Desenhar e produzir placas de circuitos impressos

Apresentação

UC00653 (25h) do curso Técnico de Sistemas de Computação e Redes. Cobre o ciclo completo de desenvolvimento de uma PCB: desde o conceito à placa montada e testada. Inclui o uso do software de EDA KiCad, regras de layout, fabricação artesanal e por serviços profissionais online, técnicas de soldadura THT e SMD, e inspecção segundo normas IPC.

1. Fundamentos de PCB

1.1 Estrutura de uma PCB

Uma PCB é constituída por: - Substrato: material isolante base (FR4 = fibra de vidro + resina epóxi) - Pistas de cobre (tracks/traces): condutores criados por processo de substractivo (gravura) - Pad: área de cobre para soldar um componente - Via: furo metalizado que liga camadas diferentes - Solder mask: verniz protector sobre as pistas (verde, vermelho, azul, preto...) - Silkscreen: texto e marcas impressas sobre a solder mask (referências, polaridades) - Plano de massa/alimentação: grande área de cobre ligada a GND ou VCC

1.2 Espessuras de cobre

O cobre é especificado em onças por pé quadrado (oz/ft²): - 1 oz = 35 µm de espessura (padrão) - 2 oz = 70 µm (maior corrente, mais resistente) - 0,5 oz = 17 µm (HDI, flex)

1.3 Materiais

FR4: material standard. Tg (temperatura de transição vítrea) = 130°C para FR4 standard, 170°C para FR4 High-Tg. Acima de Tg, o material amolece — importante em aplicações de alta temperatura ou soldadura intensiva.

Alumínio (MCPCB): substrato de alumínio com uma fina camada dieléctrica. Excelente dissipação de calor — obrigatório para LEDs de alta potência (> 1 W).

Flex (Poliimida): dobra sem partir. Usado em câmaras de smartphones, teclados, conectores de disco.

2. KiCad — Guia de instalação e uso

2.1 Instalação

1. Descarregar KiCad 7.x de https://www.kicad.org/download/
2. Instalar com todas as bibliotecas (footprints e symbols) — ≈ 2 GB
3. Abrir KiCad → Project Manager

2.2 Criar um novo projecto

1. File → New Project → escolher pasta e nome
2. O projecto cria automaticamente: .kicad_pro, .kicad_sch, .kicad_pcb

2.3 Schematic Editor — passos básicos

Adicionar componentes: 1. Pressionar A → Symbol Chooser → pesquisar (ex: "R" para resistência, "C" para condensador, "LM741" para AOP) 2. Clicar para colocar; R para rodar; E para editar propriedades 3. Definir Reference (ex: R1), Value (ex: 10k), e Footprint

Ligar componentes: 4. Pressionar W → traçar fio entre pinos; Esc para parar 5. Adicionar power symbols: P → pesquisar "VCC", "GND", "+5V" 6. Verificar: Inspect → Electrical Rules Checker → corrigir todos os erros

2.4 Footprint Assignment

Cada símbolo esquemático precisa de um footprint PCB:

2.5 PCB Editor — passos básicos

1. Abrir PCB Editor → Update PCB from Schematic (importa a netlista)
2. Definir Board Outline (Edge.Cuts layer): traçar o rectângulo da placa
3. Posicionar componentes: arrastar cada componente para o seu lugar
4. Rotear trilhas: X para iniciar trilha; escolher a layer (F.Cu ou B.Cu); clicar nos pads a ligar
5. Via: durante o roteamento, pressionar V para adicionar via e mudar de layer
6. Ground fill: adicionar zona de cobre ligada a GND (Layer F.Cu → Add Filled Zone → GND)
7. DRC: Inspect → Design Rules Checker → Run DRC → zero erros antes de exportar

2.6 Exportar Gerbers

File → Plot → seleccionar: - F.Cu, B.Cu, F.SilkS, B.SilkS, F.Mask, B.Mask, Edge.Cuts - Formato: Gerber (RS-274X) - Plot → Generate Drill Files → Excellon format

Comprimir todos os ficheiros num ZIP → enviar para fabricante.

3. Regras de Layout

3.1 Largura de trilha vs corrente — tabela IPC-2221

Dados para camada exterior, ΔT = 30°C acima da temperatura ambiente:

Regra prática: para sinais digitais baixa corrente (< 100 mA): usar 0,25 mm como mínimo.

