Ficha 02 · Soldadura, DRC e especificação de PCB para fabricante · Ficha de trabalho

Aluno(a)

Turma

Nº

Data

Objectivos da ficha

Identificar processos de soldadura adequados
Interpretar e corrigir DRC
Elaborar especificação completa de PCB para fabricante

Grupo I · Tipo de soldadura mais adequado para cada componente (25 pts)

Para cada um dos 5 componentes abaixo, indica qual o processo de soldadura mais adequado (THT com ferro, SMD com hot air, pasta de soldar + forno reflow, soldadura por onda, ou combinação) e justifica brevemente.

Componente A (5 pts)

Conector DB9 macho (porta série RS-232) — corpo metálico, 9 pinos, passo 2,54 mm, furos passantes (through-hole), usado em painel de chassi onde é frequentemente inserido/removido.

Processo: Soldadura THT com ferro de soldar (manualmente)

Justificação: - O conector DB9 é THT (through-hole) — tem pinos que passam pela placa - Componente sujeito a esforços mecânicos repetidos (inserção/remoção frequente) → a ligação mecânica do THT é mais robusta que SMD - Corrente elevada pode passar pelos pinos → THT tem melhor condução de calor e corrente - Por ser em painel, normalmente montado em separado (após refluxo de SMD), com ferro manualmente - Soldadura por onda seria possível mas o conector metálico pode dificultar o processo

Componente B (5 pts)

Resistência SMD 0402 (1,0 × 0,5 mm) — valor 10 kΩ, 1/16 W — componente de passagem de sinal, placa de alta densidade.

Processo: Pasta de soldar + forno reflow (SMD reflow)

Justificação: - Componente SMD de tamanho 0402 — extremamente pequeno; impossível de soldar com ferro de forma consistente - Processo industrial: aplicar pasta com stencil → pick & place automático → forno de reflow - O hot air manual é possível mas muito difícil com componentes 0402 (tendem a desaparecer com o sopro) - Para laboratório sem stencil/forno: usar pasta de seringa + pinças + hot air com bico fino (≤ 2 mm)

Componente C (5 pts)

Condensador electrolítico THT — 470 µF / 25V, diâmetro 10 mm, altura 20 mm — em fonte de alimentação com grande carga térmica.

Processo: Soldadura THT com ferro de soldar

Justificação: - Componente THT axial/radial com dois pinos passantes → soldadura THT standard - Tamanho grande (10 mm diâmetro) → não é adequado para soldadura por onda (pode abrigar bolsas de fluxo) - A temperatura de reflow seria excessiva para o electrolítico (temperatura de trabalho máxima ≈ 85–105°C; reflow atinge 245°C → pode danificar o electrólito) - Ferro de soldar a 320°C, técnica standard: inserir, dobrar pinos ligeiramente, aquecer pad+pino, aplicar estanho - Verificar polaridade antes de ligar — pino mais longo = positivo; marcação "–" no corpo = negativo

Componente D (5 pts)

Chip QFN-32 (5 × 5 mm, 32 pinos, passo 0,5 mm, pad térmico exposito no fundo) — microcontrolador STM32.

Processo: Pasta de soldar + forno reflow (SMD reflow)

Justificação: - QFN (Quad Flat No-Lead): pinos laterais muito pequenos (0,5 mm de passo) e pad térmico inferior exposto — apenas o processo de reflow consegue soldar de forma consistente - É impossível soldar um QFN-32 com ferro de soldar ou hot air de forma fiável (passo 0,5 mm é muito pequeno; pad térmico inferior só é acessível por reflow) - Processo: stencil com abertura para o pad térmico + pick & place + reflow - Para rework de um QFN avariado: hot air com bico de aquecimento uniforme (bico "cap" que cobre todo o CI) + vácuo para levantá-lo; re-soldar com stencil local e reflow localizado

Componente E (5 pts)

Relé electromecânico (12V, 10A, caixa DIP-5, PCB mount) — componente de comutação de potência, sujeito a vibrações leves.

Processo: Soldadura THT com ferro de soldar (ou por onda em produção)

Justificação: - O relé tem pinos THT (DIP-5, passo 2,54 mm) — soldadura through-hole - Sujeito a vibrações (a bobina e o âncora mecânico vibram internamente) → a ligação THT é mais robusta que SMD - Em produção de volume: soldadura por onda (wave soldering) após os SMDs já terem sido refluxados - Em laboratório/protótipo: ferro de soldar manualmente a 350°C - Nota: alguns relés existem em versão SMD (power SMD relay), mas para 10A o THT é mais comum e robusto

Grupo II · Interpretar relatório DRC e propor correcções (35 pts)

O DRC de um PCB de 2 camadas (5 × 5 cm) para uma fonte de alimentação 5V produz o seguinte relatório de violações:

DRC Report — 3 violations found:

[1] Clearance violation
    Net VCC / Net GND
    Actual clearance: 0.12 mm
    Required clearance: 0.15 mm
    Location: (23.4, 31.2) mm

[2] Unconnected item
    Component: U1 (LM7805)
    Pin: 1 (Input)
    Net: VIN (not connected)
    Note: Pin 1 has no copper trace connected

[3] Copper track too narrow
    Net: PWR_5V
    Width: 0.15 mm
    Min allowed: 0.25 mm
    Length: 12.3 mm (trace from J1 pin 1 to C1 pad 1)

Exercício 1 (10 pts)

Para cada violação, descreve o que está errado em termos físicos e a consequência se não for corrigida.

