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CONCEITOS FUNDAMENTAIS SOBRE PLACAS DE CIRCUITO IMPRESSO
EWALDO LUIZ DE MATTOS MEHL
1. CIRCUITOS IMPRESSOS – ORIGENS E MATERIAIS
Anteriormente à invenção dos transistores os circuitos eletrônicos baseavam-se em válvulas à vácuo que, por serrem relativamente grandes, dispensavam maiores preocupações quanto à redução do tamanho da montagem final. A Figura 1 mostra um típico chassi metálico de rádio à válvulas, onde se observa que a interligação entre os componentes era feita pela parte de baixo.
Figura 1: Nos circuitos à válvula, geralmente estas eram montadas sobre um chassi de chapa metálica. A interligação entre os componentes principias era feita pela parte de baixo do chassi
A maioria das publicações sobre o assunto credita a invenção do circuito impresso a um engenheiro austríaco chamado Paul Eisler (1907 - 1995) que em 1936, enquanto trabalhava na Inglaterra, patenteou um método de se corroer uma camada de cobre depositada sobre uma superfície isolante.
Figura 2 : Capa da biografia de Paul Eisler, inventor do circuito impresso, e foto de um rádio construído por ele em 1946, utilizando circuito impresso semelhante aos atuais.
Existe também registro de uma patente norte-americana de 1925, em nome de Charles Ducas, que propunha depositar uma tinta condutiva sobre um substrato isolante, que deu origem à expressão “Circuito Impresso”. No entanto, a primeira vez que os circuitos impressos foram usados de uma forma mais ampla foi por volta de 1943, quando foram empregados em equipamentos de rádio para uso militar, onde era essencial que o circuito funcionasse em situações extremamente adversas. Após a Segunda Guerra Mundial os circuitos impressos foram usados em outras aplicações e, com o advento dos transistores, tornou-se a forma mais comum de construção de circuitos transistorizados. Atualmente, placas de circuitos impressos ( PCI s) são amplamente empregados em todos os tipos de equipamentos eletrônicos, principalmente quando se empregam em sua construção circuitos integrados.
O material inicialmente usado para a fabricação de placas de circuito impresso (PCIs) foi uma
chapa conhecida como fenolite. Na verdade o nomefenolite era originalmente a marca comercial
de um fabricante de chapas isolantes, muito usada pelos fabricantes de máquinas elétricas e
transformadores. As chapas defenolite são feitas com a mistura de uma resina fenólica com certa
quantidade de papel picado ou serragem de madeira (carga), apresentando cor marrom claro ou escura, dependendo do tipo de carga utilizada. A mistura é moldada e prensada a quente na forma de chapas, com diferentes espessuras. O principal problema das chapas de fenolite para circuitos impressos decorre justamente do uso da carga à base de celulose, que a torna higroscópica. Ou seja, em um ambiente úmido as placas de fenolite absorvem certa quantidade de água, o que além de prejudicar as suas características isolantes frequentemente faz com que as placas empenem.
Figura 3 : Fotografia ampliada de uma placa de circuito impresso (PCI) empregada em um microcomputador.
Em resposta aos problemas apresentados pela fenolite, foram desenvolvidas na década de 1960,
como alternativa de melhor qualidade, as placas conhecidas como fibra de vidro (FV). Na
verdade estas chapas são feita com resina epóxi e apenas há internamente uma fina manta de tecido de fibras de vidro. O uso da resina epóxi faz com que as placas de FV sejam totalmente inertes à água mas, por outro lado, produz uma placa extremamente difícil de ser cortada e furada. De fato, a dureza do epóxi é semelhante à do granito, fazendo com que sejam necessárias ferramentas especiais para fazer o corte e a furação das placas de circuito impresso de FV. As placas FV são também cerca de 30% mais caras do que as de fenolite. Apesar disso, devido à sua excelente capacidade isolante e estabilidade dimensional, a grande maioria das placas de circuito impresso de equipamentos eletrônicos são fabricas com placas de FV, ficando a fenolite geralmente restrita a projetos de pouca qualidade ou quando se utiliza uma técnica mais artesanal na fabricação. Segundo a norma NBR 8188/83, as chapas para circuito impresso de fenolite são referenciadas como FR-2 e as de fibra de vidro como FR-4. A sigla FR vem da expressão em
inglês flame resistant, ou seja, resistente ao fogo.
Para aplicações em freqüências muito elevadas, tanto a fenolite como a FV podem apresentar problemas de polarização dielétrica. Como alternativa existem chapas para circuito impresso onde o material isolante utilizado é o politetrafluoroetileno (PTFE), um material mais conhecido pelo nome comercial de Teflon (®Du Pont). São placas muito caras e geralmente utilizadas em circuitos onde estão presentes freqüências de muitos GHz. Outro material alternativo é o
Espessura de cobre = 18 μm Espessura de cobre = 35 μm Figura 5 : Ábacos existentes na NBR 8188/89, para dimensionamento da corrente máxima que pode fluir nas trilhas de um circuito impresso.
Quanto ao espaçamento mínimo entre trilhas contíguas, este é uma função da tensão entre elas. O ábaco da Figura 6, extraído da NBR 8188/89, possibilita verificar tal espaçamento mínimo.
Figura 6 : Ábaco que permite estabelecer o espaçamento entre duas trilhas contíguas, em função da tensão verificada entre tais trilhas. Fonte: NBR 8188/89.
