Do projeto de desenhos à produção em massa real, uma placa de circuito deve superar inúmeros obstáculos, incluindo processabilidade, fabricabilidade, integridade do sinal e EMC. Este artigo irá delinear sistematicamente a lógica de projeto em torno de 13 conceitos centrais comuns, mas cruciais, no projeto de PCB, aprimorando seu pensamento de engenharia de PCB e capacidades de projeto.

1. Material da Placa FR4: A Pedra Angular do Mundo do Sinal

FR-4, o substrato de PCB mais comumente usado, é um laminado revestido de cobre feito de fibra de vidro e resina epóxi. Sua resistência ao calor é medida por Tg (temperatura de transição vítrea).

• Placa de Baixa Tg (Tg≈130℃): Usada para aplicações gerais.
• Placa de Média Tg (Tg>150℃): Adequada para circuitos de média complexidade.
• Placa de Alta Tg (Tg≥170℃): Recomendada para ambientes de soldagem de alta temperatura, processos sem chumbo e cenários de alta confiabilidade, como automotivo e comunicações.

As placas de alta Tg não apenas têm forte resistência ao calor, mas também melhoram significativamente a resistência à umidade e a produtos químicos, garantindo a estabilidade dimensional das placas multicamadas durante a operação a longo prazo.

2. Casamento de Impedância: O "Guardião" do Roteamento de Sinal de Alta Velocidade

Em circuitos digitais de alta velocidade (como DDR, USB, PCIe), sinais sem casamento de impedância preciso experimentarão problemas como reflexão e diafonia. Os métodos comuns de controle de impedância incluem:

• Impedância diferencial: 100Ω/90Ω
• Impedância de extremidade única: 50Ω

Como projetar o casamento? É necessária uma simulação precisa, levando em consideração fatores como empilhamento de camadas, largura e espaçamento dos traços, plano de referência e constante dielétrica.

3. Processos de Tratamento de Superfície: Determinando a Qualidade e Vida Útil da Soldagem

Cinco Tratamentos de Superfície Comuns:

Ouro por imersão ou estanho por imersão é fortemente recomendado para controle de impedância de alta frequência. Puxar estanho não pode ser usado em placas embaladas BGA.

4. Placa Central/Pré-preg: Materiais-chave que determinam a espessura da placa, empilhamento de camadas e desempenho elétrico

A placa central (Core) + PP (Pré-preg) determina a estrutura e a estabilidade da placa multicamadas. Sua espessura, taxa de fluxo de resina e constantes elétricas precisam ser consideradas em conjunto com a simulação de empilhamento de camadas.

• Núcleo: Placa rígida com laminação de cobre de dupla face
• PP: Resina semissólida usada para ligação entre camadas

Proporções adequadas são cruciais para evitar problemas de processo, como empenamento da placa, vazios e descascamento de cobre durante a laminação.

5. Linhas Diferenciais: O roteamento simétrico é essencial para a integridade do sinal

Sinais diferenciais são usados para transmissão de dados de alta velocidade, como LVDS, USB e PCIe, e devem atender aos seguintes requisitos:

• Comprimento, largura e espaçamento iguais
• Referência de plano de terra consistente
• Evitar planos de referência descontínuos

A assimetria em traços diferenciais afeta diretamente o desvio de clock e a diafonia, e deve ser considerada de forma abrangente durante a fase de layout.

6. Integridade do Sinal (SI): A alma do projeto de PCB de alta velocidade

Cinco fatores principais que afetam a integridade do sinal:

• Reflexão (incompatibilidade de impedância)
• Diafonia (traços muito próximos)
• Rebote de terra (interferência de corrente de retorno de terra gerada pela comutação simultânea de vários chips)
• Projeto de filtragem inadequado
• Projeto de estrutura de PCB inadequado

Problemas de SI geralmente levam à falha do sistema, reinicializações frequentes e erros de dados.

7. Reflexão do Sinal: Evite que os Sinais "Retornem pelo Mesmo Caminho"

A reflexão do sinal pode causar:

• Sobressalto
• Subexcesso
• Toque
• Formas de onda em degraus

Para controlar a reflexão, além do casamento de impedância, é necessário o casamento de terminação adequado (extremidades da fonte e da carga), e as interrupções do plano de referência devem ser evitadas.

8. Diafonia: "Poluição Sonora" Entre as Linhas de Sinal

Linhas de alta velocidade compactadas sem uma referência de terra gerarão diafonia severa, especialmente perceptível em roteamento paralelo de barramento DDR ou de alta velocidade.

Acoplamento capacitivo → Diafonia de corrente
Acoplamento indutivo → Diafonia de tensão
Soluções: Adicione proteções de plano de terra, mantenha o espaçamento adequado entre os traços e controle a direção dos traços.

9. Camada de Energia Interna: A Arma Secreta para Fornecimento de Energia Estável e Supressão de Interferência

A energia e o terra devem ser projetados como planos de grande área com particionamento razoável e colocação densa de vias para evitar ilhas flutuantes e loops de energia quebrados.

10. Vias Cegas/Enterradas: Uma Técnica Chave no Projeto de PCB de Alta Densidade

• Via cega de primeira ordem: L2-TOP
• Via cega de segunda ordem: L3-TOP
• Via enterrada: Interconectada entre L3-L6

Vias cegas/enterradas são amplamente utilizadas em placas HDI, melhorando significativamente a utilização do espaço, mas impõem altos custos e requisitos de processamento.

11. Pontos de Teste: "Fusíveis" para Depuração de Produção em Massa

Usados para testes funcionais, programação no circuito e posicionamento de depuração. As áreas de chip BGA devem ser abordadas usando sondas voadoras ou varredura de limite.

12. Pontos de Marca: Garantindo a Precisão de Colocação SMT

Usados para posicionamento de colocação SMT. Recomendações de projeto de pontos de marca:

• Principalmente circular de 1 mm;
• Deixe aberturas de máscara de solda ao redor dos pontos de marca;
• Três pontos de marca na placa devem ser dispostos simetricamente com folha de cobre de fundo consistente.

13. Furos PTH/NPTH: Transportadores para Conexão e Fixação

• PTH (Furo Metalizado): Usado para conexões elétricas;
• NPTH (Furo Não Metálico): Usado para posicionamento estrutural, instalação de parafusos, etc.

Os atributos do furo devem ser marcados com precisão no arquivo de engenharia durante o processamento para evitar retrabalho.

Conclusão: Dominar os Detalhes Chave Leva ao Projeto de PCB de Alta Qualidade

O projeto de PCB não é simplesmente "desenhar", mas um projeto complexo de engenharia de sistemas que considera o desempenho elétrico, a viabilidade do processo, os custos de produção e a manutenção futura. Compreender a lógica de projeto e o significado de engenharia por trás de cada termo é o ponto de partida para se tornar um engenheiro de PCB profissional.