O Guia Definitivo para Design de Layout de PCB

O design de layout de Placa de Circuito Impresso (PCB) é a base de qualquer dispositivo eletrônico, desde aparelhos simples até sistemas altamente complexos. O design de layout de PCB é o processo de organizar componentes eletrônicos e rotear conexões em uma placa para criar um circuito funcional e eficiente. O objetivo é obter a menor área possível, mantendo a integridade do sinal e garantindo o desempenho térmico e elétrico.

Há muito envolvido em qualquer design de placa de circuito projetado, desde um circuito impresso básico até um PCB complexo não rígido. Qualquer novo dispositivo eletrônico começará como um diagrama de blocos e/ou um conjunto de esquemas eletrônicos. Depois de finalizar e validar seus esquemas, você pode seguir as etapas abaixo para criar designs e layouts de PCB modernos. Um PCB bem projetado garante desempenho, confiabilidade e capacidade de fabricação ideais. Neste guia, exploraremos os principais aspectos do design de layout de PCB, incluindo melhores práticas, considerações importantes e etapas para criar um layout de PCB eficiente.

Etapas Envolvidas no Design de Layout de PCB

Etapa 1: Entrada do Design Esquemático

Etapa 2: Definir as Dimensões do PCB

Etapa 3: Sincronizar Esquemas com o Design da Sua Placa PCB

Etapa 4: Projetando o Stackup do Seu PCB

Etapa 5: Definindo Regras de Design da Placa PCB e Requisitos de DFM

Etapa 6: Posicionamento de Componentes

Etapa 7: Roteamento

Etapa 8: Adicionar Etiquetas e Identificadores

Etapa 9: Gerar Arquivos de Saída do Design

Etapa 1: Entrada do Design Esquemático

A primeira etapa é criar um esquema, um diagrama que define como os componentes são interconectados. Cada símbolo de componente é colocado e as conexões são desenhadas entre eles. O esquema serve como referência para o posicionamento de componentes e roteamento na fase de layout.

Etapa 2: Definir as Dimensões do PCB

Antes de posicionar os componentes, determine o tamanho e a forma do PCB com base nas restrições físicas do dispositivo. Considere os requisitos mecânicos, como furos de montagem e conectores.

Etapa 3: Sincronizar Esquemas com o Design da Sua Placa PCB

Todas as ferramentas em um software CAD trabalham em um ambiente de design unificado, onde o esquema, o layout da placa de circuito impresso e a BOM estão interligados e podem ser acessados simultaneamente. Para transferir as informações do documento de esquemas para o PCB, clique em Design » Converter esquemas em PCB.

Etapa 4: Projetando o Stackup do Seu PCB

O stackup é importante para considerar no início da fase de design do PCB devido à impedância, que se refere a quanta eletricidade e com que rapidez ela pode viajar por uma trilha. O stackup desempenha um papel em como o engenheiro mecânico pode projetar e encaixar o PCB no dispositivo. Antes de posicionar os componentes, você deve definir o layout do PCB (ou seja, forma, stackup de camadas) usando o Gerenciador de Stackup de Camadas, mostrado abaixo. Se você é novo no mundo do design de circuitos impressos, a maioria dos conceitos modernos de design de placas PCB começará com uma placa de 4 camadas em FR4. Se você estiver trabalhando em um design de placa de circuito de alta velocidade/alta frequência, você pode usar a calculadora de impedância online da JLCPCB tambéml.

Etapa 5: Definindo Regras de Design da Placa PCB e Requisitos de DFM

O número de categorias de regras de design de placas PCB é extenso e você pode não precisar usar todas essas regras disponíveis para cada design. O DRC contém as informações de:

1. Folgas entre objetos no layout do PCB, como entre trilhas e pads.

2. Limites de tamanho de recursos de cobre ou máscara de solda

3. Regras de roteamento, incluindo limitações de largura e comprimento de trilha que podem ser aplicadas a certas redes.

Esta é apenas uma amostra das regras que podem governar qualquer layout de PCB, mas essas regras são projetadas para ajudar a garantir que uma placa seja fabricável na escala necessária com as capacidades padrão do seu fabricante.