2. CIRCUITOS IMPRESSOS SMD
Apesar do amplo uso de circuitos impressos, até a década de 1970 muitos dos componentes eletrônicos continuaram a ser fabricados como se não fossem destinados a serem usados nesse tipo de montagem. Principalmente os capacitores e os resistores eram produzidos com terminais longos, na forma de arames de cobre revestidos com estanho. Após a soldagem desses componentes na placa de circuito impresso, era necessário cortar o comprimento em excesso dos terminais. A necessidade de orifícios para passam dos terminais também representa uma etapa a mais no processo de fabricação do circuito e faz crescer o seu custo final. Em face desses fatos, a partir de 1975 começaram a surgir PCIs com uma nova classe de componentes, chamados SMD
(surface mount devices – dispositivos para montagem em superfície).
Na montagem de placas com SMDs, geralmente são usadas máquinas automáticas conhecidas
como Pick & Place. Os componentes são fornecidos pelos fabricantes afixados em rolos. Um
sistema robotizado coloca os componentes de forma muito precisa nos pontos corretos na placa, aplicando a eles uma pequena gota de cola. Nos circuitos de maior complexidade, os SMDs podem ser aplicados em ambas as faces da placa. Após a colagem dos componentes na placa, segue-se um processo de soldagem feito pela rápida imersão da placa em um banho da liga de solda em estado de fusão. Ou seja, todos os componentes de tecnologia SMD são soldados nesse processo e, posteriormente, componentes de maiores dimensões são soldados com técnicas tradicionais.
Figura 7: Placas de circuito impresso com componentes tradicionais e com SMD.
A distância entre as duas fileiras de pinos de um circuito integrado DIL varia um pouco. Os CIs com poucos pinos (exemplos: 555 com 8 pinos, 74LS00 com 14 pinos, 74LS373 com 20 pinos)
apresentam a distância de 0,3 inch ou 300 mils entre as fileiras. Já chips com maior número de
pinos (exemplos: memórias EPROM 27C64 com 28 pinos, RAM 62256 com 28 pinos,
microprocessadores Z80 e 80C31 com 40 pinos) apresentam largura de 0,6 inch ou 600 mils.
Figura 10 : Exemplo de dimensões de um circuito integrado com encapsulamento DIL16, padrão 300 mils.
Figura 11: Exemplo de dimensões de um circuito integrado com encapsulamento DIL40, padrão 600 mils.
Deixando de lado placas com SMDs, os resistores mais comuns em PCI são os de 1/8 W. Na montagem, seus terminais são dobrados e o excesso do comprimento dos terminais é cortado. Em montagens caseiras, os terminais são dobrados à mão ou com a ajuda de um alicate de bico, o componente é soldado à placa e somente depois é que o excesso do comprimento dos terminais é cortado. Em montagens industriais o componente é dobrado e o excesso cortado por uma máquina que possui um padrão de distância esperado entre os pontos de solda. Essa distância é
padronizada em 300 mils ( 0,3 inch ) para resistores de 1/8 W, porém se a montagem for feita
manualmente é conveniente usar um espaçamento de 400 mils ( 0,4 inch) ou mesmo 500 mils
(0,5 inch) , o que facilitará a soldagem do resistor.
Quanto a capacitores, existem em vários tipos e numa gama ampla de dimensões. Os modelos mais comuns são conhecidos pelo tipo de dielétrico utilizado, cerâmico ou poliéster. Capacitores cerâmicos geralmente apresentam pequenas capacitâncias, na ordem de pF. Estes capacitores
têm, em geral, uma distância de 200 mils ou 0,2 inch entre os terminais. Capacitores de
poliéster são produzidos com valores médios de capacitância, da ordem de nF e possuem distância
usual entre de 200 mils ( 0,2 inch ) ou 300 mils ( 0,3 inch ) entre os terminais. Capacitores
eletrolíticos são produzidos com valores grandes de capacitâncias, acima de 1 μF até alguns mF. Estes componentes são polarizados e se apresentam em uma gama muito grande de dimensões e
distância entre os terminais. Existem capacitores eletrolíticos chamados axiais , que se destinam a
serem montados “deitados” na PCI; outros, onde ambos os terminais estão no mesmo lado, são
chamados radiais e destinam-se a ser montados “em pé” na PCI.
Figura 12 : Capacitor Eletrolítico com terminais axiais. Figura 1^3 : Capacitor Eletrolítico com montagem unilateral, terminais radiais ou paralelos
5. PROJETO DE CIRCUITOS IMPRESSOS
Durante muitos anos o projeto de PCI era feito manualmente, em um trabalho que envolvia muita paciência e requeria uma excelente noção de espaço tridimensional do projetista. Geralmente o trabalho iniciava-se fazendo a distribuição dos componentes em um desenho com as dimensões da placa desejada. Em seguida, usando lápis e borracha, o projetista começava a tentar estabelecer o melhor caminho para as trilhas, usando como base um papel onde estava traçado um gradeado
(ou grid ) de 0,1 inch. Como esta é a unidade padronizada para a distância entre os terminais dos
componentes eletrônicos, tornava-se conveniente já colocar os componentes em um grid com
essa dimensão. A Figura 14 mostra alguns componentes eletrônicos desenhados em um papel
com um grid de 0,1 inch x 0,1 inch.
Figura 14: A utilização de umgrid de 0,1 inch x 0,1 inch facilita o desenho da PCI, pois os componentes eletrônicos usam esta dimensão como base.
Com o aumento da complexidade dos circuitos eletrônicos, o projeto manual de PCI tornou-se
cada vez mais um trabalho de esforço extremo e sujeito a erros. O primeirosoftware para auxílio
nessa tarefa que teve grande aceitação pelos projetistas foi o TANGO, mostrado nas Figuras 15 e 16 em sua versão para DOS.
