Como projetar uma PCB? O engenheiro de layout de PCB deve saber!

Principais conclusões

• Comece com um esquemático verificado — erros lógicos no esquemático sempre são transferidos para o layout da PCB, portanto verifique as conexões de rede, os valores dos componentes e os footprints antes de passar para o design da placa.
• Defina regras de design com base nas capacidades do fabricante — defina largura de trilha, folga, tamanho de via e empilhamento de camadas antes do roteamento para evitar falhas de DFM e custos extras.
• Posicione os componentes por zona funcional — agrupe as seções de energia, digital, analógica e de conectores; posicione primeiro os conectores e CIs grandes, depois roteie os passivos de suporte nas proximidades.
• Use planos de terra em ambas as camadas — preenchimentos de cobre conectados ao GND fornecem blindagem, reduzem EMI e criam caminhos de retorno de baixa impedância para os sinais.
• Execute o DRC e visualize em 3D antes de exportar — detecte violações de espaçamento, sobreposições de serigrafia e colisões de componentes antes de gerar os arquivos Gerber.

Introdução

Cada novo gadget eletrônico revolucionário começa sua vida não com faíscas de ferro de solda voando, mas como um conceito simples e básico — algo tão básico quanto uma ideia desenhada em um guardanapo ou um design simulado por software. Transformar essa ideia em uma unidade física e funcional é altamente complexo, e a ponte crítica entre os dois é a Placa de Circuito Impresso (PCB). O design e o layout dos componentes e trilhas nesta placa é o layout de PCB, e é uma habilidade fundamental para qualquer engenheiro eletrônico.

Este artigo o levará por todo o processo, desde um diagrama esquemático até a etapa de fabricação, dando a você a capacidade de tornar sua ideia eletrônica uma realidade.

Figura 1. Uma PCB de 6 camadas de alta densidade com componentes BGA, demonstrando a precisão de fabricação da JLCPCB.

O que um engenheiro de layout de PCB deve saber antes de projetar

Antes de rotear uma única trilha, uma grande quantidade de trabalho preliminar deve ser feita. Um bom layout de PCB começa com a etapa de planejamento, onde o circuito lógico é estabelecido e as limitações físicas são definidas. Apressar esta etapa é a causa mais comum de retrabalho de placa, custos e atrasos no cronograma.

Da lógica à arte: captura de esquemático e layout de PCB

O primeiro passo é a captura do esquemático. Esta é a etapa em que você criou a representação lógica do seu circuito no software EDA. Este é o diagrama do circuito que mostra todos os componentes e, mais importante, como eles estão eletricamente conectados usando redes. O esquemático é a verdade absoluta do projeto e gera um arquivo crítico, chamado netlist, que define digitalmente cada conexão que o software de layout de PCB precisa seguir.

É um equívoco comum pensar que o esquemático não passa de um desenho aproximado. A verdade é que um esquemático organizado, limpo e verificado é o fator mais importante para concluir um layout. A qualidade da captura do esquemático e do layout da PCB é diretamente proporcional; o software EDA sempre fará referência ao netlist para impor sua conectividade elétrica na fase de layout. Se houver um erro no seu esquemático, você verá esse mesmo erro aparecer na placa física de alguma forma.

Criando um esquemático de layout de PCB pronto para layout

Por design, um esquemático destinado a um layout simples vai além de apenas um layout de conexões. Um esquemático deve ser considerado uma ferramenta de comunicação. Agrupe componentes relacionados logicamente em uma única página de esquemático (por exemplo, a seção de fonte de alimentação, a seção do microcontrolador e as entradas de sensores). Use rótulos de rede descritivos em vez dos nomes de rede padrão do software para maior clareza (por exemplo, 5V_IN é infinitamente melhor que Net-C1-Pin1). Para designs complexos, folhas hierárquicas permitem dividir o design em blocos gerenciáveis e reutilizáveis para facilitar a organização do layout do esquemático. A organização será transferida diretamente para a etapa de layout, permitindo que o posicionamento dos componentes pareça mais lógico.

