(Parte 1 de 2)

MANUAL DIGIPLAQ GUIA DE ESTILO PARA ROTEAMENTO E LAYOUT PARTE 1: CONCEITOS BÁSICOS

A diferença entre ciência e arte, é que na ciência existem regras mais ou menos exatas; enquanto a arte caracteriza-se por uma obra difícil ou mesmo impossível de se descrever como um mero conjunto de regras que conduzam ao resultado final.

Projetar um circuito impresso de qualidade é um misto de ciência e arte. Há regras, mas elas servem mais como uma orientação geral do que como uma fórmula pronta -- até porque não há uma fórmula geral para se desenhar um bom layout.

Mesmo as regras existentes eventualmente são contraditórias ou mutuamente excludentes, levando o projetista a ter que decidir qual a regra a ser priorizada em seu caso particular, o que enfatiza ainda mais o sentido artístico do trabalho.

Vamos ver algumas destas regras, e o caso em que cada uma delas se aplica, bem como as vantagens de cada uma. A partir desta orientação, o projetista iniciante poderá aprender a desenvolver a sensibilidade de saber qual o estilo mais adequado em cada caso.

As regras vistas aqui são apenas uma introdução básica às necessidades de um bom layout. Na verdade este assunto é muito mais complexo, especialmente em placas destinadas a uso em condições críticas, como freqüências muito elevadas, combinações de altas impedâncias e sinais de pequena amplitude, tensões elevadas, etc.

Este desenho é o layout hipotético de uma pequena placa de circuito impresso, para montagem mista (componentes convencionais e SMDs), com seus elementos principais assinalados. Vamos examiná-los:

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par…

http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 1/10 assinalados. Vamos examiná-los:

(A) - ilhas (com furo): em vários tamanhos, para a inserção dos terminais de componentes convencionais, fios, conectores e terminais, etc. (B) - ilhas cegas (sem furo), ou pastilhas: para a montagem de componentes SMD, para pontos de teste, ou para a soldagem de fios de ligação, provisórios ou definitivos. (C) - trilhas, ou pistas: fazem a interligação entre as ilhas. (D) - conector "edge board": um conector que utiliza o próprio circuito impresso. Neste exemplo, o conector tem apenas cinco vias de conexão. Conectores típicos normalmente têm muito mais vias, podendo chegar a centenas. (E) - furos de montagem: recebem parafusos, pinos ou rebites de fixação e montagem mecânica. Podem servir tanto para a instalação da placa em seu lugar, como para a sustentação de componentes grandes e/ou pesados. (F) - marcas de alinhamento: servem para alinhar entre si as várias camadas do desenho, quando é o caso. Normalmente há pelo menos duas destas marcas, dispostas em extremos diagonalmente opostos do desenho, e fora da área útil da placa. (G) - marcas de corte: orientam a posição exata do corte da placa, durante a fabricação. Neste exemplo, além das marcas nos quatro cantos, há as marcas correspondentes ao recorte do conector (D).

Nas placas de dupla face com furos metalizados, as paredes dos furos recebem uma camada de metalização, que consiste na eletrodeposição de cobre nas paredes dos furos, interligando as ilhas da face superior com as da face inferior.

No desenho ao lado, está a vista em corte de um furo metalizado. Em castanho, o cobre que forma as ilhas superior e inferior, e a metalização da parede do furo, interligando as ilhas.

Este outro desenho esquematiza como é feita a montagem de componentes convencionais e SMDs. Os primeiros também são chamados de through hole, por serem instalados com seus terminais inseridos em furos de montagem. Os SMDs (de Surface Mount Devices ou dispositivos para montagem em superfície) são soldados a ilhas cegas (sem furo). Em placas montadas automaticamente, os SMDs são colados no lugar, antes de receberem solda.

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 2/10

Em um bom layout as trilhas devem ser homogêneas, todas da mesma espessura. Embora possam haver casos em que trilhas condutoras de corrente mais elevada precisem ser mais espessas, não devemos variar demais as espessuras, quando não houver necessidade.

Exemplo de um layout inadequado: mistura de trilhas de várias espessuras, em uma mesma seção de circuito, resultando em um mau aspecto estético final.

As vantagens de se usar todas as trilhas da mesma espessura são uma melhor estética, e inspeção visual facilitada.

As ilhas devem ter tamanho compatível com os furos e as trilhas. Vantagens: estética; melhora a qualidade da soldagem; dificulta a ruptura da trilha junto à ilha, ou ruptura da própria ilha.

Nesta figura, todos os furos são do mesmo diâmetro. Em A, uma ilha pequena demais para o furo. A ilha fica frágil, podendo romper-se durante operações de soldagem, dessoldagem, retirada e reinserção do terminal. A trilha é quase da mesma largura da ilha, o que causa escorrimento da solda.

Em B, uma ilha grande demais para o furo, associada a uma trilha muito fina. Será preciso usar mais calor durante a soldagem, o que aumenta risco de dano ao componente. Calor e esforços mecânicos podem romper a trilha, junto à ilha.

