CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSOEWALDO LUIZ DE MATTOS MEHL 1. CIRCUITOS IMPRESSOS ORIGENS E MATERIAISAnteriormente inveno dos transistores os circuitos eletrnicos baseavam-se em vlvulas vcuo que, por serrem relativamente grandes, dispensavam maiores preocupaes quanto reduo do tamanho da montagem final. A Figura 1 mostra um tpico chassi metlico de rdio vlvulas, onde se observa que a interligao entre os componentes era feita pela parte de baixo.

Figura 1: Nos circuitos vlvula, geralmente estas eram montadas sobre um chassi de chapa metlica. A interligao entre os componentes principias era feita pela parte de baixo do chassi

A maioria das publicaes sobre o assunto credita a inveno do circuito impresso a um engenheiro austraco chamado Paul Eisler (1907 - 1995) que em 1936, enquanto trabalhava na Inglaterra, patenteou um mtodo de se corroer uma camada de cobre depositada sobre uma superfcie isolante.Figura 2: Capa da biografia de Paul Eisler, inventor do circuito impresso, e foto de um rdio construdo por ele em 1946, utilizando circuito impresso semelhante aos atuais.

Existe tambm registro de uma patente norte-americana de 1925, em nome de Charles Ducas, que propunha depositar uma tinta condutiva sobre um substrato isolante, que deu origem expresso Circuito Impresso. No entanto, a primeira vez que os circuitos impressos foram usados de uma forma mais ampla foi por volta de 1943, quando foram empregados em equipamentos de rdio para uso militar, onde era essencial que o circuito funcionasse em situaes extremamente adversas. Aps a Segunda Guerra Mundial os circuitos impressos foram usados em outras aplicaes e, com o advento dos transistores, tornou-se a forma mais comum de construo de circuitos transistorizados. Atualmente, placas de circuitos impressos (PCIs) so amplamente empregados em todos os tipos de equipamentos eletrnicos, principalmente quando se empregam em sua construo circuitos integrados. O material inicialmente usado para a fabricao de placas de circuito impresso (PCIs) foi uma chapa conhecida como fenolite. Na verdade o nome fenolite era originalmente a marca comercial de um fabricante de chapas isolantes, muito usada pelos fabricantes de mquinas eltricas e transformadores. As chapas de fenolite so feitas com a mistura de uma resina fenlica com certaE.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-1

quantidade de papel picado ou serragem de madeira (carga), apresentando cor marrom claro ou escura, dependendo do tipo de carga utilizada. A mistura moldada e prensada a quente na forma de chapas, com diferentes espessuras. O principal problema das chapas de fenolite para circuitos impressos decorre justamente do uso da carga base de celulose, que a torna higroscpica. Ou seja, em um ambiente mido as placas de fenolite absorvem certa quantidade de gua, o que alm de prejudicar as suas caractersticas isolantes frequentemente faz com que as placas empenem.Figura 3: Fotografia ampliada de uma placa de circuito impresso (PCI) empregada em um microcomputador.

Em resposta aos problemas apresentados pela fenolite, foram desenvolvidas na dcada de 1960, como alternativa de melhor qualidade, as placas conhecidas como fibra de vidro (FV). Na verdade estas chapas so feita com resina epxi e apenas h internamente uma fina manta de tecido de fibras de vidro. O uso da resina epxi faz com que as placas de FV sejam totalmente inertes gua mas, por outro lado, produz uma placa extremamente difcil de ser cortada e furada. De fato, a dureza do epxi semelhante do granito, fazendo com que sejam necessrias ferramentas especiais para fazer o corte e a furao das placas de circuito impresso de FV. As placas FV so tambm cerca de 30% mais caras do que as de fenolite. Apesar disso, devido sua excelente capacidade isolante e estabilidade dimensional, a grande maioria das placas de circuito impresso de equipamentos eletrnicos so fabricas com placas de FV, ficando a fenolite geralmente restrita a projetos de pouca qualidade ou quando se utiliza uma tcnica mais artesanal na fabricao. Segundo a norma NBR 8188/83, as chapas para circuito impresso de fenolite so referenciadas como FR-2 e as de fibra de vidro como FR-4. A sigla FR vem da expresso em ingls flame resistant, ou seja, resistente ao fogo. Para aplicaes em freqncias muito elevadas, tanto a fenolite como a FV podem apresentar problemas de polarizao dieltrica. Como alternativa existem chapas para circuito impresso onde o material isolante utilizado o politetrafluoroetileno (PTFE), um material mais conhecido pelo nome comercial de Teflon (Du Pont). So placas muito caras e geralmente utilizadas em circuitos onde esto presentes freqncias de muitos GHz. Outro material alternativo oE.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-2

