Diretrizes de Design de PCB 101: Posicionamento e Roteamento

Bem-vindo ao segundo artigo da nossa série de diretrizes de design de PCB. Neste artigo, exploraremos as diretrizes essenciais de design de PCB que são cruciais para alcançar o desempenho e a funcionalidade ideais do design de PCB. Seja você um entusiasta de eletrônica, hobbyista, engenheiro, estudante ou profissional da área, entender essas diretrizes permitirá que você crie designs de PCB de alta qualidade. Neste artigo, exploraremos os princípios fundamentais e as melhores práticas no design de placas de circuito impresso (PCBs). Essas diretrizes ajudam a garantir que uma PCB funcione corretamente, seja fabricável e atenda aos padrões de desempenho exigidos. Vamos mergulhar nos detalhes com a JLCPCB!

Posicionamento de Componentes

Criando Seções no Design de PCB:

A seção digital e analógica em uma PCB é mantida separada para que os sinais não interfiram entre si. Agrupar componentes relacionados não apenas simplifica o roteamento, mas também melhora a integridade do sinal, minimizando o risco de diafonia entre circuitos não relacionados. Por exemplo, em um design de amplificador analógico, a seção de alimentação é mantida afastada do CI amplificador principal para evitar ruído no sinal.

Criando Design de Resistência ao Calor:

Componentes geradores de calor, como reguladores de potência ou dispositivos de alta corrente, devem ser colocados em áreas com fluxo de ar suficiente ou próximos às bordas da PCB para facilitar a dissipação eficaz de calor. O espaçamento adequado entre componentes é essencial para facilitar a montagem e a manutenção, bem como para garantir que os processos de soldagem automatizados possam ser realizados sem causar pontes ou outros defeitos.

Considerações de Design de Alta Velocidade:

Componentes de alta velocidade, como processadores e módulos de memória, devem ser colocados próximos aos seus conectores associados para minimizar o comprimento das trilhas, o que ajuda a reduzir o atraso do sinal e a potencial interferência. No geral, o posicionamento cuidadoso dos componentes é essencial para otimizar o desempenho e a durabilidade do design final da PCB.

Roteamento de Trilhas

O roteamento das trilhas, que são os caminhos condutores que conectam diferentes componentes, deve ser cuidadosamente planejado para minimizar interferências, perda de sinal e possíveis problemas como diafonia. O roteamento adequado das trilhas desempenha um papel crítico na integridade do sinal, conformidade com EMI/EMC e controle de impedância.

Técnicas Básicas de Roteamento:

Para manter a integridade do sinal, é crucial minimizar as reflexões de sinal seguindo técnicas adequadas de roteamento de trilhas. Reflexões de sinal podem ocorrer quando há uma mudança repentina na impedância ao longo da linha de transmissão, levando a uma reflexão parcial do sinal. Isso pode resultar em degradação do sinal e erros de temporização. Além disso, evitar ângulos agudos de 90 graus nas trilhas ajuda a reduzir a reflexão do sinal e a manter um fluxo de corrente mais suave.

Roteamento de Design de Alta Velocidade:

Sinais de alta velocidade exigem atenção especial, pois são sensíveis ao comprimento da trilha e às variações de impedância. Em designs de alta velocidade, a diafonia é outra consideração importante. A diafonia refere-se ao acoplamento indesejado de sinais entre trilhas adjacentes, o que pode resultar em interferência e degradação do sinal. Para mitigar a diafonia, técnicas como espaçar adequadamente as trilhas, usar pares diferenciais para sinais de alta velocidade e empregar técnicas de blindagem podem ser utilizadas.

Roteamento de Trilhas de Alimentação:

O roteamento adequado também envolve manter um espaçamento adequado entre as trilhas para evitar curto-circuitos e garantir que as trilhas de alimentação e terra sejam suficientemente largas para suportar a corrente necessária sem quedas de tensão excessivas. Além disso, usar múltiplas trilhas paralelas pode ajudar a distribuir a corrente de forma mais uniforme e reduzir a resistência geral. As trilhas de alimentação também devem ser mantidas o mais curtas possível para reduzir quedas de tensão e garantir uma entrega de energia estável aos componentes críticos.

Roteamento de Caminho de Sinal e Terra:

Planos de terra são tipicamente usados sob trilhas de sinal para fornecer um caminho de retorno de baixa impedância, o que melhora ainda mais a estabilidade do sinal. Em designs complexos, o roteamento multicamadas é frequentemente necessário, onde as camadas de sinal são intercaladas entre planos de terra e alimentação para minimizar ruído e interferência. No geral, o roteamento eficaz de trilhas é essencial para alcançar um design de PCB que atenda tanto aos requisitos de desempenho elétrico quanto aos padrões de fabricação.