Em C, ilha e trilha de proporções adequadas.

A largura das trilhas depende da corrente a ser conduzida. O tipo mais comum de placa de circuito impresso é produzido com uma folha de cobre de 35 micra (0,035mm) de espessura (W), com tolerância de 5 micra para mais ou para

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par…

http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 3/10

menos. Logo, a área da seção transversal (S) de uma trilha de 1mm de largura (L) será de 0,035mm² nominal, ou 0,03mm² no mínimo.

Assumindo uma densidade de corrente de 4A/mm², a capacidade nominal da trilha será de 140mA, e a capacidade mínima será de 120mA. Para aumentar a margem de segurança, podemos usar como base de cálculo o valor de 100mA por milímetro de largura.

A trilha estreita, de 1mm de largura, conduz até 100mA (0,1A) com segurança.

Uma trilha larga pode conduzir 3,5A (3500mA). Esta trilha precisaria medir 35mm de largura.

A capacidade de corrente pode ser consideravelmente aumentada, pela aplicação de uma camada espessa de solda sobre a trilha. Esta técnica é comum em placas de auto-rádios onde, no estágio de saída, é preciso confinar elevadas correntes em pouco espaço. Nestas placas, o reforço de solda se forma por um recorte previsto na máscara de solda, que deixa a trilha ficar exposta durante a soldagem por ondas.

A foto abaixo é do estágio de saída de um auto rádio e toca-fitas Toshiba TX-204. Percebe-se as pistas reforçadas, dispostas na horizontal.

TENSÃO DE TRABALHO Na maioria das placas, as trilhas funcionam sob baixa tensão. Em placas

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 4/10 operando a tensões mais altas, como no circuito primário de fontes de alimentação ligadas à rede, circuitos associados a tubos de raios catódicos, etc., o espaçamento das ilhas e trilhas deve ser considerado. A distância exata depende do material usado: a fibra de vidro permite melhor isolação do que o fenolite. Em algumas placas, um rasgo é fresado ao longo do espeço entre as trilhas, melhorando a capacidade de isolamento.

Trilhas submetidas a apenas 12V podem situar-se bem próximas.

Estas trilhas, apresentando diferença de potencial de 350VAC, precisam de maior espaçamento.

A resistência do cobre eletrolítico, usado em circuitos impressos, é de cerca de 0,018 ohms/mm²/m. Uma trilha com 0,5mm de largura e 0,035mm de espessura terá, portanto, cerca de 1,02 ohms por metro de comprimento.

Trilhas muito finas e longas podem representar uma resistência ôhmica não desprezível, o que na grande maioria dos casos não causa problemas, mas pode afetar o funcionamento de circuitos com necessidades especiais.

Por exemplo, em placas de computadores é comum o emprego de trilhas finíssimas, seguindo percursos longos devido ao tamanho da placa, num circuito que combina tensões críticas e

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 5/10 elevadas correntes de alimentação. Os projetos destas placas sempre precisam levar em consideração a resistência das trilhas.

As ilhas que suportem componentes pesados devem ser maiores, para evitar o rompimento devido ao esforço. Veja este layout parcial de um estágio com um transistor 2N 3055, em encapsulamento TO-3. As ilhas são desproporcionalmente grandes, em relação ao diâmetro dos furos e à largura da trilha ligando o resistor R203 à base (B) do transistor 2N3055. O aparente exagero assegura melhor resistência mecânica.

Já a trilha ligada ao emissor (E) precisou desobedecer à regra de proporcionalidade com o tamanho da ilha, por causa da elevada corrente que irá conduzir.

As três ilhas que recebem os parafusos de montagem dos dois transistores são propositalmente grandes em relação aos furos, para suportar o esforço de aperto dos parafusos. Além de servir para fazer contato elétrico, as ilhas funcionam como se fossem arruelas coladas à placa, melhorando a rigidez.

Estudando mais a fundo as dimensões das ilhas e trilhas, chegamos ao conceito de densidade. Podemos descrevê-lo como a quantidade de trihas e ilhas por unidade de área. Uma maior densidade traduz-se por elementos menores e mais próximos entre si.

A densidade deve ser escolhida de acordo com o processo de fabricação, o tipo de placa (fenolite, fibra de vidro), o processo de soldagem, e outros fatores. Por exemplo, se um layout se destina à produção de um protótipo por traçagem manual, a densidade deve ser mais baixa, mantendo a dimensão dos traços compatível com a espessura e espaçamento mínimos que se pode obter no traço a caneta. Já em placas onde se necessita de uma montagem extremamente compacta, e quando se pode lançar mão de processos de impressão e corrosão mais controlados e precisos, a densidade pode ser maior.

A densidade é classificada por nomenclaturas que variam de um fabricante para outro. Apenas como exemplo, a figura seguinte exibe três níveis de densidade, que classificamos como D-1, D-2 e D-3. A referência para comparação é um circuito integrado DIL típico, com espaçamento de 1/10" (2,54mm) entre pinos, e de 3/10" (7,62mm) entre fileiras.

