PCI.doc

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

SUMÁRIO

INTRODUÇÃO.4

1 EMI E EMC.6

1.1EMI INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA.6

1.2EMC COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA.7

2 LEAD FREE E ROHS.8

2.1EFEITOS DA NÃO UTILIZAÇÃO DO CHUMBO.9

3 PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO.10

3.1TIPOS DE MATERIAIS UTILIZADOS.11

3.2TÉCNICAS DE CONSTRUÇÃO DE UMA PCB.11

4 TÉCNICAS E CONCEITOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE PCB.13

4.1BLINDAGEM DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS.13

4.2POSICIONAMENTO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS.15

4.2.1REFLEXÃO.16

4.2.2INTERFERÊNCIA ENTRE COMPONENTES.17

4.3 POSICIONAMENTO, ESPESSURA E COMPRIMENTO DE TRILHAS.20

4.4 APLICAÇÃO DE LAYERS E PLANOS DE COBRE.20

5 CONEXÕES.24

6 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.

1.1EMI 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.

1.2EMC 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.

2 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.

2.1 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(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.

3 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 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.

3.1 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.

3.2 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 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 mostra a placa de 4 faces com união concretizada.

FIGURA 3: PCB com vista explodida.

FIGURA 4: PCB prensada.

Depois de unidas às placas, é feito a furação e passagem de vias metálicas para realizar a junção das ligações elétricas entre as faces da PCB. Alem disso é adicionada uma espécie de tinta sobre a PCB para evitar a corrosão das partes metálicas da PCB, exceto lógico, nos pontos onde será feito o processo de soldagem dos componentes eletrônicos.

4 TÉCNICAS E CONCEITOS PARA O DESENVOLVIMENTO DE PCB

As placas de circuito impresso estão presentes em todos os lugares, estão nos telefones celulares, nos aparelhos domésticos, nos veículos de transporte, nos satélites e sondas espaciais, entre outros. Seja qual for o ambiente, as PCBs sofrerão algum tipo de interferência, seja qual for sua natureza de origem.

Deste modo, as PCBs devem apresentar um mínimo de segurança para ter alguma imunidade a estas interferências, para manter a compatibilidade eletromagnética no sistema (EMC) como mencionado no item 1.2. Esta forma de garantir a imunidade da PCB a interferências pode ser feita adotando componentes eletrônicos no circuito para que atuem como filtros ou dispersores de interferências ou adotando técnicas de desenvolvimento de PCBs que apresentem maior imunidade à interferência, e será este o assunto abordado, do qual pode-se aplicar técnicas de desenvolvimento para PCBs que ajudem a minimizar os efeitos de interferências externas ou internas no funcionamento do circuito.

Alem de serem bombardeadas por interferências externas, os próprios componentes eletrônicos, trilhas e vias da PCB podem causar interferências e mau funcionamento em outros componentes da PCB. Pensando nisso, há tempos vem se aplicando conceitos e técnicas para desenvolvimento de PCB que possam ser aplicadas em condições severas e mesmo assim garantir o seu funcionamento.

Estas medidas ganharam maior importância com o grande avanço dos sistemas de comunicação, hospitalares e especialmente no setor de transporte aéreo, onde não são permitidos qualquer que seja o problema de funcionamento em equipamentos eletrônicos, como sistemas de controle e navegação, dos quais podem causar acidentes aéreos e consequentemente possa causar vitimas fatais.

Pensando nestas aplicações onde problemas de funcionamento não são cogitados de forma alguma, foram desenvolvidos vários meios de aumentar a imunidade e integridade funcional de PCBs, sendo estas aprimoradas continuamente para maior segurança na aplicação.

4.1 BLINDAGEM DE EQUIPAMENTOS ELETRÔNICOS

Para proteção contra interferência elétrica externa, o principal método adotado é a blindagem elétrica por meio de carcaças metálicas.