Figura 1: Mapeamento do símbolo esquemático diretamente para o layout de pinos do footprint do CI correspondente na PCB.          

Estabelecendo regras robustas de design de PCB

Após finalizar seu esquemático, você precisará estabelecer as regras físicas e restrições para sua placa. As regras de design de PCB são inseridas em sua ferramenta EDA e são essencialmente um assistente automatizado que ajuda você a evitar cometer erros que possam tornar a placa improdutível ou inutilizável pelo usuário final. As regras são uma função da física da eletricidade e das capacidades do fabricante.

Algumas regras-chave incluem:

● Largura e espaçamento de trilhas: A largura da trilha de cobre determina quanta corrente ela pode conduzir. Trilhas mais largas podem conduzir mais corrente, enquanto o espaçamento entre trilhas é importante para evitar ruptura dielétrica (arco em alta tensão) e para reduzir diafonia. De acordo com as capacidades padrão da JLCPCB, a largura e o espaçamento mínimos de trilha para placas de 2 camadas com cobre de 1 oz é de 5 mil (0,127 mm); para placas de 4 a 6 camadas, pode ser tão fino quanto 3,5 mil sem custo extra. Use as calculadoras IPC-2221 ou as calculadoras online da JLCPCB: por exemplo, uma trilha externa de 20 mil (cobre de 1 oz) pode conduzir com segurança aproximadamente 1,5–2 A com um aumento de temperatura de 10 °C.

● Folgas: Esta é a distância mínima entre dois elementos diferentes: trilha-para-pad, pad-para-pad e trilha-para-borda-da-placa.

● Tamanhos de vias: Vias são furos metalizados que conectam as diferentes camadas da sua placa. Você pode desenvolver as regras para o tamanho da broca e o anel anular (o pad de cobre ao redor do furo). O anel anular deve ser grande o suficiente para garantir uma conexão confiável após a perfuração. De acordo com as capacidades de fabricação da JLCPCB, o diâmetro mínimo de broca recomendado é de 0,2 mm (mínimo absoluto de 0,15 mm), com um anel anular mínimo de 0,13 mm para garantir metalização confiável e evitar ruptura durante a perfuração.  

● Empilhamento de camadas: Para placas com mais de duas camadas, você deve definir a ordem dos planos de sinal, energia e plano de terras. Um empilhamento típico de 4 camadas (Sinal-Terra-Energia-Sinal) é excelente para minimizar a interferência eletromagnética (EMI). A JLCPCB suporta totalmente este empilhamento padrão de 4 camadas com cobre de 1 oz em todas as camadas e espessuras dielétricas de 0,2–0,3 mm entre camadas, proporcionando integridade de sinal ideal e custo-benefício para a maioria dos designs.  

Definir essas regras para corresponder às capacidades específicas de um fabricante é fundamental. Você pode encontrar todas as capacidades de fabricação da JLCPCB online, mas para designs complexos, garantir o alinhamento perfeito pode ser desafiador. Para uma experiência sem complicações, considere aproveitar serviços profissionais de layout de placa de circuito impresso onde engenheiros cuidam dessa otimização para você. Sinta-se à vontade para clicar e experimentar o Serviço de Layout da JLCPCB!

Escolha seu EDA: o melhor software gratuito de design de PCB

Seu software EDA é sua principal ferramenta de trabalho. Existem muitas opções, mas normalmente elas se enquadram em um dos dois tipos de programas. Existem ferramentas gratuitas ou relativamente baratas que são perfeitamente adequadas para hobistas ou estudantes, e suítes de ferramentas de nível profissional usadas para engenharia comercial.

EasyEDA: a potência fácil

Se você está procurando o melhor software gratuito para layout de PCB, o EasyEDA será uma de suas primeiras escolhas. O EasyEDA é uma ferramenta totalmente completa, baseada em nuvem, que não requer instalação. O melhor recurso é seu ecossistema super fácil. O EasyEDA está diretamente conectado à LCSC Components, que é uma enorme biblioteca de peças. Isso significa que seus milhões de peças, antes de você começar o trabalho de layout, têm símbolos esquemáticos e footprints de PCB prontos para uso. Quando terminar seu layout, você pode receber cotações instantâneas e encomendar sua placa com um clique na JLCPCB. Dessa forma, você pode conectar as peças e a fabricação. A JLCPCB fornece uma enorme variedade de peças em estoque para o Serviço PCBA.