Fórmula IPC-2221 (para cálculo exacto): - Camada externa: I = 0,048 × ΔT^0,44 × A^0,725 (A em mils²) - Camada interna: I = 0,024 × ΔT^0,44 × A^0,725

Exemplo: calcular largura mínima para 3 A, ΔT = 30°C, camada externa:

$$3 = 0{,}048 \times 30^{0{,}44} \times A^{0{,}725}$$ $$30^{0{,}44} = 4{,}89$$ $$A^{0{,}725} = \frac{3}{0{,}048 \times 4{,}89} = \frac{3}{0{,}2347} = 12{,}78$$ $$A = 12{,}78^{1/0{,}725} = 12{,}78^{1{,}379} = \textbf{38{,}5 \text{ mils}^2}$$ $$\text{Largura} = \sqrt{38{,}5} / 1 \approx 6{,}2 \text{ mils} = \textbf{0{,}16 mm}$$

(Nota: A é área transversal em mils², não largura. Para 1 oz = 1,38 mils de espessura: W = A/1,38 = 38,5/1,38 = 27,9 mils = 0,71 mm)

Na prática: usar a tabela IPC-2221 ou uma calculadora online (e.g., https://www.4pcb.com/trace-width-calculator.html).

3.2 Clearance mínimo

3.3 Boas práticas de layout

Desacoplamento: cada CI de alimentação deve ter um condensador de bypass de 100 nF o mais próximo possível dos seus pinos VCC/GND.

Plano de massa: em PCB dupla face, usar a segunda face como plano de massa contínuo — reduz ruído e facilita o roteamento.

Retorno de corrente: em sinais de alta frequência, o retorno (GND) deve percorrer um caminho próximo da trilha de sinal — daí a importância do plano de GND.

90° vs 45°: evitar cantos a 90° em trilhas — usar curvas a 45° (mais estético e ligeiramente melhor em RF). No KiCad: Routing → Interactive Router Settings → 45 degree mode.

Espaçamento de pads SMD: seguir as recomendações do fabricante do componente (IPC-7351 — padrão de land patterns).

4. Fabricação de PCB

4.1 Processo fotoquímico artesanal — passo a passo detalhado

Material necessário: - Placa de PCB sensível (fotoresiste positivo pré-laminado) - Lâmpada UV (expositor UV ou caixa com lâmpadas UV) - Revelador: NaOH 1% (hidróxido de sódio a 1 g/L de água) - Ácido de gravura: percloreto de ferro FeCl₃ (50 g/100 mL) ou mistura H₂O₂ + HCl (mais rápida) - Acetona (para remover fotoresiste após gravura) - EPI: luvas, óculos, avental, exaustão (ácido e vapores)

Passo a passo:

1. Preparação do positivo: imprimir o layout em transparência laser (invertido/espelhado para face de baixo). Verificar que as pistas são completamente opacas — usar impressora a laser com 100% de preto e papel vegetal de boa qualidade.

2. Exposição UV: colocar a transparência sobre a face sensível da placa; pressionar com vidro. Expor à UV durante 2–4 minutos (depende da fonte UV — calibrar com testes). O fotoresiste exposto à UV torna-se solúvel no revelador.

3. Revelação: imergir a placa em solução NaOH 1% à temperatura ambiente, agitando suavemente. As pistas devem aparecer em 30–60 segundos. Lavar com água corrente e secar.

4. Gravura (FeCl₃): imergir em percloreto de ferro aquecido (40–50°C acelera). Agitar continuamente. O cobre exposto dissolve-se; as pistas (cobertas com fotoresiste) ficam protegidas. Tempo: 5–15 minutos. Verificar visualmente. Lavar muito bem com água — FeCl₃ mancha permanentemente.

5. Remoção do fotoresiste: aplicar acetona com algodão sobre as pistas — o fotoresiste dissolve-se, revelando o cobre brilhante.

6. Acabamento: perfurar com berbequim (broca 0,8–1,0 mm para componentes standard). Opcionalmente: aplicar verniz de protecção ou tinagem química.

