Um guia completo sobre o desenho de pads em placas de circuito impresso

Em Conceção de placas de circuito impresso, poucas características são tão cruciais como os pads de PCB. Estas áreas condutoras, minúsculas mas poderosas, são onde toda a magia acontece, uma vez que constituem os pontos-chave para as ligações dos componentes, a transmissão de sinais e a formação das juntas de solda. Quer esteja a projetar circuitos de montagem em superfície, de furos passantes ou de alta densidade, é essencial compreender todos os pormenores dos pads de PCB. Neste guia, iremos explorar vários tipos de pads, normas de projeto, regras de layout e erros comuns. Por isso, se o seu objetivo é obter uma melhor soldabilidade, ligações mais resistentes e zero retrabalho…

Introdução aos pads de PCB

Os pads de PCB são as áreas metálicas expostas numa placa de circuito impresso onde são soldados os condutores, terminais ou pinos dos componentes. Se os seus pads forem demasiado pequenos, estiverem muito desalinhados ou tiverem uma superfície irregular, todo o processo de montagem pode falhar, o que pode levar à avaria do produto. As pastilhas são mais do que meros discos metálicos; integram fixações mecânicas, contactos elétricos e condutores de calor. As pastilhas de PCB dividem-se principalmente em duas categorias: pastilhas de montagem em superfície (SMD) e pastilhas de orifício passante (PTH). Embora as suas funções sejam semelhantes, diferem significativamente na estrutura, disposição e aplicação. Enquanto as pistas transportam sinais, as pastilhas são o local onde os sinais funcionam — o contacto físico entre os componentes e a placa de circuito impresso. Em termos simples: sem pastilhas, não há solda; sem solda, não há circuito.

Tipos de pads em placas de circuito impresso

Um ponto de soldadura é um elemento básico da montagem em superfície, utilizado para formar o padrão de contactos de uma placa de circuito impresso. Refere-se a várias combinações de pontos concebidos para tipos específicos de componentes. Os pontos de soldadura são padrões condutores utilizados para ligações elétricas, montagem de componentes ou ambos. A seguir apresentam-se alguns tipos comuns e especiais de pontos de soldadura em placas de circuito impresso.

Almofadas comuns

almofadas quadradas	Este tipo de almofada é frequentemente utilizado quando os componentes na placa de circuito impresso são grandes e poucos, e as ligações são simples. É fácil de aplicar na confeção manual de uma PCB.
Almofadas circulares	Amplamente utilizado em placas de circuito impresso de uma e de duas faces com componentes dispostos de forma regular. Se a densidade da placa o permitir, as áreas de contacto podem ser maiores para evitar que se soltem durante a soldadura.
Almofadas para ilhas	As ligações entre os pontos de soldadura estão integradas numa única unidade. Esta configuração é frequentemente utilizada em instalações verticais com disposição irregular.
Almofadas poligonais	Utiliza-se para distinguir pontos de soldadura com diâmetros exteriores semelhantes, mas com diâmetros de orifício diferentes, facilitando o processamento e a montagem.
almofadas ovais	Estas almofadas têm uma área suficiente para aumentar a resistência ao descolamento e são frequentemente utilizadas em dispositivos com embalagem dual in-line (DIP).
Almofadas de formato aberto	Isto é frequentemente utilizado para garantir que os orifícios das pastilhas reparadas manualmente não fiquem obstruídos pela solda após a soldadura por onda.

Almofadas especiais

Alças de solda com padrão de flor de ameixa	As pastilhas paralelas são normalmente utilizadas na localização de vias de grandes dimensões para ligação à terra, e existem várias razões para este design: 1) O orifício de montagem tem de ser metalizado e ligado ao GND. Se o orifício de montagem for totalmente metalizado, é fácil bloqueá-lo durante a soldadura por refluxo. 2) A utilização de orifícios de parafuso metálicos internos pode resultar num mau aterramento devido à instalação ou à desmontagem repetida. No entanto, a utilização de pastilhas com orifícios em forma de estrela garante um bom aterramento, independentemente das variações de tensão.
Pontos de soldadura em forma de cruz	As pastilhas de soldadura em forma de cruz, também conhecidas como pastilhas de soldadura a quente ou pastilhas de soldadura com ar quente, são utilizadas para reduzir a perda de calor durante a soldadura, evitando assim juntas de soldadura frias ou o descolamento da placa de circuito impresso (PCB) causados pela dissipação excessiva de calor. 1) Quando as pastilhas de soldadura são linhas de ligação à terra. Os padrões em forma de cruz podem reduzir a área da ligação à terra, retardar a dissipação de calor e facilitar a soldadura.2) Quando a sua placa de circuito impresso requer colocação automática e é submetida a soldadura por refluxo, as pastilhas em forma de cruz podem impedir o descolamento da placa (uma vez que é necessário mais calor para derreter a pasta de solda).
Almofada em forma de lágrima	Este tipo de pad é frequentemente utilizado quando a pista ligada ao pad é fina, para evitar que o pad se descasque ou que a pista se parta ao nível do pad. Este tipo de pad é habitualmente utilizado em circuitos de alta frequência.