Figura 4. A interface de design do EasyEDA com a biblioteca de componentes LCSC integrada para seleção de peças.

Comparação de software: fazendo uma escolha informada

Em última análise, a melhor ferramenta depende da complexidade do seu projeto, do seu orçamento e das suas preferências de fluxo de trabalho. Tanto o EasyEDA Standard quanto o EasyEDA Pro oferecem a incrível flexibilidade de um aplicativo web baseado em nuvem, bem como um cliente de desktop opcional que você pode baixar. A principal diferença está no conjunto de recursos e no teto de desempenho. A versão padrão é poderosa para muitos projetos, mas o EasyEDA Pro desbloqueia um conjunto de recursos profissionais que são críticos para a eletrônica moderna. Ele também oferece recursos profissionais como os seguintes:

● Motor de roteamento avançado: O EasyEDA Pro possui ferramentas para rotear pares diferenciais e ajustar comprimentos, o que é importante para manter a integridade do sinal em interfaces de alta velocidade como USB, HDMI ou Ethernet.

● Melhorias no gerenciamento de projetos: O EasyEDA Pro também possui melhores ferramentas de versionamento e colaboração que o tornam melhor para pequenas equipes que compartilham projetos.

● O ecossistema definitivo: Sua vantagem fundamental ainda reside no vínculo nativo e ininterrupto com a biblioteca de componentes da LCSC e os serviços de fabricação da JLCPCB. O processo "Da ideia ao protótipo" funciona maravilhosamente. A obtenção e verificação de footprints de componentes são um gargalo proeminente em outras ferramentas EDA, como o Altium, por exemplo. Com o EasyEDA Pro, você acessa uma biblioteca massiva e validada, reduzindo o tempo de design e os riscos de erros dispendiosos de footprint.

O EasyEDA Pro, no entanto, não tem como objetivo competir com outras ferramentas de PCB em nível empresarial. O Altium Designer é o padrão da indústria para designs grandes e de nível empresarial; ele permite design em um nível que é crítico para aplicações que exigem conformidade, simulação e design para um sistema completo de múltiplas placas. O Altium realmente se destaca nas seguintes áreas que o separam do EasyEDA Pro:

● Simulação/análise robusta: O Altium possui uma suíte totalmente integrada para análise de Integridade de Sinal (SI), Integridade de Energia (PI) e análise térmica; os engenheiros podem simular e prever não apenas como um sinal de alta velocidade se comportará, mas também como o calor será dissipado antes que uma placa seja fabricada, o que é importante para aplicações de computação de alto desempenho e RF!

● Design de placa de circuito/sistema mecânico: O Altium é fortemente desenvolvido para projetar produtos eletrônicos inteiros e não simplesmente placas de circuito; ele inclui até ferramentas para projetar chicotes e gerenciar as rotas/conexões entre múltiplas placas, tudo dentro de um projeto para verificar se tudo se encaixará e conectará correspondentemente na montagem final.

● Soluções MCAD integradas: Possui co-design bidirecional ao vivo com software CAD mecânico como o Fusion360; se um engenheiro elétrico move uma peça, o engenheiro mecânico vê essa peça se mover em seu modelo 3D e vice-versa. Isso é imperativo para produtos construídos para caber dentro de gabinetes complexos e de formato personalizado.

● Regras de design completas: O Altium possui um mecanismo de regras muito mais fácil de implementar consultas, o que permite criar regras de design de conjuntos de regras complexos.

6 passos para desenhar um layout de PCB: um passo a passo simples

A teoria é importante, mas não há substituto para a prática. Vamos percorrer o design de um circuito simples de LED piscante com temporizador 555.

1. Entrada do esquemático:

○ Crie o esquemático:

Primeiro, vamos definir a lógica do circuito. No EasyEDA Pro, crie um novo esquemático para o multivibrador astável 555.