Violação 1 — Clearance insuficiente (VCC/GND, 0,12 mm < 0,15 mm):

O que está errado: Dois condutores de redes eléctricas diferentes (VCC e GND) estão a apenas 0,12 mm de distância no ponto (23.4, 31.2) mm — inferior ao clearance mínimo configurado de 0,15 mm.

Consequência: Risco de curto-circuito por contaminação (soldadura, flux, humidade, poeira) que pode criar um caminho condutor entre os dois condutores. Em alta temperatura ou humidade, a probabilidade de falha aumenta. Não passa na inspecção de qualidade IPC.

Violação 2 — Pino de entrada do 7805 não conectado:

O que está errado: O pino 1 (entrada de tensão, VIN) do regulador LM7805 não tem trilha conectada à rede VIN. A netlista diz que deve estar ligado a VIN, mas no PCB não existe trilha.

Consequência: A fonte não funciona — o 7805 não tem tensão de entrada. Equivale a um componente sem alimentação. O produto chegaria ao cliente sem funcionar.

Violação 3 — Trilha de alimentação demasiado estreita (0,15 mm para PWR_5V):

O que está errado: A trilha que liga o conector de saída J1 ao condensador C1 (5 V de saída, presumivelmente com corrente de carga) tem apenas 0,15 mm — inferior ao mínimo de 0,25 mm configurado para esta net.

Consequência: A trilha aquece excessivamente quando a corrente de carga for elevada, podendo queimar o FR4 adjacente, degradar a soldadura nos pads, ou até fundir a trilha em situação de sobrecarga.

Exercício 2 (15 pts)

Propõe a correcção concreta de cada uma das 3 violações no KiCad.

Correcção da Violação 1 — Clearance:

No PCB Editor do KiCad: 1. Usar a ferramenta "Find" (Ctrl+F) para localizar a coordenada (23.4, 31.2) mm 2. Identificar as duas trilhas/pads que estão demasiado próximos 3. Seleccionar a trilha menos crítica (geralmente a GND — mais fácil de mover) 4. Mover a trilha ou redireccionar o seu trajecto para que o clearance seja ≥ 0,15 mm 5. Usar o Interactive Router ("X") para reroutear automaticamente com as regras activas 6. Repetir o DRC e verificar que a violação desapareceu

Correcção da Violação 2 — Unconnected net:

Verificar primeiro no Schematic Editor: confirmar que o pino 1 do 7805 está ligado à rede VIN no esquema (pode ser um erro de símbolo ou netlista)
Se o esquema está correcto: no PCB Editor, usar "Update PCB from Schematic" para reimportar a netlista
No PCB Editor: traçar a trilha em falta do pino 1 do U1 até ao nó da rede VIN (provavelmente a saída da ponte de Graetz ou o pad positivo de um condensador)
Verificar a largura da trilha (deve ser adequada para a corrente de entrada do 7805 — até 1,5 A → mínimo 0,5 mm)
Correr DRC novamente para confirmar zero "unconnected"

Correcção da Violação 3 — Trilha estreita:

No PCB Editor: clicar na trilha PWR_5V entre J1 pin 1 e C1 pad 1
Verificar a corrente máxima que passa nesta trilha (especificação da fonte)
Para 500 mA: mínimo 0,15 mm (já viola); para 1 A: mínimo 0,25 mm; para segurança usar 0,5 mm
Seleccionar a trilha → Properties → Width → alterar para 0,5 mm (ou mais)
Se a trilha não couber com a nova largura (clearance insuficiente com vizinhos): reroutear num trajecto alternativo
Correr DRC novamente

Exercício 3 (10 pts)

Após corrigir as 3 violações, o DRC mostra agora 0 erros e 0 avisos. Descreve os passos seguintes até ter a placa fabricada e pronta a montar.