A blindagem elétrica ou eletrostática consiste em atenuar, refletir ou conduzir para outro caminho as interferências externas que tendem a entrar no equipamento eletrônico. Neste caso a utilização de carcaças metálicas que envolvem o equipamento eletrônico, neste caso poderia ser uma PCB, funciona com o mesmo princípio de uma Gaiola de Faradey.

Uma Gaiola de Faradey é uma superfície condutora que envolve uma dada região e que pode impedir a entrada de sinais de interferências externas irradiadas e induzidas, ou seja, aquelas que não precisam de um meio para se propagar.

Ao mesmo tempo em que a blindagem impede que entre interferência no equipamento, a blindagem impede que a EMI gerada pelo equipamento possa ser eliminada no ambiente, sendo desta forma que se o equipamento eletrônico for um gerador potencial de EMI, ele mesmo poderá sofrer interferência com a sua própria geração de EMI.

Para blindagem de EMI que utilize meio físico para se propagar, ou seja, que utilize condutores elétricos para entrar no circuito, é utilizada a blindagem do cabeamento.

A blindagem de cabos elétricos é mais aplicada em casos que necessite de grande imunidade a ruídos para não intervir nos sinais contidos na fiação, na maioria das aplicações os cabos blindados são utilizados quando se há transmissão de dados de um sistema para outro e em casos de transferência de sinais de áudio, TV e vídeo, onde interferências podem alterar os sinais e estes serem percebidos no seu funcionamento.

A blindagem de condutores trata-se de uma malha de cobre que reveste o condutor, ficando eletricamente isolada por um meio, e opera com o mesmo princípio da Gaiola de Faradey. A mostra o corte transversal de um condutor com blindagem.

FIGURA 5: Cabo com Blindagem e resistência de 50 Ohms por metro.

Em grande parte das blindagens de circuitos e condutores, o atuador da blindagem, neste caso a carcaça de metal para equipamentos eletrônicos ou a malha de cobre para condutores são conectados ao potencial negativo, mais conhecido como GND ou TERRA do sistema, deste modo os sinais de EMI são conduzidos para um potencial mais baixo, ou que os sinais de EMI são aterrados.

4.2 POSICIONAMENTO DOS COMPONENTES ELETRÔNICOS

Os problemas de sinais distorcidos, perda de dados, mau funcionamento e os chamados bugs, não são causados somente por interferências externas ou internas que atuam sobre estes sinais, mas podem ser decorrentes do mau desenvolvimento da PCB.

Estes problemas podem estar relacionados com o posicionamento dos componentes na PCB, no comprimento de uma trilha e onde ela é traçada, na não aplicação de planos de cobre na PCB, na distância entre trilhas e muitos outros fatores.

Quando o termo é posicionamento de componentes em uma PCB, diretamente vem em mente que para qualquer pessoa que vá desenvolver uma PCB e que não tenha um mínimo de conhecimento, de primeira mão ela irá apenas jogar os componentes do circuito e rotear1 as ligação de modo que fique mais fácil e rápido para se finalizar o desenho.

Este método é utilizado pela grande maioria, e em muitos casos os problemas só aparecem quando o produto final é montado e posto para funcionar.

Na teoria um sinal digital é tratado como um sinal limpo, sem distorções, sem tempos de subida e descida, porem na pratica isto é bem diferente, os sinais podem sofrer diversos distúrbios, causados por características elétricas de componentes eletrônicos, por efeitos elétricos entre trilhas, etc. Abaixo, a dois sinais digitais, o sinal de cor azul mostra como seria um sinal digital limpo, sem interferências, já o sinal de cor vermelha mostra um sinal digital retirado de um circuito elétrico digital.

1 Ato de unir dois ou mais pontos de um circuito elétrico através de condutor elétrico em uma PCB. Normalmente é utilizado um software de CAD para realizar o desenho.

FIGURA 6: Imagem de sinal digital pulsado.