Segurança: - FeCl₃ mancha permanentemente roupas e superfícies — usar avental e luvas - NaOH é cáustico — não tocar nos olhos; lavar imediatamente com água em caso de contacto - Trabalhar com ventilação adequada - Neutralizar os líquidos de gravura antes de deitar fora (não deitar no esgoto)

4.2 Comparação de serviços de fabricação online

Ficheiros necessários (para JLCPCB): - ZIP com todos os Gerbers exportados do KiCad - Especificações: número de camadas, cor de solder mask, espessura (1,6 mm), Cu (1 oz) - Opcionalmente: BOM + CPL para assembly SMD

5. Soldadura

5.1 Soldadura THT — guia completo

Ferro de soldar: preferir estação de soldar com temperatura controlada (Hakko FX-888D, PACE, JBC). Temperatura: 320–350°C para Sn63Pb37; 350–380°C para SAC305 (sem chumbo).

Preparação: - Limpar a ponta do ferro com esponja húmida (não seca — risco de choque térmico) ou lã de aço - Estanhar a ponta antes de usar (apply a small amount of solder)

Técnica de soldadura: 1. Inserir o componente no furo; dobrar os terminais ligeiramente (45°) para não cair 2. Tocar com a ponta do ferro no pad e no terminal em simultâneo — não nos dois em separado 3. Aguardar 1–2 segundos para o metal aquecer 4. Adicionar o estanho (fio de soldar) ao ponto de contacto pad+terminal — não ao ferro 5. O estanho flui por acção capilar para o pad e furo (se aquecido correctamente) 6. Remover o estanho, depois o ferro; não mover o componente durante 3–5 s até solidificar

Aspecto da boa soldadura: côncava, brilhante (Sn63Pb) ou ligeiramente opaca (SAC305), cobre completamente o pad.

Soldaduras frias (cold joint): opacas, granuladas, não adesivas — refazer com mais fluxo e calor.

Pontes de estanho: remover com malha de dessoldagem + fluxo, ou com bomba de vácuo.

5.2 Soldadura SMD — hot air

Material: estação hot air (Hakko FR-301, Quick 861DW), fluxo gel, pinças SMD de precisão.

Procedimento: 1. Aplicar uma gota de fluxo gel sobre os pads 2. Colocar o componente SMD com pinças, aproximadamente alinhado (não precisa de ser perfeito) 3. Hot air: temperatura 320–380°C, fluxo de ar 3–5 (baixo a médio), bico de 3–5 mm 4. Apontar para os pads do componente em movimentos circulares — não apontar directamente para o componente 5. Quando o fluxo borbulha e o estanho funde, o componente auto-alinha-se (tensão superficial) 6. Remover o hot air; não tocar até arrefecer (15–30 s)

5.3 Checklist de inspecção de placa

• [ ] Todos os componentes presentes e nas posições correctas
• [ ] Polaridades correctas: electrolíticos (+ para +), díodos (barra = cátodo), ICs (pino 1)
• [ ] Sem pontes de estanho entre pads
• [ ] Sem soldaduras frias (opacas, fracturadas)
• [ ] Sem componentes tombados (SMD tombstone effect)
• [ ] Furos THT completamente preenchidos com estanho (visível dos dois lados)
• [ ] Resistência GND–VCC > 1 kΩ (sem curto)
• [ ] Tensões DC nos pontos-chave dentro do esperado antes de ligar carga

6. Especificação de PCB para fabricante (exemplo JLCPCB)

Ao submeter uma placa ao JLCPCB (ou similar), preencher:

7. Glossário

Annular ring: anel de cobre ao redor do furo de uma via ou pad THT; mínimo 0,15 mm

Clearance: espaçamento mínimo entre dois conductores diferentes para evitar curto-circuito

DRC (Design Rule Check): verificação automática de violações de regras de design no PCB editor

ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold): acabamento superficial de ouro — excelente soldabilidade, ideal para SMD fino; mais caro que HASL

Gerber: formato de ficheiro standard para transmitir o design da PCB ao fabricante (RS-274X)

HASL (Hot Air Solder Leveling): acabamento de estanho aplicado a quente — económico e soldável

HDI (High Density Interconnect): PCBs com vias laser (micro vias), pads extremamente pequenos; para BGA e chips avançados

Land pattern: padrão dos pads no PCB para um dado footprint de componente

Netlista: lista de conexões eléctricas entre pinos de componentes (exportada do schematic para o PCB)

Solder mask: verniz protector sobre as pistas; impede oxidação e pontes de estanho na soldadura por onda

Stencil: folha de aço inox perfurada para aplicação de pasta de soldar SMD

Tg (Glass Transition Temperature): temperatura a partir da qual o substrato amolece — importante para fiabilidade em temperaturas elevadas

Via: furo metalizado que conecta eléctricamente duas camadas de cobre diferentes