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UNIVESIDADE DE CAXIAS DO SUL

CAMPUS UNIVERSITÁRIO DA REGIÃO DOS VINHEDOS

CENTRO DE CIÊNCIAS EXATAS, DA NATUREZA E TECNOLOGICA CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA

MAIKON ANDRÉ BELLAVER

DESENVOLVIMENTO DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

BENTO GONÇALVES

2008

MAIKON ANDRÉ BELLAVER

DESENVOLVIMENTO DE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

Relatório de projeto de pesquisa apresentado na disciplina Iniciação à Pesquisa. Orientado pelo Professor Cedenir Roberto Caumo. Universidade de Caxias do Sul. Campus Universitário da Região dos Vinhedos.

BENTO GONÇALVES

2008

S

UMÁRIO

INTRODUÇÃO.............................................................................................................4

  1. EMI E EMC...............................................................................................................6

    1. EMI – INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA.............................................6

    2. EMC – COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA........................................7

  1. LEAD FREE E ROHS...............................................................................................8

    1. EFEITOS DA NÃO UTILIZAÇÃO DO CHUMBO..............................................9

  1. PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO.....................................................................10

    1. TIPOS DE MATERIAIS UTILIZADOS............................................................11

    2. TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE UMA PCB.............................................11

  1. TÉCNICAS E CONCEITOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE PCB.................13

    1. BLINDAGEM DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS....................................13

    2. POSICIONAMENTO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS......................15

      1. REFLEXÃO...........................................................................................16

      2. INTERFERÊNCIA ENTRE COMPONENTES.......................................17

    3. POSICIONAMENTO, ESPESSURA E COMPRIMENTO DE TRILHAS.........20

    4. APLICAÇÃO DE LAYERS E PLANOS DE COBRE.......................................20

  1. CONEXÕES...........................................................................................................24

  1. OCCAM – CONSTRUÇÃO DE PCB SEM SOLDA...............................................25

CONCLUSÃO............................................................................................................27

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..........................................................................28

INTRODUÇÃO

Com o grande avanço no desenvolvimento de equipamentos eletrônicos ocorridos nas ultimas décadas, bem como o grande aperfeiçoamento e miniaturização dos componentes eletrônicos, surgiu à necessidade de organizar estes componentes eletrônicos que constituem um determinado circuito elétrico em bases rígidas para facilitar o manuseio dos mesmos, reduzindo assim a fiação existente e a área ocupada pelo circuito elétrico ou eletrônico.

A forma mais barata e viável encontrada foi a utilização de placas planas constituídas por materiais isolantes no qual os componentes eletrônicos são fixados e soldados em trilhas de cobre existentes nesta placa que formam as ligações do circuito elétrico, substituindo assim os cabos e fiações, alem de apresentar uma aparência melhor, mais organizada, do que as montagem no estilo ponte, mais conhecido como montagem “aranha”. Estas placas são denominadas Placas de Circuito Impresso (PCB – Printed Circuit Board).

Sendo então o desenvolvimento de PCBs uma técnica não muito recente, aproximadamente 60 anos de existência, elas foram se aprimorando no mesmo ritmo em que os componentes e circuitos eletrônicos passavam a ser mais rápidos no processamento de sinais, mais confiáveis, robustos e de tamanho menor, fazendo com que hoje os equipamentos eletrônicos sejam cada vez menores.

Com esta evolução dos componentes e equipamentos eletrônicos, a PCB passou a ser cada vez mais importante no desenvolvimento de um equipamento eletrônico do que apenas um objeto de fixação e organização, mas sim, passou a ser um dos pontos mais críticos e importantes no desenvolvimento de um projeto eletrônico, sendo uma parte fundamental para o funcionamento dos circuitos, não de forma direta, como processar um sinal, controlar o fluxo de corrente de uma determinada ligação, entre outras, mas passou a ser parte do circuito de forma indireta, podendo melhora o pioram o desempenho, e é este o principal assunto deste projeto de pesquisa, elaborar as melhores técnicas de desenvolvimento de placas de circuito impresso para melhor ser o rendimento do circuito eletrônico, seja ela em velocidade de processamento, de imunidade a ruídos, dissipação de calor emitido pelos componentes eletrônicos, posicionamentos, etc.

Esta necessidade de desenvolver um projeto de PCB cujos parâmetros atendem as exigências operacionais de um determinado circuito eletrônico, atender a tais normas, entre outras, já são amplamente empregadas em empresas especializadas em desenvolvimento de produtos eletrônicos, sendo então estas técnicas de desenvolvimento de PCBs um tanto particulares, algumas empresas seguem determinadas técnicas e exigências, enquanto outras empresas seguem outras técnicas, teorias, etc.

Sendo então a técnicas, métodos e conceitos de desenvolvimento de placas de circuito impresso um assunto não abordado em salas de aula e não sendo implementado na maioria dos projetos eletrônicos desenvolvidos por alunos, este projeto de pesquisa propõe de forma clara os conceitos para o desenvolvimento de uma PCB a fim de minimizar possíveis problemas no funcionamento do circuito eletrônico.