Roteamento de Casamento de Impedância de Antena:

O controle de impedância é crucial para manter a integridade do sinal, especialmente em design de RF. Descasamentos de impedância podem levar a reflexões de sinal e desempenho degradado. Para garantir o controle de impedância, é importante usar larguras de trilha adequadas, materiais dielétricos e configurações de empilhamento de camadas. Diretrizes de design e ferramentas de simulação podem ser utilizadas para calcular e verificar os valores de impedância, permitindo uma transmissão de sinal eficiente.

Estratégias de Empilhamento de Camadas

O empilhamento de camadas no design de PCB refere-se ao arranjo e configuração de diferentes camadas dentro de uma placa de circuito impresso. O empilhamento adequado é crucial para otimizar o desempenho elétrico, a estabilidade mecânica e a fabricabilidade da placa.

Ao escolher o empilhamento de camadas de acordo com os requisitos de um design, o ruído pode ser reduzido ao mínimo. Por exemplo, se um caminho de sinal for posicionado sobre um plano de terra, o sinal se propaga mais rapidamente. E ao incluir um plano de alimentação no empilhamento, o número de trilhas pode ser reduzido, permitindo o uso de vias para fornecer VCC ou 5V.

PCB de 6 camadas com considerações de EMI/EMC:

• Camada de Sinal
• Plano de Terra
• Camada de Sinal
• Plano de Alimentação
• Plano de Terra
• Camada de Sinal

PCB de 4 camadas com consideração de EMI/EMC para aplicações de áudio:

• Camada de Sinal
• Plano de Terra
• Plano de Terra
• Camada de Sinal

PCB de 4 camadas projetada para soluções embarcadas:

• Camada de Sinal
• Plano de Terra
• Plano de Alimentação
• Camada de Sinal

Regras de Design

Regras de design são um conjunto de diretrizes que definem os requisitos mínimos para vários aspectos do layout da PCB, garantindo fabricabilidade e confiabilidade. Verificações de regras de design (DRC) são ferramentas automatizadas que verificam se o design adere a essas regras, prevenindo possíveis problemas durante a fabricação e montagem.

Espaçamento Mínimo de Trilhas e Largura de Trilha:

A largura mínima da trilha e o espaçamento são regras de design cruciais que afetam a integridade do sinal, o controle de impedância e a fabricabilidade. Trilhas estreitas podem levar a alta resistência e perda de sinal, enquanto espaçamento insuficiente entre trilhas pode resultar em diafonia e curto-circuitos. Aderir aos requisitos adequados de largura e espaçamento de trilhas minimiza esses problemas e garante um desempenho confiável da PCB.

Tamanho do Furo da Via e Anel Anular:

As regras de design de vias especificam o tamanho e o posicionamento das vias para garantir conexões eficazes entre camadas e evitar defeitos de fabricação. O tamanho do anel anular é outra regra de design importante, especialmente para vias e pads. Ele define o anel de cobre ao redor do furo perfurado e afeta a resistência mecânica e a confiabilidade das conexões. Tamanho insuficiente do anel anular pode levar a juntas de solda fracas e possíveis falhas. Projetar com tamanhos de anel anular apropriados garante conexões robustas e operação confiável da PCB.

Máscara de Solda e Serigrafia:

A folga da máscara de solda é a distância entre os recursos de cobre e a camada de máscara de solda. Folga suficiente é necessária para evitar a invasão da máscara de solda em pads e trilhas, o que pode causar problemas de soldagem durante a montagem. Regras de design adequadas de folga da máscara de solda garantem soldabilidade confiável e evitam defeitos relacionados à máscara de solda. As regras de design de serigrafia garantem a colocação clara e eficaz de marcações, texto e símbolos na superfície da PCB.

É importante notar que as regras de design podem variar entre fabricantes de PCB ou processos de fabricação específicos. Você pode se familiarizar com as regras de design fornecidas pelo seu fabricante e considerar padrões da indústria, como os padrões IPC, para garantir conformidade e otimizar a fabricabilidade dos seus designs de PCB.

Conclusão

Neste artigo, exploramos as diretrizes essenciais de design de PCB para alcançar o desempenho ideal. Discutimos a importância do posicionamento de componentes, roteamento de trilhas e empilhamento de camadas para garantir a integridade do sinal, conformidade com EMI/EMC e gerenciamento térmico. Também destacamos a importância das regras de design e fornecemos insights sobre considerações-chave, como largura e espaçamento de trilhas, tamanho do anel anular e folga da máscara de solda. Seguindo essas diretrizes, você estará equipado para criar layouts de PCB de alta qualidade que atendam aos padrões da indústria e garantam o sucesso dos seus projetos eletrônicos. Veja como as PCBs são fabricadas na fábrica da JLCPCB.

Visite o site da JLCPCB para explorar nossas ferramentas de design, tutoriais e serviços que podem ajudá-lo a otimizar seus layouts de PCB e dar vida aos seus designs eletrônicos. Fique atento ao próximo artigo da nossa série de Fundamentos de PCB.