Etapa 6: Posicionamento de Componentes

O posicionamento de componentes é uma etapa crítica que influencia o desempenho geral do PCB. Siga estas diretrizes:

• Agrupe componentes relacionados: Posicione componentes que trabalham juntos, como resistores e capacitores, próximos uns dos outros.
• Priorize componentes críticos: Posicione primeiro componentes como microcontroladores, reguladores de energia e processadores de sinal.
• Considere a dissipação de calor: Garanta que componentes geradores de calor tenham espaço adequado e acesso a dissipadores de calor ou ventilação.
  

Etapa 7: Roteamento

O roteamento envolve a criação dos caminhos reais (trilhas) que conectam eletricamente os componentes. Alguns fatores-chave a ter em mente são largura da trilha, minimizar o comprimento da trilha e integridade do sinal. O roteamento é feito com base no tipo de PCB, o PCB de RF tem requisitos diferentes de um PCB de Potência. Às vezes, exigimos correspondência de impedância, sem reflexões e, às vezes, fluxo máximo de corrente, com base nos quais diferentes esquemas de roteamento podem ser utilizados.

Etapa 8: Adicionar Etiquetas e Identificadores

Com o layout da placa de circuito verificado, você está pronto para adicionar etiquetas, identificadores, marcações, logotipos ou qualquer outra imagem à sua placa. É uma boa ideia incluir designadores de referência para componentes, pois isso auxiliará na montagem da placa PCB. Você também pode adicionar um logotipo da empresa e números de peça usando as ferramentas de imagem e ferramentas de texto no Editor de PCB. Esses elementos precisam ser colocados nas camadas de Overlay Superior ou Overlay Inferior no layout do PCB.

Etapa 9: Gerar Arquivos de Saída do Design

Antes de criar seus entregáveis de fabricação, é sempre uma boa ideia verificar o layout da sua placa de circuito executando uma verificação de regras de design (DRC). Se sua placa estiver correta, você estará pronto para liberar seus entregáveis de fabricação.

Uma vez que sua placa tenha passado no DRC final, você precisa gerar os arquivos de design para o seu fabricante. Os arquivos de design devem incluir todas as informações e dados necessários para construir sua placa. Para a maioria dos fabricantes, você poderá usar um conjunto de arquivos Gerber como mostrado abaixo; no entanto, alguns fabricantes preferem outros formatos de arquivo de fabricação (IPC-2581 ou ODB++). Para saber mais detalhes sobre esses outros formatos de arquivo PCB visite este artigo.

Melhores Práticas para Design de Layout de PCB

1. Otimize o Posicionamento de Componentes:

O posicionamento adequado de componentes pode reduzir a complexidade do roteamento e melhorar o desempenho do sinal. Posicione primeiro componentes críticos como microcontroladores e fontes de alimentação, seguidos por componentes passivos como resistores e capacitores.

2. Minimize Crosstalk e EMI:

Sinais de alta velocidade são propensos a crosstalk e EMI. Para mitigar isso, use planos de terra para blindar sinais, mantenha distância entre sinais de alta e baixa velocidade. Evite ângulos agudos e longas trilhas paralelas.

3. Tenha o Gerenciamento Térmico em Mente:

Componentes de alta potência geram calor, o que pode afetar o desempenho e a vida útil. Para resolver isso, posicione componentes geradores de calor perto de dissipadores de calor ou permita fluxo de ar ao redor deles. Use vias térmicas para distribuir o calor por várias camadas.

4. Verifique as Regras de Design:

Cada fabricante de PCB tem regras de design específicas em relação à largura da trilha, espaçamento e contagem de camadas. Garanta que seu layout esteja em conformidade com essas regras para evitar problemas de fabricação.