  1. EMI E EMC

Quem já não teve problemas de interferência eletromagnética ou que percebeu alterações no funcionamento de equipamentos eletrônicos? Uma experiência simples e rápida para comprovar os efeitos da interferência eletromagnética é liga uma televisão e um liquidificador na mesma rede de alimentação e você verá alterações de funcionamento da televisão.

Neste caso a imagem gerada pela televisão ficará distorcida devido a distorções na forma de onda da tensão da rede de alimentação e pela emissão radiada pelos contatos do motor do liquidificador durante o processo de acionamentos do motor, alterando assim os sinais das emissoras de televisão em um curto espaço físico, interferindo inclusive no funcionamento dos dispositivos eletrônicos da televisão.

    1. EMI – INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA

A interferência eletromagnética (EMI – Eletromagnetic Interference) é uma forma de poluição ambiental. Seus efeitos no ambientes podem ser variados conforme o local emitido e quem está sendo prejudicado por esta interferência, podendo causar desde perturbações pequenas em sinais de rádio e televisão como mencionado acima, até acidentes potencialmente fatais, sendo este um dos motivos de se proibir o uso de telefone celular em aviões decorrente a possíveis interferências que estes equipamentos podem causar nos instrumentos de controle e navegação do avião.

A interferência eletromagnética é um campo ou onda elétrica ou magnética que pode ou não alterar o funcionamento ou até danificar um equipamento eletrônico.

A interferência eletromagnética pode ser proposital ou acidental e pode ter origem natural ou artificial. Um exemplo de interferência elétrica natural são as descargas atmosféricas e os ventos solares, podendo causar o mau funcionamento de satélites de comunicação que orbitam o planeta TERRA. Estes efeitos são mais visíveis durante o meio dia, basta visualizar a imagem de uma televisão que captam sinais de transmissoras por satélite, verá que a imagem apresentará chuviscos.

Já a interferência eletromagnética artificial é aquela gerada por equipamentos elétricos, como exemplos, podemos citar o centelhamento de um motor que utiliza escovas para acionamento das bobinas do motor, ignição de motores automotivos, acionamento de circuitos de potencia, telefone celular e outros equipamentos eletrônicos móveis, etc. Todos estes eventos podem causas alterações como atenuação em tensões de alimentação, transientes, picos de tensão, distúrbios em sinais radiados, entre outros.

A interferência eletromagnética pode ser radiada, do qual não precisa de um meio para se propagar, conduzida, que precisa de um meio para se propagar, e induzida, que é acima de freqüências de 30MHz.

A EMI irradiada é aquela que se propaga sem um meio, é como um sinal de rádio ou celular, mas ao contrário destes sinais, a interferência eletromagnética se soma a estes sinais irradiados e formam um sinal totalmente diferente do original, causando erros de comunicação de dados, alterações em níveis de tensão em circuitos elétricos, etc. A EMI conduzida utiliza os condutores elétricos para se propagar, um exemplo de EMI conduzido são os picos de tensão e transientes.

Já a EMI induzida é mais rara pois ocorre em freqüências mais altas, neste caso ocorre à geração de correntes parasitas nos circuitos eletrônicos decorrentes da interferência irradiada.

    1. EMC – COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA

Os perigos que a interferência eletromagnética traz podem ser controlados pela adoção de técnicas de proteção a inibição dos efeitos trazidos, estas atitudes são denominadas de compatibilidade eletromagnética (EMC), que pode ser definido como a habilidade de sistema elétrico ou eletrônico de operar sem interferir em outros sistemas e descreve a habilidade de um sistema operar como pretendido em um ambiente quando submetido ou exposto a EMI.

Efetivamente a compatibilidade eletromagnética requer que o sistema seja projetado, manufaturado e testado com respeito ao ambiente eletromagnético operacional previsto: isto é, a totalidade de fenômenos eletromagnéticos existentes no local. O termo "eletromagnético" tende a sugerir uma ênfase sobre fenômenos relacionados aos campos de alta freqüência. Na prática a definição de EMC cerca todas as freqüências e meios de acoplamento, desde DC até 400GHz.

A compatibilidade eletromagnética torna-se problemática a partir que vários sistemas elétricos são acomodados em uma instalação única e compacta, como num veiculo. Nestes casos, sistemas susceptíveis podem ser colocados muito próximos a emissores de EMI, a partir disto, precauções especiais são necessárias para manter a compatibilidade entre os sistemas. Para fazer isto, deve-se ter um conhecimento detalhado da instalação e das características dos emissores e dos afetados para aumentar a EMC do sistema num todo.

  1. LEAD FREE E ROHS

Com a diretiva Restriction of Hazardous Substances (RoHS), proíbe a comercialização na Europa de produtos eletroeletrônicos que contenham metais pesados como chumbo, cádmio, mercúrio e cromo e dos retardantes de chamabromobifenilas (PBB) e éteres de bromobifenilas (PBDE), que entrou em vigor em 1º de julho de 2006, as empresas tem tido a missão de implantar em seus processos fabris o uso de solda sem chumbo, conhecido como Lead Free ou Pb-Fress.