polister, que permite fabricar circuitos impressos flexveis, usados em alguns equipamentos portteis, como notebooks, agendas eletrnicas e telefones celulares

Figura 4: Esquema de construo de MCPCB.

Um tipo de placa especial de circuito impresso que tem se tornado relativamente comum nos ltimos anos conhecida como MCPCB (metal clad printed circuit board). Este tipo construtivo consiste de uma placa de alumnio com 2 mm a 3 mm de espessura, sobre a qual depositada uma camada de material dieltrico (geralmente xido de alumnio Al2O3, obtido por anodizao) e uma camada condutora de cobre, conforme mostrado na Figura 4. Este tipo de placa indicado quando se necessita uma boa dissipao de calor. Sua principal aplicao na montagem de diodos emissores de luz (LED) de alta potncia, encontrando tambm uso em conversores DC-DC e em sistemas de injeo eletrnica de combustveis. Quanto ao material condutor das PCIs, empregado o cobre. A escolha deste metal se deve sua excelente condutividade eltrica, somente superada pela prata, alm de suas caractersticas mecnicas que permitem a produo de folhas de pequena espessura. O processo de deposio do cobre sobre as placas isolantes inicia-se pela aplicao de uma tinta base de grafite. Em seguida as placas so ligadas ao plo negativo de uma fonte de corrente contnua e mergulhadas em uma soluo saturada com sais de cobre, sendo tal soluo ligada ao plo negativo da fonte. Ocorre ento um processo eletroqumico chamado galvanoplastia, obtendo-se a deposio de uma fina camada de cobre metlico sobre a placa. Ao se obter a espessura de cobre desejada, a placa retirada do processo de galvanoplastia e passada por uma calandra metlica aquecida, que fixa a camada de cobre placa e deixa-a com uma superfcie lisa e uniforme. Geralmente as placas de circuito impresso usadas em eletrnica so chamadas de cobre a uma ona; isto significa que a camada de cobre existente em uma rea de um p quadrado (1 sq.ft. - square foot) pesa uma ona (one once = 28,34 g). A tabela 1 mostra as caractersticas usualmente encontradas nas placas de FV (FR-4) disponveis para a indstria de PCI.Tabela 1: Caractersticas das chapas tipo FR-4, disponveis para PCI. Espessura da camada de Cobre Largura mnima das trilhas (*) Espessura da chapa isolante(*)

1/2 ona (espessura de 18m)

1 ona (espessura de 35m)

8 mils = 0,08 inch

12 mils = 0,12 inch

0,8mm, 1mm, 1,2mm, 1,6mm (tpico), 2mm e 2,4mm

A largura mnima da trilha depende do processo de fabricao utilizado. Os valores citados so usuais nos prestadores de servio de confeco de placas disponveis no Brasil.

Para aplicaes especiais, onde a corrente eltrica ser elevada, existem placas com camadas mais espessas de cobre, chamadas de 3 onas e at mesmo 5 onas. Apesar de aparente muito pouco espessa, a camada de cobre existente na face de uma placa de circuito impresso possibilita a conduo de corrente eltrica em nveis elevados. A Figura 5 mostra um baco existente na norma NBR 8188/89 que permite calcular a largura da trilha de cobre, em funo da corrente a ser transmitida pela trilha, da espessura de cobre existente na placa e da temperatura mxima permitida.