Considerações sobre Trilhas de Alimentação, Terra e Sinal

As dicas acima focaram nas melhores práticas de PCB que podem ser implementadas em um design. Você também precisa rotear as trilhas de alimentação, terra e sinal de acordo com a especificação do design. Concluir esta etapa de forma eficiente ajudará a garantir que seus sinais tenham um caminho confiável para viajar e manter sua placa funcionando corretamente. Aqui estão três fatores principais a ter em mente:

1. Planos de Alimentação e Terra

Uma regra fundamental de design de layout de PCB é manter seus planos de alimentação e terra internamente dentro da sua placa. Planos de alimentação e terra dedicados melhoram a integridade do sinal e reduzem o ruído. Essas camadas distribuem energia uniformemente pela placa e fornecem um caminho de retorno para os sinais, minimizando loops de terra e quedas de tensão. Você também deve manter seus terras digitais e analógicos separados de forma semelhante. Tente apenas fazer com que as linhas analógicas cruzem seu terra analógico para reduzir o acoplamento capacitivo.

2. Design de Trilhas

Esta etapa também envolve conectar trilhas de sinal de acordo com seu esquema. Você sempre deseja que suas trilhas sejam o mais curtas e diretas possível. Se você tiver roteamento de trilha horizontal em um lado do PCB, coloque trilhas verticais no outro lado. Mantenha as regras de correspondência de impedância e reflexão em mente ao rotear linhas de alta velocidade.

Para o design de energia, sua placa pode exigir múltiplas redes com correntes diferentes, o que determinará a largura de rede necessária. Usar uma calculadora de largura de trilha pode ajudar nesta etapa. Trilhas com cerca de 10 mils de espessura só podem suportar uma corrente de cerca de um Ampere, enquanto uma trilha com 250 mils de espessura pode transportar até 15 Amperes com um aumento de temperatura de 30 graus Celsius.

3. Dimensão de Pads e Furos

Você também precisará determinar as dimensões de pads e furos no início do processo de design do PCB. À medida que o tamanho dos pads e furos diminui, obter a proporção correta de tamanho pad-furo se torna mais crucial. É especialmente crítico ao trabalhar com furos de vias. A forma dos pads do PCB também é um parâmetro crucial. As footprints do PCB podem variar de acordo com o processo de fabricação.

A Importância dos Testes no Design de PCB

Ao longo do processo de design de PCB, bem como do restante do processo de fabricação de PCB, você deve verificar continuamente seu trabalho. Identificar problemas no início ajudará a minimizar seu impacto e reduzir os custos de corrigi-los. Dois testes comuns, verificação de regras elétricas e verificação de regras de design, podem ser realizados em estágios iniciais. Esses testes ajudarão você a resolver muitos dos problemas mais significativos que você pode encontrar. Uma vez que você possa passar nos testes ERC e DRC sem problemas, você deve verificar o roteamento de cada sinal e comparar sua placa com seu esquema em detalhes.

Conclusão

O design de layout de PCB é uma habilidade crítica que afeta diretamente o desempenho, a confiabilidade e o custo de um dispositivo eletrônico. Seguindo as melhores práticas, como otimizar o posicionamento de componentes, manter a integridade do sinal e garantir o gerenciamento térmico adequado, você pode criar um layout de PCB que atenda aos requisitos técnicos e de fabricação. Investir tempo na fase de design resultará em dispositivos com melhor desempenho e mais confiáveis a longo prazo.

Seja você um novato ou um designer experiente, entender as nuances do design de layout de PCB é essencial para criar eletrônicos de alta qualidade. Com as ferramentas e técnicas certas, o Serviço de Layout de PCB da JLCPCB pode ajudá-lo a superar desafios de design e produzir placas de circuito eficientes e econômicas.

Leia também: https://jlcpcb.com/blog/pcb-design-rules-and-guidelines-a-complete-best-practices-guide