de cobre podem requerer a mesma aplicação de pad térmico que os planos. Quando o preenchimento é muito grande, começa a parecer muito com um plano, e assim um pad térmico deve ser naturalmente aplicado se um pino through-hole for soldado nessa conexão.

Para peças SMD, isso nem sempre é o caso. Se o térmico é aplicado à região do preenchimento depende de como a PCB será montada. Um processo de soldagem por refusão aquecerá a placa uniformemente à medida que o dispositivo passa pelo forno de refusão, então o potencial para tombstoning é muito menor para esses pads SMD, independentemente da presença de uma conexão térmica.

Se o design for montado manualmente, como com pasta de solda e um soprador térmico, então o layout da PCB pode precisar de térmicas para reter calor suficiente próximo ao pad e evitar o tombstoning. Ao soldar manualmente, pode ser difícil manter um aquecimento consistente nos terminais dos componentes, e uma conexão térmica pode ajudar a prevenir um defeito de tombstoning.

Conexão térmica em um polígono no Altium Designer.

Por padrão, o Altium Designer manterá conexões térmicas em polígonos quando você criar um novo projeto. Isso é configurado usando a regra Polygon Connect no editor de regras de design de PCB. Você pode alterar essa configuração para aplicar com base em footprints específicos, camadas, classes de componentes, redes/classes de redes, ou quaisquer outras condições usando a linguagem de consulta no Altium Designer.

#4 - Mantendo as Coisas Separadas

Existem algumas diretrizes de roteamento para regras de design de PCB sobre como agrupar e separar componentes e trilhas para que você garanta um roteamento fácil enquanto previne interferência elétrica. Essas diretrizes de agrupamento também podem ajudar com o gerenciamento térmico, pois você pode precisar separar componentes de alta potência.

Agrupando Componentes

Alguns componentes são melhor posicionados no design do layout da PCB agrupando-os em uma área. O motivo é que eles podem fazer parte de um circuito e podem se conectar apenas entre si, então não haveria necessidade de colocar os componentes em lados ou áreas diferentes da placa. O layout da PCB torna-se então um exercício de projetar e dispor grupos individuais de circuitos de forma que eles possam ser facilmente conectados entre si com trilhas.

Em muitos layouts, você terá alguns componentes analógicos e alguns digitais, e você deve evitar que os componentes digitais interfiram nos componentes analógicos. A maneira como isso era feito décadas atrás era dividir os planos de terra e de alimentação em diferentes regiões, mas isso não é uma escolha de design válida em designs modernos de placas. Infelizmente, isso ainda é comunicado em muitas diretrizes de layout de placas e leva a muitas práticas ruins de roteamento que criam EMI.

• Leia mais sobre a definição de terra no design do layout da sua PCB.

Em vez disso, use uma camada de terra completa abaixo dos seus componentes e não divida fisicamente a camada de terra em seções. Mantenha os componentes analógicos com outros componentes analógicos que operam na mesma frequência. Da mesma forma, mantenha os componentes digitais com outros componentes digitais. Você pode visualizar isso como tendo cada tipo de componente ocupando uma região diferente acima da camada de terra no design do layout da PCB, mas a camada de terra deve permanecer uniforme na maioria dos designs de placas.

Separando Componentes de Alta Potência

Também é apropriado separar componentes que dissiparão muito calor na placa em áreas diferentes. A ideia por trás da separação desses componentes de alta potência é equalizar a temperatura ao redor do layout da PCB, em vez de criar grandes pontos quentes no layout onde componentes de alta temperatura estão agrupados. Isso pode ser alcançado primeiramente encontrando as “resistências térmicas” nos datasheets dos seus componentes e calculando o aumento da temperatura a partir da dissipação de calor estimada. Dissipadores de calor e ventiladores de refrigeração podem ser adicionados para manter as temperaturas dos componentes baixas. Você pode ter que equilibrar cuidadosamente a colocação desses componentes com a manutenção de comprimentos de trilhas curtos à medida que elabora uma estratégia de roteamento, o que pode ser desafiador.

#5 - Completando o Design e Layout da Sua Placa de Circuito Impresso

É fácil se sentir sobrecarregado no final do seu projeto de design, enquanto você se esforça para encaixar as peças restantes para a fabricação. Verificar duas ou três vezes o seu trabalho em busca de erros nesta fase pode significar a diferença entre um sucesso ou falha na fabricação.

Para ajudar com esse processo de controle de qualidade, é sempre recomendado começar com a sua Verificação de Regras Elétricas (ERC) e Verificação de Regras de Design (DRC) para verificar se você atendeu todas as suas restrições estabelecidas. Com esses dois sistemas, você pode facilmente definir larguras de lacunas, larguras de trilhas, restrições comuns de fabricação, requisitos elétricos de alta velocidade e outros requisitos físicos para a sua aplicação específica. Isso automatiza um processo de revisão para validar o layout da sua PCB.

Observe que muitos processos de design afirmam que você deve executar verificações de regras de design no final da fase de design da placa, enquanto se prepara para a fabricação. Se você usar o software de design correto, pode executar verificações ao longo do processo de design, o que permite identificar potenciais problemas de design cedo e corrigi-los rapidamente. Quando seu ERC e DRC finais produzirem resultados sem erros, é recomendado então verificar o roteamento de cada sinal e confirmar que você não perdeu nada, percorrendo seu esquemático um fio de cada vez.

Aí está - nossas principais diretrizes de layout de PCB que se aplicam à maioria dos designs de placas de circuito! Embora a lista de recomendações seja curta, esta diretriz pode ajudá-lo a caminhar bem em direção ao design de uma placa funcional e fabricável em pouco tempo. Estas diretrizes de design de placa de PCB apenas arranham a superfície, mas formam uma base para construir e solidificar uma prática de melhoria contínua em todas as suas práticas de design.

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Experiência de Interface Moderna

“Eu não tinha sido exposto a muitas capacidades de design de PCB em 3D no passado. Como um usuário relativamente novo do ALTIUM, tenho que dizer que projetar PCBs flexíveis e rígidos em 3D usando o Altium é muito mais fácil do que eu pensava que seria. Trocar arquivos de layout de PCB em 3D com meus colegas de mecânica para revisão nunca foi tão fácil!”

Kelly Dack, CID+ CIT
Designer de PCB / Instrutor IPC

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