Navegando no layout do PCB: práticas recomendadas para engenheiros

O layout de um PCB é mais do que apenas sua aparência. Um layout de PCB bem-sucedido organiza seus circuitos fisicamente para obter desempenho eletrônico ideal e, ao mesmo tempo, ser totalmente fabricável. Isso requer um gerenciamento cuidadoso de bibliotecas de componentes, configurações e parâmetros de CAD, posicionamento de componentes, roteamento e projeto da rede de distribuição de energia (PDN). Além disso, os designers de layout devem garantir que seu trabalho esteja totalmente documentado e que o produto final esteja pronto para ser incluído no sistema eletrônico pretendido.

Há muito trabalho a ser feito, especialmente para engenheiros não familiarizados com o processo de layout de PCB. Para ajudar neste fluxo de trabalho, é aconselhável ter um conjunto abrangente de diretrizes de layout de PCB para referência. Os padrões da indústria e da empresa ditarão os detalhes do projeto, mas as diretrizes de layout são essenciais para ajudar os engenheiros a navegar no processo de desenvolvimento de PCB do início ao fim. Aqui estão algumas diretrizes básicas de layout de design de PCB que podem ser usadas para formular seu próprio guia de desenvolvimento de PCB.

Antes de iniciar o layout da PCB

Várias tarefas precisam ser abordadas antes do início do processo de layout para garantir um design bem-sucedido. Uma das primeiras tarefas é estabelecer a biblioteca de pegada de PCB a ser usada.

Ao construir sua biblioteca de layout de PCB, é crucial usar padrões da indústria (como IPC) ou especificações do fabricante para tamanhos e dimensões de embalagens. No entanto, requisitos pessoais, empresariais ou técnicos também podem ditar variações para determinadas peças. Por exemplo, pacotes em designs de RF podem exigir tamanhos de almofada menores do que os designs digitais padrão. Aqui estão algumas diretrizes adicionais para construir sua própria biblioteca de componentes de PCB:

• Certifique-se de que todos os componentes da biblioteca criados tenham tamanhos de padrão de preenchimento aceitáveis ​​com espaçamento que esteja em conformidade com os padrões do componente.
• As pegadas de PCB devem incluir todos os elementos necessários, como contornos de peças, marcações em serigrafia e designadores de referência.
• Uma boa regra é garantir que o fabricante possa construir as peças que você está projetando antes de submetê-las ao projeto final.

Outra opção é usar pegadas de PCB de fornecedores externos de bibliotecas CAD. Os fabricantes de peças geralmente criam seus próprios componentes para o seu sistema de design com antecedência, e algumas ferramentas possuem navegadores para baixar essas peças de maneira conveniente.

Contorno de PCB e empilhamento de camadas

Antes de iniciar o layout da PCB, você precisa trabalhar com projetistas mecânicos para obter um bom formato de contorno. Embora os fatores de projeto possam ser alterados posteriormente, quaisquer alterações podem forçar um redesenho significativo do circuito para acomodar o novo formato. Além disso, a maioria das ferramentas CAD aceita dados importados de sistemas de projeto mecânico, facilitando seu trabalho. No entanto, mesmo com dados importados, você ainda precisa garantir que o contorno da PCB esteja correto e contenha todos os elementos CAD necessários para o seu projeto, como zonas de exclusão.

A configuração das camadas também deve ser concluída antes do início do layout. Novamente, essas configurações podem ser alteradas posteriormente, mas o impacto potencial em circuitos existentes pode comprometer o cronograma e o orçamento do seu projeto. A configuração das camadas também deve ser ajustada para o seu projeto específico, garantindo a configuração correta para roteamento com controle de impedância e outros requisitos de integridade de sinal. A escolha do material da placa de circuito impresso (PCB) nesta etapa também é crucial para que as larguras de trilha apropriadas e outros cálculos de projeto possam ser feitos com base nas propriedades físicas do material. Essas propriedades incluem constante dielétrica, qualidade do isolamento, taxa de absorção de umidade e fator de dissipação.