A maioria dos efeitos que o mau posicionamento dos componentes eletrônicos podem causar são:

1.1REFLEXÃO

Quando um sinal ou um pulso se propaga em uma linha de transmissão de impedância Z, e chaga em uma terminação ou carga de mesma impedância, toda a energia do sinal é transferida para a carga. Mas quando a carga possui uma impedância de entrada for maior, parte da energia transmitida pelo sinal não é consumida pela terminação da linha e esta energia é refletida ou devolvida para sua origem em forma de pulso.

A reflexão de sinais causam problemas com integridade de sinais, causam geração de EMI, efeito latch em correntes de saída e erros de leituras de dados.

A fórmula abaixo mostra o percentual de reflexão de um sinal em virtude das impedâncias de saída e entrada.

A mostra a reflexão de um sinal pulsado em uma linha de transmissão. O sinal de cor vermelha é o de origem, ou melhor, é o sinal gerado por uma saída, e o sinal de cor laranja é a imagem do mesmo sinal de origem, mas medido no final da linha de transmissão. Percebe-se que ambas as medições já possuem efeitos de reflexão, mesmo o sinal de saída, que acaba se somando com o sinal refletido e gerando uma forma de onda totalmente diferente de como deveria ser, um sinal pulsado, de forma quadrada.

FIGURA 7: Imagem de um sinal pulsado com efeito de reflexão.

1.2INTERFERÊNCIA ENTRE COMPONENTES

É normal que na eletrônica ocorra à interferência de um componente para outro. Esta interferência pode estar relacionada com chaveamento com correntes elevadas, níveis de tensões analógicas próximas de sinais digitais, freqüências de operação diferentes, perda ou distorção de sinais causados pelo comprimento de trilhas que derivam de um componente eletrônico para outro, etc.

Para tentar casar com as necessidades físicas e de aplicação da PCB, pode-se aplicar no desenvolvimento algumas regras básicas para melhor satisfazer o desenvolvedor e ainda manter a integridade funcional do circuito.

De primeira mão, um circuito eletrônico é dotado de varias parte ou blocos, circuitos digitais, no qual as informações são processadas e o controle das funções são executadas, circuito de potência, normalmente são circuitos de saída para acionamento de cargas, fonte de alimentação do circuito e circuitos analógicos para tratamento de sinais lineares, sem nível de tensão máxima e mínima definido.

1 O osciloscópio é um instrumento de medição que permite observar numa tela ou monitor uma diferença de potencial (ddp) ou tensão em referência a uma outra tensão e em função do tempo. A imagem é mostrada em duas dimensões, x e y como no plano cartesiano, o eixo x se refere ao tempo decorrente e o eixo y a amplitude da tensão.

Todos estes blocos que constituem quase que todo circuito eletrônico deve ser separado no projeto da PCB, não misturando os componentes de um bloco com outro, desta forma os sinais de EMI, níveis de tensão e corrente, freqüências e outros se mantêm afastados e a ligação física de um conjunto com outro se faz apenas pelo barramento de informações. Deste modo, se reduz drasticamente a interferência entre componentes devido suas características funcionais.

A mostra um exemplo de PCB com blocos do circuito separados.

FIGURA 8: Separação de Blocos.

Voltando ao assunto sobre posicionamento de componentes e sinais distorcidos, podemos melhorar a imagem dos sinais adotando técnicas que façam um casamento de impedâncias entre saída e entrada, para isso, podemos aplicar técnicas como resistores para terminação de linha de transmissão.

As terminações de linhas podem ser do tipo resistor a GND, resistor a VCC, paralelo a GND e VCC, resistor em série com a linha de transmissão.

Na aplicação com resistor a GND, mais conhecido com Pull Down, o resistor deve estar o mais próximo possível da terminação da linha, sua função é consumir a energia que não é consumida pela terminação da linha para que não seja refletida de volta a saída do sinal. A mostra uma linha de transmissão com resistor a GND.

FIGURA 9: Terminação paralela a GND.

A terminação com resistor a VCC, conhecido como PULL UP, é semelhante a com terminação a GND, o que difere de um para outro é a característica do tipo de saída que origina o sinal.