○ Encontre seus componentes:

■ CI principal: Use a ferramenta de busca da biblioteca (Place > Device ou o atalho Shift+F). Na barra de pesquisa, digite NE555. Você verá uma lista de opções da biblioteca de componentes LCSC integrada. Selecione uma que tenha símbolo e footprint verificados.

■ Componentes passivos: Para peças genéricas como resistores, capacitores e um LED, você tem duas ótimas opções:

● Para velocidade: Pegue-os da biblioteca integrada 'Comumente usados'.

● Para especificidades: Pesquise a biblioteca LCSC novamente para escolher um número de peça exato que você planeja encomendar.

○ Adicione um conector de alimentação:

Esta é uma etapa crítica! Os símbolos VCC e GND são apenas redes lógicas. Para conectar uma bateria real, você precisa de um componente físico.

● Volte para a pesquisa da biblioteca (Shift+F) e procure um conector simples. Um header de 2 pinos é uma ótima escolha para soldar fios de bateria.

● Coloque este conector de 2 pinos no seu esquemático. Conecte um pino à rede VCC e o outro à rede GND. Agora seus trilhos de alimentação lógicos têm um ponto de entrada físico na placa!

○ Conecte tudo:

Organize os componentes no esquemático e conecte-os de acordo com o diagrama de circuito padrão do temporizador 555 piscante. Não se esqueça de adicionar os símbolos VCC e GND para completar suas conexões de alimentação!

Figura 5. Um esquemático completo do LED piscante com temporizador 555 capturado no EasyEDA, pronto para conversão em PCB.

2. Converter para PCB:

Quando o esquemático estiver completo e verificado, use a função "Atualizar/Converter esquemático para PCB". O EasyEDA Pro criará automaticamente um novo arquivo PCB, colocando todos os footprints dos componentes — incluindo seu novo conector de alimentação — no espaço de trabalho do editor de PCB com "linhas de conexão" finas mostrando as conexões.

Figura 6. Footprints de componentes e linhas de conexão geradas após a conversão do esquemático em um arquivo PCB.

3. Posicionamento de componentes:

● Desenhe o contorno da placa: A primeira coisa que você deve fazer no editor de PCB é definir a forma física da sua placa. Selecione a camada "Board Outline" no painel de camadas. Use as ferramentas de desenho (como retângulo, linha, arcos, etc.) para criar uma forma fechada para sua placa. Para este projeto simples, um pequeno retângulo é perfeito.

● Posicione os componentes: Agora, arraste seus componentes do espaço de trabalho para o contorno da placa que você acabou de criar. Uma boa estratégia é posicionar primeiro os conectores (como seu header de alimentação de 2 pinos perto da borda), depois os CIs maiores e, em seguida, agrupar os componentes de suporte (como resistores e capacitores) próximos ao CI ao qual estão associados. Gire os componentes para minimizar o cruzamento das linhas de conexão.

Figura 7. Posicionamento inicial dos componentes dentro do contorno da placa, agrupados por função para simplificar o roteamento.

4. Roteamento:

● A largura da trilha importa: Use trilhas mais largas para alimentação e terra (por exemplo, 20-30 mil) para conduzir mais corrente e reduzir ruído. Use trilhas mais estreitas para sinais gerais (por exemplo, 8-10 mil). Observe que a largura mínima padrão de trilha da JLCPCB para placas de 2 camadas é de 5 mil (0,127 mm); mantenha sempre seu design acima desse limite para evitar taxas extras de fabricação ou falhas de DFM.

● Evite ângulos agudos: Nunca use curvas acentuadas de 90 graus em suas trilhas. Sempre use duas curvas de 45 graus. Isso evita possíveis problemas de fabricação e é crítico para a integridade do sinal em designs de alta velocidade.

● Mantenha as trilhas curtas: Roteie as conexões o mais diretamente possível para minimizar a captação de ruído e a degradação do sinal.

● Use ambas as camadas: Use a camada superior (vermelha) e a camada inferior (azul) a seu favor. Uma estratégia comum é executar trilhas horizontalmente em uma camada e verticalmente na outra. Use vias para alternar entre camadas quando uma trilha precisar cruzar outra.