Parâmetros e configurações de CAD

Não é incomum encontrar designers trabalhando com as configurações padrão de seus sistemas CAD. No entanto, a maioria dos sistemas CAD oferece aos usuários amplo controle sobre cores, padrões de preenchimento, sombreamento, bem como tamanhos e larguras de fontes. Você também pode alterar a exibição de determinados objetos, colocar um elemento de design acima de outro, definir grades e especificar preferências de layout e roteamento. Essas configurações foram projetadas para aumentar a eficiência do seu trabalho e você pode economizar tempo otimizando as configurações antecipadamente.

Diretrizes para colocação de componentes

Assim que as bibliotecas CAD, o esboço do PCB e outras tarefas de configuração forem concluídas, o projeto pode começar. A primeira etapa neste processo é colocar as pegadas dos componentes PCB na placa. A colocação de componentes na placa deve atender a três requisitos principais: desempenho do circuito, capacidade de fabricação e acessibilidade.

Desempenho do circuito

Os circuitos de alta velocidade precisam que seus componentes sejam colocados o mais próximos possível para obter caminhos de sinal curtos e diretos, mas eles não são os únicos componentes com esse requisito. Os circuitos analógicos e os componentes de potência também precisam ser colocados de modo que seus caminhos sensíveis ou de alta corrente sejam os mais curtos possíveis. Isso ajuda a reduzir a indutância e melhora a integridade do sinal e da energia. Entretanto, em alguns casos, esses componentes podem precisar ser separados para acomodar o roteamento do barramento ou o isolamento térmico.

Capacidade de fabricação

Para minimizar ao máximo os custos de produção, é importante colocar os componentes de uma forma que seja o mais fácil de fabricar possível. Por exemplo, componentes que estão muito próximos uns dos outros podem não ser montados automaticamente ou podem ser difíceis de soldar com processos de soldagem automatizados. Componentes de chip mais altos produzirão um efeito de sombra quando a soldagem por onda for feita em peças menores na frente deles, resultando em conexões de solda ruins. O cobre desequilibrado entre duas placas de solda de pequenos componentes de chip produzirá aquecimento desigual, fazendo com que uma placa de solda derreta antes da outra, puxando o outro lado para cima.

Acessibilidade

As placas de circuito normalmente precisam ser testadas e retrabalhadas manualmente, o que requer acesso aos componentes que precisam ser resolvidos. Se componentes maiores obscurecerem esses componentes, seu trabalho poderá ser mais demorado ou causar danos acidentais aos componentes adjacentes. Da mesma forma, conectores, interruptores e outras interfaces homem-máquina inacessíveis também podem retardar a produção da placa de circuito.

Um princípio orientador fundamental é que o layout deve começar com uma visão plana básica dos componentes na placa de desenvolvimento. Isso permitirá que você planeje estratégias sobre como dividir as diferentes áreas do circuito na placa para evitar a sobreposição de sinais analógicos e digitais.

Diretrizes de layout de PCB: posicionamento eficaz de componentes leva ao roteamento

Diretrizes de roteamento de PCB

Para projetistas de placas de circuito, é crucial dispor suas placas de circuito para criar sinal ideal e integridade de energia. Os componentes devem ser colocados em posições ideais para obter um roteamento curto e direto. Ao mesmo tempo, o PCB deve ser disposto de forma que todas as redes possam ser totalmente roteadas. Equilibrar esses requisitos pode ser um grande desafio em projetos de alta densidade. A primeira diretriz de layout de projeto de PCB é definir regras e restrições de projeto para roteamento.

Regras e restrições de design

Tecnicamente, a configuração de regras e restrições de projeto deve ser incluída em parâmetros e configurações. No entanto, como a maioria das regras se aplica diretamente ao roteamento de rotas, nós as incluímos aqui. Regras e restrições são usadas para controlar larguras e espaçamentos de trilhas e podem ser definidas para redes individuais, grupos de redes chamados classes de rede ou como configurações padrão para todas as redes não especificadas. As regras de projeto também são usadas para controlar quais vias são selecionadas para diferentes redes, comprimentos de roteamento e comprimentos correspondentes, e quais camadas são permitidas para roteamento de redes e topologias de roteamento específicas. Além disso, as regras de projeto são usadas para controlar o espaçamento dos componentes, regras de serigrafia, folgas mecânicas e muitas outras restrições.