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 6/10

Repare que na densidade D-3, a trilha interligando os pinos 9 e 10 do circuito integrado (canto superior esquerdo) está descentralizada. Isto é preferível em ilhas oblongas, sempre que a densidade elevada causa a diminuição da largura da auréola (borda da ilha). Voltaremos a este assunto na Parte 3.

As densidades D-1, D-2 e D-3 podem orientar qual a densidade máxima que podemos obter em placas fabricadas por traçagem manual, por silk-screen e por processo fotográfico, respectivamente.

A tabela a seguir resume a densidade permissível das trilhas, conforme visto na figura anterior, sempre tomando como referência o circuito integrado DIL padrão:

DensidadeTrilhas paralelas entre as fileiras de pinos

Trilhas entre pinos adjacentes

D-1Até duasNenhuma D-2Até quatroAté uma D-3Até cincoAté duas

Podemos ser mais específicos, padronizando as medidas mínimas admissíveis para as ilhas e trilhas. As medidas principais destes elementos estão indicadas no desenho a seguir:

LT - Menor espessura admissível de uma trilha

LA - Menor espessura admissível de uma auréola (borda da ilha) ST - Menor espaçamento admissível entre trilhas adjacentes

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 7/10

SA - Menor espaçamento admissível entre ilhas adjacentes SB - Menor espaçamento admissível entre trilha e ilha

Uma das nomenclaturas usadas na indústria para indicar as densidades é o sistema de Classes A, B e C, que normatiza as dimensões dos elementos exibidos no desenho anterior, de acordo com a tabela a seguir. Repare que as Classes A, B e C são, a princípio, similares às densidades que classificamos anteriormente como D1, D2 e D3, mas as reduzidas dimensões das trilhas e auréolas, principalmente na Classe C, exigem um processo muito preciso de gravação e corrosão.

Densidade Aplicação

Trilhas entre pinos(1)

Menor espessura(2)

Menor espaçamento(3)

Classe A

Circuitos impressos de face simples, tipicamente em fontes de alimentação e circuitos eletrônicos de potência.

Classe B

Circuitos impressos de face simples, dupla face, ou multicamadas, onde a densidade da placa seja média.

Classe C

Utilizado principalmente em circuitos impressos de dupla face e multicamadas, onde a densidade da placa seja alta, e/ou em placas com componentes SMD, cuja distância entre terminais exija este tipo de traçado.

(1) Trilhas que podem ser acomodadas entre dois pinos adjacentes de um circuito integrado DIL padrão. (2) Menor espessura admissível de LT ou LA. (3) Menor espaçamento admissível de ST, SA ou SB.

As primeiras placas de circuito impresso eram fabricadas em densidades tão baixas, que os circuitos integrados eram produzidos com pinos espaçados, para permitir pontos de solda maiores e ilhas mais afastadas. A foto a seguir mostra três circuitos integrados Philco para TV em cores, da década de 1970. Embora tenham as mesmas medidas de um encapsulamento DIL padrão, os pinos são dispostos em ziguezague, para formar um padrão de ilhas mais afastado que nos CIs DIL atuais.

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 8/10

A máscara de solda é uma camada de verniz resistente à solda, chamado de solder resist, que serve para delimitar as áreas cobreadas que vão ser expostas à soldagem. As trilhas ficam cobertas pelo verniz, impedindo que a solda possa aderir a elas.

A máscara de solda impede que respingos, imperfeições ou erros humanos causem a formação de "pontes" de solda entre trilhas, interligando-as indevidamente. É especialmente útil em placas de alta densidade, em que as trilhas são dispostas muito próximas.

Em placas destinadas a uso amador, a máscara de solda normalmente não é usada, por ser um processo um tanto difícil de ser feito por meios artesanais. Mas é usada na grande maioria das placas industrializadas.

A figura ao lado mostra as três camadas de um layout. Em preto, a impressão com o chapeado dos componentes, a ser aplicada por silk screen pela face superior; em azul, a máscara de solda; em vermelho, a área cobreada. As duas últimas estão vistas em transparência ("espelhadas"), visto que correspondem á face inferior.

O solder resist tradicional é de cor verdeesmeralda, mas outras cores também são usadas. Por exemplo, em placas de procedência européia, é comum a cor azul, enquanto que em placas de computadores, os fabricantes usam cores variadas e vistosas, na tentativa de diferenciar seus produtos: vermelho, azul-safira, alaranjado, amarelo, e outras. Este modismo pouco afeta a função da máscara de solda; apenas, o verde e o azul são mais recomendáveis, por melhorar ligeiramente o contraste dos componentes e áreas cobreadas, e com isso facilitar a inspeção visual da placa e dos pontos de solda.

20/1/2008Manual Digiplaq - Guia de estilo par… http://www.digiplaq.oi.com.br/guiae… 9/10

Esta figura mostra como ficam as três camadas sobrepostas, vistas em transparência pela face superior.

(Parte 1 de 2)

Comentários