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O que é uma PCB?

PCB — Printed Circuit Board (Placa de Circuito Impresso):

• Substrato isolante com pistas condutoras que substituem fios
• Permite montagem reproducível, fiável e industrial de componentes

Evolução histórica:

• 1943: Paul Eisler inventa o circuito impresso (rádio, Segunda Guerra Mundial)
• 1950s: comercialização; PCBs simplex (uma face)
• 1960s: placa dupla face (through-hole)
• 1970s: multi-layer (4, 6, 8+ camadas)
• 1980s: SMD (Surface Mount Device) — miniaturização radical
• 2000s+: HDI (High Density Interconnect), flex PCB, PCB em alumínio (LEDs)

Camadas de uma PCB

Single-layer (1 camada):

• Pistas apenas num lado — componentes THT no verso, pistas na frente
• Mais barata, simples, limitada em complexidade

Double-layer (2 camadas):

• Pistas em ambos os lados, conectadas por vias (furos metalizados)
• Relação custo/complexidade excelente — a mais comum em electrónica não-crítica

Multi-layer (4, 6, 8+ camadas):

• Camadas internas de sinal e planos de alimentação/massa
• Obrigatória em processadores, comunicações, RF de alta frequência
• Custo elevado; fabrico especial

Materiais de substrato

THT vs SMD

Ferramentas EDA — panorama

EDA — Electronic Design Automation: software para desenhar esquemas e PCBs.

Escolha para esta UC: KiCad — gratuito, profissional, exporta Gerbers standard, suportado pela CERN e pela comunidade.

KiCad — fluxo de trabalho

1. Schematic Editor (Eeschema)
   → desenhar o esquema eléctrico
   → atribuir valores e referências (R1, C1, U1...)

2. Footprint Assignment (CvPCB)
   → associar cada componente ao seu footprint PCB
   → ex: R1 (100Ω) → Resistor_SMD:R_0805_2012Metric

3. PCB Editor (Pcbnew)
   → posicionar componentes na board outline
   → rotear trilhas (manual ou autorouter)
   → definir zonas de cobre (fills)
   → correr DRC (Design Rule Check)

4. Gerber Export
   → gerar ficheiros para fabricação
   → enviar para JLCPCB, PCBWay, Eurocircuits...

KiCad — Schematic Editor (Eeschema)

Operações básicas:

• A: adicionar componente (symbol)
• W: traçar fio de ligação
• P: adicionar power symbol (VCC, GND, +5V)
• E: editar propriedades do componente (valor, referência, footprint)
• R: rodar 90°

Boas práticas:

• Usar symbols das bibliotecas oficiais (Device, Connector, MCU_ST_STM32...)
• Preencher sempre o campo "Footprint" para cada componente
• Adicionar notas de design (labels de poder, comentários)
• Correr ERC (Electrical Rules Check) antes de passar ao PCB

Regras de design fundamentais

Clearance (folga): distância mínima entre conductores distintos para evitar curto-circuito por arco ou resina insuficiente.

• Standard: 0,15–0,2 mm (6–8 mils) para PCB FR4 standard
• Alta tensão (>50 V): ≥ 0,5 mm; >250 V: ≥ 2 mm (IEC 60950)

Trace width (largura de trilha): determina a corrente máxima suportável.

(K = 0,048 para externo, 0,024 para interno; ΔT em °C; A em mils²)

• Para 1A, ΔT = 30°C, camada externa: W ≈ 0,25 mm (10 mils) mínimo
• Para 3A: W ≈ 0,8 mm (31 mils)
• Para sinais digitais baixa corrente: 0,2 mm é suficiente (IPC-2221)

Vias, Annular Ring e aspectos mecânicos

Via: furo metalizado que conecta duas camadas.

Annular ring: largura da coroa de cobre ao redor do furo.

• Mínimo: 0,15 mm (IPC-2221 classe B)
• Standard: 0,3 mm

Design para fabricação (DFM):

• Furos THT: mínimo 0,3 mm (standard 0,8–1,0 mm)
• Board edge clearance: ≥ 0,25 mm desde borda até condutor

DRC — Design Rule Check

O DRC verifica automaticamente violações de regras no PCB editor:

Erros comuns:

• Clearance violation: dois conductores demasiado próximos
• Unconnected net: fio no esquema sem trilha no PCB (netlista incompleta)
• Track too narrow: largura de trilha abaixo do mínimo definido
• Hole too small: furo menor que o mínimo do fabricante
• Copper poured over hole: zona de cobre cobre um furo por engano

Procedimento:

1. Configurar regras (Design Rules → Net Classes → definir clearance, trace width)
2. Correr DRC: Inspect → Design Rules Checker → Run DRC
3. Zero erros e zero avisos críticos antes de gerar Gerbers!