Revisão final do layout (design review):
Verificar silkscreen: referências e valores de todos os componentes visíveis e correctos
Verificar que o outline (Edge.Cuts) fecha correctamente
Verificar furos de montagem mecânica e respectivas dimensões
Verificar courtyard (espaço de exclusão) de cada componente
Exportar Gerbers (File → Plot → Gerber):
Seleccionar todas as camadas necessárias: F.Cu, B.Cu, F.SilkS, B.SilkS, F.Mask, B.Mask, Edge.Cuts
Gerar Excellon drill file
Comprimir todos os ficheiros num único ZIP
Verificar os Gerbers com um viewer (Gerbv, online em gerber-viewer.jlcpcb.com):
Confirmar que todas as camadas têm a aparência esperada
Verificar que a escala está correcta (medir dimensões conhecidas)
Encomendar ao fabricante (ex: JLCPCB):
Upload do ZIP
Configurar: 2 layers, 1,6 mm, FR4, HASL, verde, 5 peças
Verificar o preview 3D no site do fabricante
Confirmar encomenda e aguardar entrega (7–14 dias para China)
Receber e inspeccionar a placa nua:
Verificar dimensões e furos
Confirmar que não há danos de transporte
Montar os componentes (soldadura THT/SMD conforme o circuito)
Inspecção e teste (ver bloco 6 dos slides)

Grupo III · Escrever especificação de PCB para fabricante (40 pts)

Uma placa de interface de microcontrolador para sensor de temperatura tem as seguintes características: - Dimensões: 50 × 50 mm - 2 camadas (F.Cu + B.Cu) - Componentes: mistos (THT e SMD 0805/0603) - Pista mínima: 0,2 mm (sinal) e 0,5 mm (alimentação) - Clearance: 0,15 mm - Furos mínimos: 0,5 mm (vias) e 0,8 mm (THT) - Corrente máxima de alimentação: 300 mA a 5V - Aplicação: electrónica educacional (protótipo) - Quantidade desejada: 5 peças

Exercício 1 · Especificação completa (25 pts)

Preenche a especificação completa para enviar ao fabricante JLCPCB, justificando cada escolha.

Parâmetro	Escolha	Justificação
Base Material	FR4	Standard para electrónica; suficiente para aplicação educacional
Layers	2	Sinal misto; circuito não-crítico em RF
Dimensions	50 × 50 mm	Especificado no enunciado
PCB Qty	5	Quantidade especificada
Different Design	1	Um único design
Delivery Format	Single PCBs	Placas individuais (não em painel)
PCB Thickness	1,6 mm	Standard; rigidez adequada para conectores
PCB Color	Green	Mais económico; adequado para protótipo educacional
Silkscreen	White	Contraste com verde; legibilidade das referências
Surface Finish	HASL (with lead)	Económico; soldabilidade adequada para Sn63Pb37 em laboratório
Outer Copper Weight	1 oz	Suficiente para 300 mA; 300 mA em trilha 0,5 mm → ΔT < 10°C
Via Covering	Tented	Vias cobertas com solder mask → protecção e aspecto cuidado
Min Hole Size	0,5 mm	Conforme especificado; furos THT de 0,8 mm OK
Min Track/Spacing	8/6 mil (0,2/0,15 mm)	Track min 0,2 mm e clearance 0,15 mm conforme design
Board Outline Tolerance	±0,2 mm	Standard adequado para uso não-crítico
Impedance Control	No	Não há linhas de RF ou impedância controlada no circuito

Custo estimado (JLCPCB): ≈ 2 USD + envio (5–8 USD para Portugal) = ≈ 10 USD total para 5 peças.

Exercício 2 · Verificação antes de enviar (15 pts)

Antes de submeter os ficheiros ao fabricante, lista as 5 verificações mais importantes que deves fazer (checklist de pré-envio).

Checklist pré-envio de PCB ao fabricante:

DRC com 0 erros — correr o DRC com as regras definidas (clearance ≥ 0,15 mm, trace width ≥ 0,2 mm, drill ≥ 0,5 mm) e confirmar que não há violações. Nenhum "unconnected net".
Verificar os Gerbers num viewer externo — abrir os ficheiros Gerber gerados num viewer independente (Gerbv gratuito, ou o viewer online do próprio JLCPCB). Verificar que cada camada aparece correcta, as dimensões conferem com as esperadas, e não há artefactos ou layers em falta.
Confirmar dimensões e contorno (Edge.Cuts) — medir as dimensões da placa no viewer (devem ser 50,00 × 50,00 mm ± tolerância). Verificar que o contorno é um rectângulo fechado sem lacunas.
Verificar polaridades no footprint — rever visualmente (ou com o viewer 3D do KiCad) as polaridades dos condensadores electrolíticos, díodos, LEDs e ICs. O "+" e o anel no footprint devem corresponder à orientação correcta.
Confirmar que o ficheiro drill está incluído e correcto — o ZIP deve conter o ficheiro Excellon (.drl). Verificar no viewer que os furos aparecem nas posições e tamanhos correctos (furos THT de 0,8 mm, vias de 0,5 mm, furos de montagem de 3,2 mm se existirem).

(Verificação bónus: confirmar no preview 3D do site do fabricante que a placa tem a aparência esperada antes de confirmar o pagamento.)