Em 2007, os Estados Unidos adotaram restrições semelhantes para a entrada de eletrônicos com estes metais pesados no país. Os fabricantes chineses têm 60% de sua produção em conformidade com a RoHS e também implementarão ainda este ano exigências semelhantes à restrição européia.

A maioria dos componentes eletrônicos tem sido tradicionalmente soldados com a liga de estanho e chumbo, sendo o chumbo um elemento que possui elevada toxicidade. A intoxicação de trabalhadores expostos ao chumbo pode ocorrer em longo prazo e ocasiona uma grave doença chamada de saturnismo. A legislação brasileira permite o uso do chumbo em soldas de componentes, porém a indústria tem questionado cada vez mais esse procedimento e tende a reduzir o uso de chumbo e implementar as ligas sem chumbo para a adaptação às exigências do mercado mundial. Este novo processo está alinhado com o que preconiza a ISO14.000, norma que diz respeito ao desenvolvimento de produtos e processos que causem grande impacto ambiental.

    1. EFEITOS DA NÃO UTILIZAÇÃO DO CHUMBO

As ligas de solda atualmente utilizadas são compostas por 62% de estanho e 38% de chumbo. Esta composição se caracteriza pela baixa temperatura de fusão, que é de 183ºC, e por suas características mecânicas e elétricas, alem de o chumbo ser barato. Já as ligas sem chumbo são mais caras e sua temperatura de fusão é superior a 220ºC, alem de apresentar uma textura final mais rugosa, conforme apresentado na Figura 1.

FIGURA 1(a): Solda com chumbo

FIGURA 1(b): Solda Lee Free

Todas estas mudanças relacionadas com a adoção das ligas sem chumbo podem ser retornadas adotando técnicas especificas de soldagem na linha de produção, mas quando se diz respeito a propriedades elétricas, as ligas sem chumbo deixam a desejar, tudo diz respeito com as características do elemento chumbo Pb.

O chumbo é um elemento conhecido como sendo um metal pesado, bem, o que é isso? No caso do chumbo, ele possui propriedade que fazem com que ele seja uma espécie de barreira contra ondas irradiadas, um exemplo de utilização do chumbo são os escudos de chumbo utilizados nas máquinas de raio-x, que faz com que as ondas de raio-x não atingem os operadores e outras pessoas próximas da máquina. Tendo esta característica, o chumbo auxilia na inibição dos efeitos de EMI em um circuito eletrônico.

  1. PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO

As placas de circuito impresso ou também conhecido como PCB (Printed Circuit Board), é uma das partes fundamentais do processo de desenvolvimento e construção de um equipamento eletrônico. É nela que são fixados todos os componentes eletrônicos e que contem todas as ligações elétricas do circuito. A Figura 2 mostra uma PCB com componentes eletrônicos soldados. As linhas de cor verde mais fraco são as ligações elétricas do circuito.

FIGURA 2: PCB

As placas de circuito impresso podem conter mais de uma camada de ligações elétricas, conhecidas como faces ou layers. Podendo variar conforme a aplicação e da complexidade do circuito, por exemplo, uma placa mãe de um computador pode ter de 8 a 20 faces.

    1. TIPOS DE MATERIAIS UTILIZADOS

As placas de circuito impresso podem ser produzidas com diferentes tipos de materiais, sendo que cada um possui diferentes características para a sua aplicação, seja ela referente à resistência mecânica, elétrica ou térmica. Para a parte isolante da PCB pode-se utilizar o fenolite, fibra de vidro, fibra de poliéster, filme de poliéster, etc.

Para a composição das ligações elétricas são utilizados o cobre, prata ou ligas a base de ouro, níquel, entre outras.

    1. TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE UMA PCB

Uma PCB é produzida a partir de uma lâmina de material isolante, seja ela fenolite, fibra de vidro, fibra de poliéster, filme de poliéster,entre outros, e nesta são gravadas as ligações elétricas do circuito através de caminhos condutivos, conhecidos como trilhas, estas trilhas podem ser adicionadas no material isolante de diversas formas, podendo ser por meio de serigrafia, gravação por meio fotográfico, transferência de imagem, jato abrasivo, deposição metálica, fresagem, etc.

Nos métodos de serigrafia, gravação por meio fotográfico e transferência de imagem, é necessária a corrosão das superfícies metalizadas da placa por mergulhamento ou por jato de solução química. A corrosão somente ocorrerá na superfície nua, isto é na superfície que não está coberta por tinta ou emulsão fotográfica queimada e revelada. Para produção em baixa escala, é utilizado o percloreto de ferro ou persulfato de amônia, para produção industrial onde se requer maior produtividade é utilizado o ácido nítrico e outros, que corroem com maior velocidade o metal.

Para placas que possuem mais de duas faces, cada camada de cobre é produzida separadamente, sendo cada placa podendo ter até duas faces. Após o processo de corrosão ou impressão das trilhas na placa, é feito a união destas placas formando apenas uma placa final através de prensagem, é como um sanduíche de placas. A Figura 3 mostra uma placa de 4 faces antes da união. Para separar as placas é utilizado material isolante para não curto-circuitar as superfícies metálicas. Já a Figura 4 mostra a placa de 4 faces com união concretizada.

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