A mostra uma linha de transmissão com resistor a VCC.

FIGURA 11: Terminação paralela a VCC.

Quanto a aplicação de resistor em série com a linha de transmissão, nesta aplicação o efeito de reflexão é absorvido quando retorna a saída, ao contrário da aplicação com resistor em paralelo, que absorve as reflexões na terminação.

O resistor em série deve estar o mais próximo possível do inicio da linha, junto com a saída. A mostra uma linha de transmissão com resistor em séria.

FIGURA 12: Saída com resistor em série.

4.3 POSICIONAMENTO E COMPRIMENTO DE TRILHAS

Em uma PCB as trilhas tem a funções de substituir os cabos, e elas estão presentes em toda a área da placa, levando sinais de um lado para outro, indo para todos os lados.

Porem esta liberdade para as trilhas deve ser muito restrito, principalmente quando elas conduzem um tipo sinal e passam próximos a blocos ou componentes que possam intervir com o sinal, sendo isto um problema que muitas vezes não há uma solução em mãos, pois o caminho da trilha não pode ser interrompido e a necessidade de passar em locais inadequados se torna necessário.

Outro problema que encontramos é quando uma trilha se divide em duas ou mais trilhas, neste caso as cessões que seguem devem ter seus comprimentos semelhantes, caso contrário pode ocorrer reflexão de uma cessão para outra ou até erros de recepção do sinal causado pelo tempo de chegada do sinal de um ponto em relação ao outro. A mostra como deve ser a relação de comprimento de trilhas a partir de sua origem.

FIGURA 13: Relação de comprimento de trilhas.

4.4 APLICAÇÃO DE LAYERS E PLANOS

Layers ou planos são camada de cobre aplicados quase que em toda a extensão de uma face ou mais faces de uma PCB e ligados a GND ou VCC. Sua função no circuito é semelhante a um capacitor de placas paralelas, os planos podem atenuar ou até eliminar interferências devido sua grande área na PCB, ajuda na distribuição de corrente no circuito e, principalmente, minimiza os efeitos de Cross Talk.

Todo condutor quando energisado produz um campo elétrico e um campo magnético. O campo elétrico gera linhas que saem do centro do condutor e se propagam no ambiente, energizando quem está próximo. Já o campo magnético possui linhas esféricas ao longo da secção transversal e possui efeito parecido com de um imã.

O problema todo está relacionado com o campo elétrico gerado. Imagine uma trilha sendo energisada e próximo desta passa outra trilha. Irá ocorrer que o campo elétrico gerado ira intervir na outro, induzindo uma corrente elétrica nesta trilha, e este efeito é chamados de Cross Talk. A mostra três trilhas próximas uma da outra e a trilha do meio sendo energisadas, esta irá intervir com as outras.

FIGURA 14: Campo elétrico e magnético de uma trilha energisada.

Para reduzir os efeitos de Cross Talk, é aplicado os planos de cobre ou outro metal utilizado na PCB, os planos em outros layers acabam atraindo as linhas do campo elétrico e diminuindo assim o efeito sobre outras trilhas. A mostra as mesmas três trilhas em uma PCB que contem plano de cobre.

FIGURA 15: PCB com um e dois layers como plano de cobre.

Quando é aplicado dois planos de cobre sobre um layer de trilhas ocorre que grande parte do campo elétrico é atraído para os planos de cobre e acabam não afetando as trilhas mais próximas, já quando tem apenas um layer como plano de cobre, metade das linhas são atraídas para o plano.

Na tabela abaixo é citado alguns exemplos de seqüência de planos de cobre e layers com trilhas e componentes eletrônicos.

TABELA 1 posição dos planos de cobre em uma PCB de n layers.