Figura 8. A PCB após o roteamento das trilhas de sinal nas camadas superior e inferior, antes da aplicação do preenchimento de terra.

5. Preenchimento de cobre e serigrafia:

Como criar um preenchimento de cobre

Para um design robusto, é excelente prática preencher as áreas não utilizadas em ambas as camadas superior e inferior com preenchimentos de cobre conectados à sua rede GND. Isso cria um grande plano de terra que fornece excelente blindagem elétrica, ajuda na dissipação de calor e cria um caminho de retorno de baixa impedância para os sinais.

I. Selecione a camada: Comece com a camada inferior.

II. Escolha a ferramenta: Selecione a ferramenta "Copper Pour" na barra de ferramentas PCB Tools.

III. Desenhe a área: Clique em cada canto do contorno da placa para desenhar um retângulo que cubra toda a placa. Clique com o botão direito para terminar o desenho.

IV. Atribua a rede: No painel de propriedades à direita, encontre o menu suspenso "Net" e atribua o preenchimento à sua rede GND.

V. Repita para a camada superior: Mude para a camada superior e repita o processo para criar outro preenchimento de terra.

VI. Reconstrua o preenchimento: Esta é uma etapa final crítica! Depois de terminar o roteamento ou mover um componente, o preenchimento não será atualizado automaticamente. Você deve reconstruí-lo manualmente selecionando o preenchimento e escolhendo Rebuild" ou pressionando Ctrl + B." Sempre faça isso como a última etapa antes de executar seu DRC.

Design eficaz de serigrafia

A serigrafia é o texto e os símbolos impressos na placa, e uma boa serigrafia facilita muito a montagem e a depuração.

● Designadores de componentes: Certifique-se de que o designador de cada componente (R1, C1, U1) esteja claramente visível e próximo ao componente que identifica. Não deixe que eles se sobreponham a pads ou vias.

● Marcações de polaridade: Para componentes como diodos, LEDs e capacitores eletrolíticos, adicione um marcador de polaridade claro (por exemplo, um sinal + ou um símbolo de diodo) na serigrafia.

● Indicadores de pino 1: Para circuitos integrados (CIs), certifique-se de que haja um ponto claro ou o número '1' na serigrafia ao lado do pino 1.

Figura 9. Uma PCB completa com preenchimentos de cobre de terra em ambas as camadas e marcações de serigrafia claramente rotuladas.

6. DRC e Gerbers.

Finalmente, execute a Verificação de Regras de Design (DRC). Isso sinalizará automaticamente quaisquer violações das regras que você configurou anteriormente. Corrija quaisquer erros encontrados. Quando a placa estiver livre de erros, use o Visualizador 3D integrado do EasyEDA Pro (Atalho: 3). Esta é uma ferramenta incrivelmente poderosa para inspecionar visualmente sua placa. Verifique colisões de componentes, verifique o posicionamento da serigrafia e tenha uma noção realista do seu produto final.

Quando estiver satisfeito com a visualização 3D, clique no botão "Gerar Gerber". Isso criará o conjunto de arquivos de fabricação que a JLCPCB precisa para construir sua placa, ou você pode fazer um pedido diretamente na JLCPCB pelo botão "Order PCB".

Figura 10. Uma renderização 3D realista da montagem final da PCB visualizada no visualizador 3D integrado do EasyEDA Pro.

Conclusão sobre o design de uma PCB

Aprender a projetar uma PCB significa seguir uma sequência clara: capturar um esquemático limpo, definir regras de design que correspondam às capacidades do seu fabricante, posicionar componentes por zona funcional, rotear trilhas com larguras adequadas e estratégia de camadas, preencher áreas não utilizadas com preenchimentos de terra para blindagem e executar um DRC completo antes de gerar os arquivos Gerber. Cada etapa se baseia na anterior — pular ou apressar qualquer uma delas geralmente leva a retrabalho, falhas de fabricação ou uma placa que simplesmente não funciona como pretendido. Dedique tempo para acertar cada etapa, e o produto final refletirá essa disciplina.

