Ficha 01 · PCB — fundamentos, largura de trilha e análise de layout

1. V — FR4 = fibra de vidro + resina epóxi; é o substrato padrão (>95% das PCBs).

2. F — Uma PCB single-layer tem pistas em apenas um lado. A PCB de double-layer tem pistas em ambos os lados.

3. F — Em SMD, os componentes são soldados sobre os pads da superfície, sem furos. Os componentes THT (Through-Hole Technology) são os que passam pelos furos.

4. V — A solder mask protege o cobre da oxidação e isola as trilhas durante a soldadura por onda ou reflow, impedindo pontes.

5. V — IPC-2221 define clearance mínimo de 0,15 mm (6 mils) para tensões inferiores a 50 V em FR4.

6. F — O KiCad é uma ferramenta EDA gratuita e open-source, desenvolvida originalmente por Jean-Pierre Charras e actualmente com apoio do CERN e comunidade. O Autodesk desenvolve o Eagle.

7. V — Os ficheiros Gerber (RS-274X) são o formato universal de PCB para fabricação.

8. F — Na soldadura THT correcta, o estanho é aplicado ao ponto de contacto entre o pad e o terminal do componente, nunca directamente ao ferro (que apenas serve para aquecer).

9. V — Boa soldadura Sn63Pb37: brilhante, côncava/cónica, cobertura total do pad.

10. V — O DRC verifica automaticamente as regras de design definidas (clearance, largura de trilha, vias, etc.).

11. F — O FeCl₃ remove o cobre das zonas não protegidas (expostas). As zonas protegidas pelo fotoresiste ficam intactas — são as pistas que queremos manter.

12. V — IPC-A-610 é o standard de aceitação visual de soldaduras e assemblagem electrónica.

13. F — HASL (Hot Air Solder Leveling) é um acabamento de estanho. O acabamento em ouro é o ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold).

a) Largura mínima para 3 A, ΔT = 30°C, camada externa:

Consultando a tabela IPC-2221 na sebenta: | 3,0 A | 0,98 mm (≈ 39 mils) |

Largura mínima: 0,98 mm ≈ 1,0 mm

b) Com margem de segurança de 50%:

A trilha deve aguentar 1,5 × 3 A = 4,5 A sem exceder ΔT = 30°C.

Interpolando a tabela (entre 4A = 1,40 mm e 5A = 1,84 mm): Para 4,5 A ≈ (1,40 + 1,84)/2 = 1,62 mm

Valor de projecto com margem: 1,6 mm (arredondar para valores standard: 1,5 mm ou 2,0 mm conforme disponível).

a) ΔT^0,44: $$\Delta T^{0{,}44} = 30^{0{,}44}$$

30^0,44: usar logaritmos: ln(30) = 3,4012; 0,44 × 3,4012 = 1,4965; e^1,4965 = 4,465

Portanto: 30^0,44 ≈ 4,47 (aproximação aceitável)

b) A^0,725: $$I = 0{,}048 \times \Delta T^{0{,}44} \times A^{0{,}725}$$ $$3 = 0{,}048 \times 4{,}47 \times A^{0{,}725}$$ $$3 = 0{,}2146 \times A^{0{,}725}$$ $$A^{0{,}725} = \frac{3}{0{,}2146} = \textbf{13,98}$$

Para calcular A: $$A = 13{,}98^{1/0{,}725} = 13{,}98^{1{,}379}$$ ln(13,98) = 2,638; 1,379 × 2,638 = 3,637; e^3,637 = 37,9

$$A \approx \textbf{38,0 mils}^2$$

c) Largura W:

Espessura de cobre (1 oz): t = 1,378 mils

$$W = \frac{A}{t} = \frac{38{,}0}{1{,}378} = \textbf{27,6 mils}$$

Conversão para mm: 27,6 mils × 0,0254 mm/mil = 0,70 mm

d) Comparação:

• Fórmula IPC-2221: 0,70 mm
• Tabela IPC-2221: 0,98 mm

Diferença de ≈ 40% — a tabela é mais conservadora. A tabela usa uma versão mais antiga dos coeficientes K ou considera margens adicionais de segurança (variação de temperatura ambiente, tolerâncias de fabricação, degradação ao longo do tempo). Na prática, deve-se sempre usar o valor mais conservador — ou seja, a tabela é preferível para projecto de segurança.

Para projecto: usar 0,98 mm (da tabela) como valor de projecto → 1,0 mm (arredondado para cima).

Problema 1 — Condensador electrolítico com polaridade invertida:

Descrição: O símbolo "+" do condensador está ligado à rede GND (negativo) — polaridade inversa.

Consequência: Com tensão inversa aplicada, o condensador electrolítico degrada rapidamente, pode borbulhar, fazer vent, ou mesmo explodir — destruindo a placa e podendo causar danos físicos.

Correcção: Inverter a ligação do C1 no esquema (ou no layout), ligando o terminal "+" à rede VCC e o "–" ao GND. Rever o footprint e verificar que a marcação "+" no pad corresponde ao "+" do símbolo.

Problema 2 — Trilha de alimentação demasiado estreita (0,1 mm para 1 A):

Descrição: A trilha de VCC tem largura de 0,1 mm (≈ 4 mils), mas conduz 1 A.

Consequência: A tabela IPC-2221 indica mínimo de 0,25 mm para 1A/ΔT=30°C. Com 0,1 mm, ΔT será muito superior (estimado > 100°C) — a trilha pode ficar tão quente que queima o FR4 adjacente, provocando falha eléctrica.

Correcção: Aumentar a largura da trilha de alimentação para ≥ 0,5 mm (com margem de segurança) para corrente de 1 A.

Problema 3 — Clearance insuficiente (0,08 mm) entre trilhas:

Descrição: Em dois pontos, a distância entre a trilha VCC e a trilha GND é de apenas 0,08 mm — inferior ao mínimo de 0,15 mm.

Consequência: Risco de arco eléctrico ou curto-circuito por condutividade superficial (humidade, poeira). O DRC deve ter detectado este erro — se ignorado, pode causar falha intermitente ou permanente.

Correcção: Rerouting das trilhas para manter clearance ≥ 0,15 mm em todos os pontos. Verificar com DRC após correcção.

Problema 4 — Pad de saída do 7805 não conectado (unconnected net):

Descrição: O pino de saída (Vout) do regulador 7805 não tem trilha ligada à rede VCC de saída.

Consequência: A saída regulada de 5V não tem caminho eléctrico para os consumidores — a fonte não funciona. O DRC indica "unconnected net" para este pad.

Correcção: Traçar a trilha que liga o pad de saída do 7805 à rede de alimentação VCC (5V). Rever a netlista e confirmar que não há mais pinos não conectados.

Problema 5 — Borda da placa sem clearance adequado (0,05 mm):

Descrição: Uma trilha de cobre passa a apenas 0,05 mm do Edge.Cuts (contorno da placa).

Consequência: No processo de corte da placa (routing/scoring), o cobre pode ser danificado ou exposto na borda — causando problemas de isolamento, oxidação e curto-circuito se a placa for montada em chassi metálico.

Correcção: Mover a trilha para que fique a pelo menos 0,25 mm do contorno Edge.Cuts. Configurar esta regra no DRC para verificação automática.

(Problema 6 bónus — furos mecânicos ligados a VCC: perigoso se o chassi for metálico. Correcção: ligar os furos mecânicos a GND ou deixá-los sem ligação eléctrica.)