Processo fotoquímico artesanal

Para prototipagem ou aprendizagem — placa sensível à luz UV:

1. PREPARAÇÃO
   → Imprimir o layout em transparência/papel vegetal (espelhado)
   → Usar placa FR4 com fotoresiste positivo já laminado

2. EXPOSIÇÃO UV (≈ 2–4 min)
   → Colocar máscara sobre a placa; expor a luz UV
   → Fotoresiste exposto torna-se solúvel no revelador

3. REVELAÇÃO (solução NaOH 1%)
   → Agitar em revelador; pistas ficam visíveis
   → Lavar com água

4. ATAQUE (FeCl₃ ou H₂O₂+HCl)
   → Cobre exposto é dissolvido; pistas ficam protegidas
   → Lavar bem com água + neutralizar

5. REMOÇÃO DO FOTORESISTE (acetona)
6. PERFURAÇÃO + ACABAMENTO

Serviços profissionais de fabricação

Ficheiros necessários (Gerber set):

• F.Cu (cobre frente), B.Cu (cobre verso)
• F.SilkS, B.SilkS (serigrafias)
• F.Mask, B.Mask (solder mask)
• Edge.Cuts (contorno da placa)
• Excellon drill file (.drl)

Soldadura THT — ferramenta e técnica

Material:

• Ferro de soldar: 25–60 W; temperatura 320–380°C (mais alta para massa/planos)
• Estanho (solder): Sn63/Pb37 (tradicional, ponto fusão 183°C) ou SAC305 (sem chumbo, 217°C)
• Fluxo: remove óxidos; colufonium (resina), solúvel em água ou sem-lavagem (no-clean)
• Malha de dessoldagem / bomba de vácuo (para rework)

Técnica correcta:

1. Limpar a ponta do ferro (esponja húmida ou lã de aço)
2. Aquecimento: tocar simultaneamente no pad e no terminal do componente (não na estanho!)
3. Adicionar estanho ao ponto de contacto pad+pino (não ao ferro)
4. Remover ferro após 2–3 s; deixar arrefecer sem mexer
5. Junção perfeita: brilhante, cónica/côncava, sem excessos

Soldadura SMD — pasta, reflow e hot air

Pasta de soldar: mistura de pó de estanho + fluxo em pasta.

Processo reflow (industrial e amador com oven):

1. Aplicar pasta com stencil (folha de aço inox perfurada)
2. Colocar componentes com pinças ou pick & place
3. Forno de reflow: rampa 25→150°C (secagem), 150→183°C (activação fluxo), pico 215–245°C (fusão)
4. Arrefecimento controlado

Processo hot air (amador/rework):

1. Aplicar fluxo em gel sobre os pads
2. Colocar componente SMD com pinças
3. Apontar o hot air a ~350°C, mover em círculos até a pasta fundir
4. O componente auto-centra-se pela tensão superficial do estanho fundido

Inspecção visual e continuidade

Inspecção visual (lupa × 10 ou microscópio):

• Verificar: pontes de estanho, soldaduras frias, componentes tombados, polaridades
• Pontes de estanho SMD: remover com malha de dessoldagem + fluxo

Multímetro — continuidade:

• Modo bip (continuidade): verificar que nets ligadas têm continuidade (0 Ω)
• Modo resistência: verificar ausência de curto entre VCC e GND (deve ser MΩ antes de ligar)
• Modo diodo: verificar díodos e junções PN in-circuit

Sequência de verificação antes de ligar:

1. Inspecção visual 100% — verificar polaridades (electrolíticos, díodos, ICs)
2. Medir resistência VCC–GND com multímetro: deve ser > 1 kΩ
3. Ligar com fonte limitada em corrente (limite: 100 mA) — se a fonte limitar, há curto
4. Medir tensão nos pontos chave (reguladores, VCC de ICs)
5. Teste funcional

Normas IPC e qualidade

IPC (Association Connecting Electronics Industries):

Classes de qualidade (IPC-A-610):

• Classe 1: consumidor geral (mínima exigência)
• Classe 2: electrónica industrial e comunicações (standard)
• Classe 3: aeroespacial, médico, militar (máxima exigência)

Para aprendizagem: atingir Classe 2 é o objectivo prático.