Normas básicas de conceção de almofadas

Especificações relativas ao tamanho e à forma

O tamanho da pastilha deve corresponder exatamente aos pinos ou terminais do componente. Com base na experiência do setor, a largura mínima de um único lado da pastilha não deve ser inferior a 0,25 mm, e o diâmetro total não deve exceder três vezes o diâmetro do orifício do componente. Por exemplo, no caso de componentes com furos passantes com um diâmetro de 0,8 mm, o diâmetro da placa de contacto deve ser mantido dentro de 2,4 mm para evitar a formação de pontes devido a placas de contacto excessivamente grandes. Para cenários de cablagem de alta densidade, recomendam-se placas de contacto elípticas ou oblongas. Para placas de uma face, o diâmetro recomendado da almofada é de 1,6 mm, enquanto que para placas de duas faces com cablagem de baixa tensão, o diâmetro da almofada pode ser reduzido para o diâmetro do orifício mais 0,5 mm.

Otimização do espaçamento e do layout

O espaçamento entre os pads é um parâmetro fundamental para evitar curto-circuitos. As normas exigem uma distância superior a 0,4 mm entre as bordas de dois pads. Para componentes com um passo de pinos ≤ 2,0 mm (como os pacotes DIP), recomenda-se um desenho de pads para placas multicamadas com um diâmetro igual ao diâmetro do orifício + 0,2 a 0,4 mm. Ao dispor os componentes, deve seguir-se o princípio da direção da soldadura por onda: o eixo dos dispositivos lineares com múltiplos pinos (como os conectores) deve ser paralelo à direção de transferência, enquanto os componentes leves (como os díodos) devem ser dispostos verticalmente para evitar que os componentes flutuem devido à solidificação prévia de uma das extremidades durante a soldadura.

Normas de conceção de pads em placas de circuito impresso (PCB) design

O projeto dos pads é uma etapa crucial para garantir a qualidade da soldadura e a fiabilidade do circuito. Um pad bem projetado não só melhora a eficiência da produção, como também reduz significativamente as taxas de defeitos de soldadura. A seguir, apresentam-se as normas e especificações comuns para o projeto de pads. Normas de projeto relativas à forma e ao tamanho dos pads em placas de circuito impresso (PCB)

1. Chamar a biblioteca de pacotes padrão do PCB.

2. O diâmetro mínimo de um dos lados da pastilha não é inferior a 0,25 mm, e o diâmetro máximo da pastilha na totalidade não é superior a 3 vezes o diâmetro do orifício do componente.

3. Tente garantir que a distância entre as bordas das duas almofadas seja superior a 0,4 mm.

4. As pastilhas com um diâmetro do orifício superior a 1,2 mm ou com um diâmetro total superior a 3,0 mm devem ser concebidas com a forma de diamante ou de flor de ameixa.

5. Para uma disposição densa de fios, recomendam-se pads de ligação ovais e oblongos. O diâmetro ou a largura mínima dos pads numa placa de uma face é de 1,6 mm; no caso das placas de duas faces, os pads destinados a linhas de baixa tensão só precisam de ter um diâmetro igual ao do orifício mais 0,5 mm. Os pads de dimensões excessivas podem facilmente causar pontes elétricas desnecessárias.

Norma relativa ao tamanho das vias dos pads em placas de circuito impresso

O diâmetro interior da pastilha não é, geralmente, inferior a 0,6 mm, uma vez que os orifícios com menos de 0,6 mm são difíceis de processar durante a perfuração. Normalmente, o diâmetro interior da pastilha corresponde ao diâmetro do terminal metálico mais 0,2 mm. Por exemplo, se o diâmetro do terminal metálico do resistor for de 0,5 mm, o diâmetro interior da sua pastilha é de 0,7 mm. O diâmetro da pastilha depende do diâmetro interior.

Materiais das pastilhas de PCB e tratamento de superfície

As pastilhas de soldadura não são apenas de cobre; o seu tratamento de superfície é igualmente importante. A maioria das pastilhas de soldadura é à base de cobre. No entanto, o cobre nu oxida rapidamente, pelo que os fabricantes aplicam tratamentos de superfície para garantir uma boa soldabilidade e durabilidade. Isto dá origem a tecnologias como o HASL, o ENIG e o OSP. Além disso, cada processo de tratamento de superfície afeta o desempenho das pastilhas de soldadura durante o processo de soldadura.

• O nivelamento a ar quente (HASL) é um processo comum e económico, mas resulta em superfícies irregulares.

• O revestimento de níquel-ouro sem corrente elétrica (ENIG) proporciona uma superfície lisa e fiável e uma vida útil mais longa, tornando-o ideal para componentes de passo fino e contactos dourados.

• O OSP (Protetor Orgânico de Soldabilidade) é uma opção sem chumbo e amiga do ambiente, mas é mais suscetível à oxidação.