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Espessura de cobre = 18 m

Espessura de cobre = 35 m

Figura 5: bacos existentes na NBR 8188/89, para dimensionamento da corrente mxima que pode fluir nas trilhas de um circuito impresso.

Quanto ao espaamento mnimo entre trilhas contguas, este uma funo da tenso entre elas. O baco da Figura 6, extrado da NBR 8188/89, possibilita verificar tal espaamento mnimo.

Figura 6: baco que permite estabelecer o espaamento entre duas trilhas contguas, em funo da tenso verificada entre tais trilhas. Fonte: NBR 8188/89.

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2. CIRCUITOS IMPRESSOS SMD

Apesar do amplo uso de circuitos impressos, at a dcada de 1970 muitos dos componentes eletrnicos continuaram a ser fabricados como se no fossem destinados a serem usados nesse tipo de montagem. Principalmente os capacitores e os resistores eram produzidos com terminais longos, na forma de arames de cobre revestidos com estanho. Aps a soldagem desses componentes na placa de circuito impresso, era necessrio cortar o comprimento em excesso dos terminais. A necessidade de orifcios para passam dos terminais tambm representa uma etapa a mais no processo de fabricao do circuito e faz crescer o seu custo final. Em face desses fatos, a partir de 1975 comearam a surgir PCIs com uma nova classe de componentes, chamados SMD (surface mount devices dispositivos para montagem em superfcie). Na montagem de placas com SMDs, geralmente so usadas mquinas automticas conhecidas como Pick & Place. Os componentes so fornecidos pelos fabricantes afixados em rolos. Um sistema robotizado coloca os componentes de forma muito precisa nos pontos corretos na placa, aplicando a eles uma pequena gota de cola. Nos circuitos de maior complexidade, os SMDs podem ser aplicados em ambas as faces da placa. Aps a colagem dos componentes na placa, segue-se um processo de soldagem feito pela rpida imerso da placa em um banho da liga de solda em estado de fuso. Ou seja, todos os componentes de tecnologia SMD so soldados nesse processo e, posteriormente, componentes de maiores dimenses so soldados com tcnicas tradicionais.

Figura 7: Placas de circuito impresso com componentes tradicionais e com SMD.E.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-5

3. LAYERS

A tcnica de projeto de circuitos impressos evoluiu consideravelmente nos ltimos anos e os circuitos atingiram um elevado grau de complexidade. Como resultado das pequenas dimenses dos SMDs, surgiu a necessidade de se projetar placas com trilhas em camadas intermedirias, alm das trilhas normalmente existentes nas faces superior e inferior da placa. Algumas placas chegam a ter trilhas em 16 camadas, chamadas de layers. Por exemplo, um circuito com 4 layers significa que a placa de circuito impresso possui trilhas nas faces superior e inferior e tambm duas camadas metlicas intermedirias, onde igualmente existem trilhas gravadas. Geralmente os layers intermedirios so usados para a alimentao eltrica dos componentes; outros projetos usam layers intermedirios ligados ao terra do circuito, para controle da emisso de rudo eletromagntico, funcionando nesse caso como plano de terra. As trilhas existentes nas diferentes camadas so interligadas atravs de orifcios cuja superfcie interna recebe um revestimento metlico, atravs de um processo eletroqumico. Estes orifcios metalizados so chamados de vias. Nos projetos que empregam exclusivamente SMDs, as vias servem unicamente como meio de interligao entre layers; se forem usados componentes tradicionais com terminais na forma de fios, os orifcios de vias podem ser usados tambm para a fixao e soldagem desses terminais.Figura 8: Esquema representando uma placa de circuito impresso (PCI) com 16 layers. Observar que existem vias que interligam as faces externas bem como vias que apenas interligam layers intermedirios.