Se você preferir deixar o layout para engenheiros experientes, confira o Serviço de Layout de PCB da JLCPCB.

Perguntas frequentes sobre design de layout de PCB

P1: O que é diafonia e como posso minimizá-la no meu layout de PCB?

R: Diafonia é o acoplamento indesejado de um sinal que ocorre de uma trilha, chamada trilha "agressora", para uma trilha adjacente chamada trilha "vítima". Este é um dos contribuintes mais significativos para o ruído em designs digitais. Para reduzir a diafonia, existem algumas maneiras de mitigá-la:

1. Aumente o espaçamento: Quanto mais distantes as trilhas estiverem, mais fraco será o efeito de acoplamento. Uma regra prática comum é 3x a largura da trilha como espaçamento entre trilhas críticas.

2. Use um plano de terra: Um plano de terra sólido localizado entre as camadas de sinal fornece excelente blindagem.

3. Roteie ortogonalmente: Ao rotear trilhas em camadas adjacentes, roteie as trilhas perpendiculares umas às outras (horizontal na parte superior e vertical na camada abaixo) e minimize, se possível, trechos paralelos.

P: Como determino o número certo de camadas para o meu design de PCB?

R: Uma placa de 2 camadas é adequada para circuitos simples. Você precisará de mais camadas (4, 6, etc.) quando seu design for realmente denso e você não conseguir rotear tudo em 2 camadas, ou quando precisar de impedância controlada para sinais de alta velocidade (USB, Ethernet, memória DDR, etc.) que exigem um plano de terra dedicado e um plano de energia dedicado para integridade de sinal.

P: Quais são alguns erros comuns a evitar no layout de PCB para sinais de alta velocidade?

R: Você começará a notar erros comuns, como usar uma curva acentuada de 90 graus (que pode criar reflexões de sinal), rotear sinais sensíveis próximos a linhas de energia ruidosas ou não fornecer um plano de terra contínuo e sólido sob as trilhas de alta velocidade. Não se esqueça de que os pares diferenciais também precisam ter comprimento e espaçamento correspondentes.

P: Posso ter meu design de PCB revisado antes da fabricação?

R: Sim, uma revisão de design é crítica. Embora você possa pedir a alguns amigos/colegas para verificar seu design ou perguntar a algumas comunidades online se há erros, também existem serviços de revisão de design, como o JLCPCB Layout, como um bom exemplo. Os engenheiros da JLCPCB não apenas cuidam do layout da placa, mas, mais importante, eles verificam inerentemente seu design para manufaturabilidade (DFM) para garantir que a placa seja capaz de ser construída sem problemas. Isso pode economizar o tempo e a despesa de ter que fabricar uma placa novamente após a primeira execução.

P: Qual é a maneira correta de gerenciar terras analógicos versus digitais ao projetar uma PCB de sinal misto?

R: Qualquer sistema embarcado que tenha sensores ou ADCs precisará considerar isso. A abordagem típica é ter dois planos de terra separados (preenchimentos de cobre), um para analógico (AGND) e outro para digital (DGND). Em seguida, roteie todos os seus sinais analógicos no plano analógico e qualquer sinal digital no plano digital. Depois, conecte os dois planos em apenas um ponto — normalmente no pino de terra do microcontrolador ou próximo à entrada da fonte de alimentação. Este layout de "terra em estrela" ajudará a evitar que correntes digitais ruidosas circulem pelo plano de terra analógico sensível e interfiram em suas leituras.

P: O que é costura de vias e quando devo usá-la?

O termo "costura de vias" refere-se à prática de colocar uma série de vias para interconectar planos de cobre paralelos (ou seja, planos de terra superior e inferior). Isso é feito principalmente por duas razões. Primeiro, fornece um plano de terra com impedância extremamente baixa, proporcionando uma referência de terra mais estável. Segundo, e igualmente importante, fornece uma "gaiola" ao redor das camadas de sinal internas, contendo e impedindo que a interferência eletromagnética (EMI) irradie da placa. Isso é especialmente importante ao redor das bordas da placa de circuito e perto de trilhas de alta frequência.