Nº de layer

layer 1

layer 2

layer 3

layer 4

layer 5

layer 6

layer 7

layer 8

2

SINAL/

VCC

GND

4

SINAL/

VCC

GND

GND

SINAL/

VCC

6

VCC

SINAL/

GND

VCC

GND

SINAL/

VCC

GND

6

SINAL/

VCC

GND

SINAL/

VCC

GND

VCC

SINAL/

GND

6

SINAL

VCC

SINAL

SINAL

GND

SINAL

6

SINAL

SINAL

GND

VCC

SINAL

SINAL

8

SINAL

GND

SINAL

VCC

GND

SINAL

GND

SINAL

8

SINAL/

VCC

GND

SINAL/

VCC

GND

SINAL/

GND

VCC

SINAL/

GND

VCC

8

SINAL

VCC

SINAL

SINAL

SINAL

SINAL

GND

SINAL

Alem de serem aplicados para reduzir o efeito de Cross Talk e melhorar a distribuição de corrente elétrica para o circuito, o próprio plano de cobre deve ter separações quando este for aplicado em diferentes blocos do circuito da PCB, por exemplo, se no layer 1 estão os componentes de todos os blocos e trilhas e no layer 2 há um plano de cobre a GND, o mesmo plano de cobre teoricamente irá passar por todos os blocos.

Neste caso deve-se separar o plano de cobre em áreas conforme o bloco que se localiza no layer acima, por exemplo, separa o plano de cobre do bloco de controle como o plano de cobre do bloco de potência.

A separação ou corte de planos de cobre é necessária para que ruídos ou surtos de corrente de um bloco não afete outro através do plano de cobre que os unem. A união dos planos de mesmo nível potencial é feita em pontos de área menor para garantir a mesma diferença de potencial, assim o fluxo de corrente de um bloco do circuito para outro é mais controlado e protegido.

A mostra uma PCB de dois layers com planos de cobre separados devido à existência de blocos de controle digital e bloco de entradas analógicas, e a mostra um exemplo projeto de PCB com 6 layers sendo mostradas separadamente.

FIGURA 16: PCB com 6 layers.

5 CONEXÕES

Em qualquer PCB é visível ver um ou vários conectores, são por eles que os dados são recebidos ou transmitidos, por eles são acionadas as mais diversas cargas e feito a leitura de sensores, entre outros.

Grande parte de EMI que pode vir a causar efeitos indesejáveis em um circuito é por meio de condutores, e estes tem acesso a PCB via conectores, é por meio disto que a proteção contra EMI deve começar já nos conectores da PCB. Isto pode ser feito através da seqüência de polarização dos cabos de um conector e se alternando com os cabos de sinais. A mostra duas seqüências de como deveria ser os cabos de um conector com 34 vias.

FIGURA 17: Conector com 34 vias.

Esta seqüência de vias com sinal e vias com potencial fixo (GND ou VCC), não é muito aplicado pelos fabricantes e desenvolvedores, pois o custo elevado de um conector não compensa a prática desta técnica. Se levarmos em conta o exemplo da , onde está mencionando um conector de 34 vias, destas menos de 20 vias são de sinais e os demais são de alimentação. Neste caso a grande maioria iria optar por utilizar um conector de no máximo 25 vias, que seria bem mais barato que um conector de 34 vias.

6OCCAM - CONSTRUÇÃO DE PCB SEM SOLDA

OCCAM é um conceito de desenvolvimento de PCBs que ainda está em fase inicial de desenvolvimento.

A técnica consiste em não utilizar ligas de solda para conectar os componentes eletrônicos com as trilhas, porem, também não terá trilhas!

A mente, uma vez esticada por uma idéia nova, nunca retorna a suas dimensões originais. (Oliver Wendell Holmes, Occam Presentation for MicroPress,p. 65)

No OCCAM as trilhas são substituídas pela impressão de caminhos de cobre diretamente nos terminais dos componentes eletrônicos, não necessitando assim as ligas de solda e de temperaturas elevadas para o processo de soldagem.

O processo de fabricação seria o seguinte: Primeiramente os componentes eletrônicos são posicionados em um painel e adicionado um extrato liquido e isolante para fixação dos componentes. Este extrato é enrijecido e então o painel é perfurado para ter acesso aos terminais dos componentes.