E VIAS

4. PADRONIZAO DAS DIMENSES DOS COMPONENTES ELETRNICOS

Com a evoluo dos circuitos eletrnicos e a necessidade de automao no processo de montagem de placas de circuito impresso, tornou-se mandatrio padronizar os componentes eletrnicos. Em projetos de PCI a unidade de medida empregada a polegada (inch), equivalente a 2,54 cm. Geralmente os componentes eletrnicos tm suas dimenses estabelecidas em mil, que significa um milsimo de polegada. Para se ter uma idia da grandeza dessa unidade, padronizou-se que a distncia entre dois pinos laterais de qualquer circuito integrado, no encapsulamento conhecido como dual in line (DIP) de 0,1 inch, ou 100 mils.Figura 9: A distncia padronizada entre os pinos contguos de um circuito integrado DIL de 0,1 inch ou 100 mils.

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A distncia entre as duas fileiras de pinos de um circuito integrado DIL varia um pouco. Os CIs com poucos pinos (exemplos: 555 com 8 pinos, 74LS00 com 14 pinos, 74LS373 com 20 pinos) apresentam a distncia de 0,3 inch ou 300 mils entre as fileiras. J chips com maior nmero de pinos (exemplos: memrias EPROM 27C64 com 28 pinos, RAM 62256 com 28 pinos, microprocessadores Z80 e 80C31 com 40 pinos) apresentam largura de 0,6 inch ou 600 mils.

Figura 10: Exemplo de dimenses de um circuito integrado com encapsulamento DIL16, padro 300 mils.

Figura 11: Exemplo de dimenses de um circuito integrado com encapsulamento DIL40, padro 600 mils.

Deixando de lado placas com SMDs, os resistores mais comuns em PCI so os de 1/8 W. Na montagem, seus terminais so dobrados e o excesso do comprimento dos terminais cortado. Em montagens caseiras, os terminais so dobrados mo ou com a ajuda de um alicate de bico, o componente soldado placa e somente depois que o excesso do comprimento dos terminais cortado. Em montagens industriais o componente dobrado e o excesso cortado por uma mquina que possui um padro de distncia esperado entre os pontos de solda. Essa distncia padronizada em 300 mils (0,3 inch) para resistores de 1/8 W, porm se a montagem for feita manualmente conveniente usar um espaamento de 400 mils (0,4 inch) ou mesmo 500 mils (0,5 inch), o que facilitar a soldagem do resistor.E.L.M.Mehl - CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO 1-7

Quanto a capacitores, existem em vrios tipos e numa gama ampla de dimenses. Os modelos mais comuns so conhecidos pelo tipo de dieltrico utilizado, cermico ou polister. Capacitores cermicos geralmente apresentam pequenas capacitncias, na ordem de pF. Estes capacitores tm, em geral, uma distncia de 200 mils ou 0,2 inch entre os terminais. Capacitores de polister so produzidos com valores mdios de capacitncia, da ordem de nF e possuem distncia usual entre de 200 mils (0,2 inch) ou 300 mils (0,3 inch) entre os terminais. Capacitores eletrolticos so produzidos com valores grandes de capacitncias, acima de 1 F at alguns mF. Estes componentes so polarizados e se apresentam em uma gama muito grande de dimenses e distncia entre os terminais. Existem capacitores eletrolticos chamados axiais, que se destinam a serem montados deitados na PCI; outros, onde ambos os terminais esto no mesmo lado, so chamados radiais e destinam-se a ser montados em p na PCI.

Figura 12: Capacitor Eletroltico com terminais axiais.