Sinal e integridade de energia

Para obter desempenho e integridade de sinal ideais, os projetistas de layout de PCB precisam seguir requisitos específicos para o roteamento de seus circuitos. Nesse sentido, regras e restrições de projeto são úteis, permitindo que os projetistas insiram parâmetros físicos de roteamento em sistemas CAD. Embora os valores exatos variem de acordo com as necessidades da PCB, os projetistas geralmente definem regras para garantir que as seguintes diretrizes sejam seguidas:

• As rotas para transmissões de alta velocidade devem ser curtas e diretas.
• Larguras de trilha, espaçamentos e camadas permitidas para roteamento de impedância controlada.
• Comprimentos de trilha especificados e tolerâncias de comprimento para roteamento de comprimento correspondente.
• Larguras e espaçamentos para pares diferenciais.
• Larguras e espaçamentos para sinais sensíveis como relógios e controles.
• Via tipos para diferentes redes.
• Larguras e espaçamentos de pista para circuitos analógicos.
• Larguras de trilhos e pesos de cobre para circuitos de energia de alta corrente.

Outra diretriz importante a ser lembrada é evitar cruzar áreas entre rotas analógicas e digitais ao rotear em projetos de sinais mistos.

Diretrizes Eficazes de Potência e Plano Terrestre

Para projetos modernos de alta velocidade, a estratégia de aterramento ideal geralmente consiste em usar uma ou mais camadas de aterramento contínuas nas camadas internas. Isso proporciona excelente proteção contra EMI e garante caminhos de sinal desobstruídos, o que melhora a integridade geral do sinal. Em áreas onde ocorrem descontinuidades no plano de aterramento devido a contornos ou características específicas da placa de circuito impresso (PCI), o roteamento deve ser evitado em quaisquer lacunas de aterramento na placa. Se não houver planos de aterramento contínuos e adjacentes para servir como caminhos de retorno desobstruídos para os sinais, seu projeto poderá gerar muito ruído indesejado. Aqui estão algumas diretrizes para planos de alimentação e aterramento a serem consideradas:

• As camadas de solo precisam ser adjacentes às camadas de sinal em um Empilhamento de PCB com roteamento de alta velocidade. Isso ajudará a proteger o roteamento de alta velocidade contra interferências e fornecerá um bom plano de referência para caminhos de retorno de sinal.
• Use almofadas térmicas e gerencie cuidadosamente as conexões de energia e terra ao avião. O raio da almofada da tira de amortecimento deve ser largo o suficiente para transportar alta corrente, eliminando ao mesmo tempo a oportunidade dessas conexões atuarem como radiadores.
• Planeje as conexões de energia e divida os planos de energia com cuidado para garantir que a energia seja fornecida suficientemente a todos os componentes conectados em toda a PCB.

Evite rotear circuitos analógicos e digitais simultaneamente em projetos de sinais mistos

Diretrizes para testes de serigrafia e PCB

Após a conclusão do projeto da placa de circuito impresso (PCB) , é hora de focar na finalização do layout, limpando a camada de serigrafia e adicionando pontos de teste. Marcas de referência, números de peças e outras informações da empresa são impressas na PCB com tinta através do processo de serigrafia. Os projetistas geralmente utilizam a camada de "impressão serigráfica" em seu sistema CAD para criar essas marcações.

Para garantir que as marcas da camada de serigrafia sejam legíveis, os designers seguem estas diretrizes:

• As larguras das linhas não devem ser inferiores a 4 mils.
• Os tamanhos das fontes não devem ser inferiores a 24 mils.

Os designadores de referência dos componentes devem ser renomeados com base no padrão de grade da empresa para ajudar a localizar peças específicas na placa de circuito. Mova e gire as marcas de referência para facilitar a leitura. Inclua a polaridade e as marcações do pino um quando necessário.

Os pontos de teste são cruciais para placas de circuito destinadas à produção em massa para verificação automatizada de montagem. Cada rede no projeto deve ter um ponto de teste, seja um pino de passagem existente, via ou placa de teste de montagem em superfície adicionada. Os pontos de teste devem estar a pelo menos 50 mils de distância de outros objetos na PCB, como componentes ou almofadas, e a pelo menos 100 mils de distância da borda da PCB. No entanto, esses valores podem variar de acordo com o fornecedor, portanto, verifique quais são os requisitos do ponto de teste do fabricante.