Após a furação, é impresso a primeira camada de caminhos de cobre, depois de impresso é adicionado outro painel sobre a impressão de cobre e uma nova furação é feita para ter acesso aos caminhos de cobre impressos anteriormente. Uma nova impressão de cobre é realiza juntando-se com os caminhos impressos anteriormente. É deste modo que as ligações do circuito vão sendo realizadas.

Este método pode eliminar os conectores atuais e integrar os conectores na impressão de cobre, pode-se diminuir o encapsulamento atual dos componentes eletrônicos, eliminar os resíduos tóxicos que são gerados nos processos de soldagem atuais.

As Figuras 18 mostra como seria uma PCB desenvolvida com o conceito OCCAM.

FIGURA 18: Conceito OCCAM de construção de PCBs.

Este conceito ainda é muito futurista para os padrões atuais, mesmo que ela tenha bons resultados em questões funcionalidade, ambientais e de processo. Porem ainda não há maquinário para realizar este processo de fabricação e varias questões ainda estão sendo discutidas, como o fato de realizar manutenção em uma PCB, a espessura final que a PCB iria ter, questões de dissipação de calor dos componentes, entre outros.

CONCLUSÃO

Já é comprovado que a maioria dos problemas funcionais que equipamentos eletrônicos apresentam poderiam ter sido prevenidos se a sua compatibilidade elétrica fosse equivalente ao meio onde estavam operando, com isto podemos concluir que além de projetar equipamentos eletrônicos que sejam robustos em termos de componentes, estrutura física, rigidez e de boa aparência, pequenos detalhes como uma trilha mal posicionada, a inexistência de planos de cobre na PCB, entre outras, podem comprometer o funcionamento correto do equipamento.

O que nos implica no desenvolvimento de uma PCB que possa seguir todas as questões de segurança funcional, compatibilidade elétrica e integridade de sinais estão relacionadas com inúmeros fatores, mas a principal causa é o fator financeiro. Se todas as técnicas e conceitos de desenvolvimento de uma PCB fossem seguidas à risca em um projeto, o custo para fabricar esta PCB seria muito maior do que quando desenvolvida sem seguir conceito algum.

Ao longo dos anos se criou a mentalidade de que o custo ou faturamento em um equipamento eletrônico e em qualquer produto é mais importante do que garantir 100% de funcionalidade do equipamento. Se formos analisar os conceitos de desenvolvimento de PCB abordados, pode-se notar que em momento algum é cogitado o fato de existir uma PCB com apenas um layer, no mínimo dois. Mas a realidade é outra, se for possível rotear um circuito em apenas um layer, esta PCB será produzida com apenas um layer.

Hoje, o que dita o número de layers é a necessidade, se não for possível rotear em um layer, passamos para dois layers, se com dois layer ficou ainda impossível, passamos para quatro, e assim por diante. Tudo isto porque o custo de uma PCB é relativamente proporcional ao número de layer.

Enfim, técnicas e conceitos para melhoram a confiabilidade de uma PCB existem, poucos tem acesso ou sequer sabem que existem, e quem sabe e tem acesso não aplica totalmente por questões de custo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

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Fjelstad, Joseph. Occam Presentation for MicroPress. São Paulo, jul. 2008. Disponível em: http://www.micropress.com.br/portugues/art tec.asp . Acesso em: 30/08/2008.

Loures, Sérgio Luiz da Rocha. A interferência eletromagnética. Curitiba, nov. 2001. Disponível em: http://www.vallim.eng.br/emc.pdf . Acesso em: 22/11/2008

Cabral,Suzy Cristina Bruno; Mühlen, Sérgio Santos. Interferência eletromagnética em equipamentos eletromédicos ocasionada por telefonia celular. Revista Brasileira de Engenharia Biomédica. set/dez. 2002. Disponível em: http: www.sbeb.org.br/rbeb/artigos/rev18/n3/art-c 18 3.pdf . Acesso em: 22/11/2008.

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