Figura 13: Capacitor Eletroltico com montagem unilateral, terminais radiais ou paralelos

5. PROJETO DE CIRCUITOS IMPRESSOSDurante muitos anos o projeto de PCI era feito manualmente, em um trabalho que envolvia muita pacincia e requeria uma excelente noo de espao tridimensional do projetista. Geralmente o trabalho iniciava-se fazendo a distribuio dos componentes em um desenho com as dimenses da placa desejada. Em seguida, usando lpis e borracha, o projetista comeava a tentar estabelecer o melhor caminho para as trilhas, usando como base um papel onde estava traado um gradeado (ou grid) de 0,1 inch. Como esta a unidade padronizada para a distncia entre os terminais dos componentes eletrnicos, tornava-se conveniente j colocar os componentes em um grid com essa dimenso. A Figura 14 mostra alguns componentes eletrnicos desenhados em um papel com um grid de 0,1 inch x 0,1 inch.

Figura 14: A utilizao de um grid de 0,1 inch x 0,1 inch facilita o desenho da PCI, pois os componentes eletrnicos usam esta dimenso como base.

Com o aumento da complexidade dos circuitos eletrnicos, o projeto manual de PCI tornou-se cada vez mais um trabalho de esforo extremo e sujeito a erros. O primeiro software para auxlio nessa tarefa que teve grande aceitao pelos projetistas foi o TANGO, mostrado nas Figuras 15 e 16 em sua verso para DOS.

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Figuras 15 e 16: Aspecto do TANGO, verso DOS de um software que teve grande aceitao entre os projetistas de PCI.

Apesar do TANGO em sua verso DOS estar tecnicamente superado em favor de diversos outros programas surgidos posteriormente, interessante observar que grande parte dos conceitos embutidos nesse programa se constitui em padres ainda seguidos atualmente. Por exemplo, o TANGO introduziu a idia de se usar bibliotecas (Libraries), que nada mais so do que um conjunto de desenhos pr-definidos de alguns componentes. A vantagem desse enfoque que, com a evoluo da eletrnica, o software pode facilmente ser adaptado, acrescentando-se novas bibliotecas medida que novos componentes so lanados. Esta caracterstica acaba sendo algo extremamente importante sob o ponto de vista econmico, pois as ferramentas de software para projeto de PCI tem custo de licena elevados. Tambm o TANGO foi responsvel pela introduo das primeiras ferramentas de roteamento automtico; ou seja, os programas traam as trilhas da PCI para o usurio, usando algoritmos de tentativa e erro. Mesmo sendo evidente que as ferramentas de software especializadas em projeto de PCI vieram a facilitar o trabalho dos projetistas, algumas tarefas tradicionais continuam sendo necessrias: Definir as dimenses da PCI, bem como restries que possam existir em alguns locais especficos da placa. Por exemplo, podem ser necessrios orifcios para fixar componentes, ou ser necessrio ter um conector numa posio determinada para ligar um cabo ou outra placa. Verificar as dimenses dos componentes eletrnicos que sero utilizados. No caso de circuitos integrados e transistores as dimenses so padronizadas e geralmente podem-se tomar como base os desenhos existentes nos data sheets. No entanto as dimenses de capacitores, indutores, chaves, displays e outros tipos de componentes necessitam ser verificadas, pois variam entre diferentes fabricantes. Muitas vezes conveniente ter amostras dos componentes em mos e medir as distncias entre os terminais com um paqumetro. Verificar condies especiais do circuito, tais como tenses ou correntes muito altas, que vo requerer cuidados no espaamento entre trilhas ou trilhas de largura maior que o usual. Sempre que possvel, consultar o fabricante ou potenciais fabricantes da futura PCI, quanto a restries de largura mnima de trilhas, espaamento entre trilhas, dimetros de furos e outros detalhes construtivos. Por exemplo, supondo-se que se solicita ao fabricante um furo com certo dimetro fora do comum, isso pode representar um custo a mais para a fabricao da placa. O conjunto desses dados o que se chama de regras de projeto (design rules), necessrios para se obter um resultado conforme esperado.

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