Problemas causados por dimensões incorretas dos pads nas placas de circuito impresso

O tamanho, a forma e a posição dos pads num pacote de PCB afetam diretamente a capacidade de fabrico da placa. A utilização de pads com tamanho incorreto ou na posição errada durante a soldadura na montagem da PCB pode causar vários problemas. Eis alguns exemplos:

Componentes flutuantes	Se um componente de montagem em superfície for colocado em pads demasiado grandes ou com espaçamento incorreto, o componente pode ficar solto e deslocar-se durante a soldadura por refluxo. Isto pode fazer com que a solda forme pontes com outros metais e resultar num espaçamento insuficiente entre os componentes durante o arrefecimento térmico, o retrabalho e os testes da placa de circuito impresso.
Juntas de solda incompletas	Se as pastilhas forem demasiado pequenas ou estiverem demasiado próximas umas das outras, poderá não haver espaço suficiente para formar cordões de solda adequados. Isto pode resultar em juntas de solda de má qualidade ou na ausência total de pontos de solda.
Pontes de solda	As almofadas de montagem em superfície de dimensões excessivas podem fazer com que os componentes fiquem soltos, o que pode levar à formação de pontes de solda. Isto acontece quando a solda atravessa uma almofada ou um elemento metálico de outra rede e cria um curto-circuito direto. As pontes de solda também podem ocorrer se a máscara de solda e as características da pasta de solda corretas não forem integradas no desenho da almofada na ferramenta CAD.
Erigir um monumento	Podem ocorrer problemas de soldadura quando dois componentes SMT fixos, como resistências e condensadores, têm pads de tamanhos diferentes. Um dos pads aquece mais rapidamente do que o outro, e a solda derretida puxa o componente para cima, afastando-o do outro pad e fixando-o a ele como uma lápide.
Sucção do núcleo de solda	As pastilhas de orifício passante também podem apresentar dificuldades se a construção estiver incorreta. Se o tamanho da broca for demasiado grande para os terminais do componente que entram no orifício, a solda pode ser sugada através do núcleo do orifício antes de se conseguir uma ligação adequada. Por outro lado, uma broca de tamanho demasiado pequeno dificultará a inserção dos terminais do componente e retardará o processo de montagem.
Desligamento de orifícios de passagem	As pastilhas de orifício passante devem ter um anel sólido para garantir a soldabilidade; este anel é o metal situado entre a parede do orifício e o perímetro exterior da pastilha. O tamanho do anel é concebido para ser suficientemente grande para permitir que a broca se desvie do centro do orifício, tal como pretendido. No entanto, se a pastilha for demasiado pequena, podem ocorrer algumas fissuras no anel, e um número excessivo de fissuras pode levar a uma soldadura inadequada ou a circuitos danificados e incompletos. Se o tamanho da pastilha for demasiado pequeno para o orifício que está a ser perfurado, a broca pode oscilar ligeiramente e desviar-se da forma da pastilha durante as operações normais de perfuração.
Curto-circuito com outros metais	As almofadas demasiado pequenas farão com que as pistas superficiais fiquem demasiado próximas dos componentes soldados nas mesmas, criando potenciais áreas de curto-circuito metálico. Por outro lado, as almofadas demasiado grandes podem restringir o traçado entre elas, tornando o traçado da placa de circuito mais difícil.

Considerações sobre o desenho das almofadas para diferentes tipos de placas de circuito impresso

O controlo padronizado das dimensões, a otimização refinada do layout e os mecanismos de prevenção de defeitos podem melhorar significativamente o rendimento da soldadura e a fiabilidade do produto. À medida que os componentes eletrónicos se tornam mais pequenos e densos, o futuro design dos pads irá depender cada vez mais de simulações assistidas por IA e de ferramentas de DFM (Design for Manufacturability), alcançando uma mudança de paradigma de abordagens baseadas na experiência para abordagens baseadas em dados. A seguir, apresentamos o nosso resumo das considerações relativas ao desenho de pads para diferentes tipos de PCBs.

Conceção e aplicação de Pads SMD

As almofadas SMD constituem a base da tecnologia de montagem em superfície e são amplamente utilizadas numa variedade de produtos, desde smartphones a luzes LED. A forma das almofadas depende do componente. Por exemplo, os resistores em chip utilizam almofadas retangulares, enquanto os pacotes quadrados planos (QFP) exigem um espaçamento e dimensões precisas para se adequarem aos pinos de passo fino. Por conseguinte,

• Um mau layout das pastilhas SMD pode provocar o fenómeno de «tombstoning» (ou seja, um dos lados da pastilha levanta-se durante a soldadura por refluxo) ou a formação de pontes (ou seja, a solda liga pastilhas adjacentes, resultando num curto-circuito).
• Um projeto bem-sucedido de pads SMD segue a norma IPC-7351 para garantir o volume ideal de solda, o comprimento dos pads e o espaçamento adequado.

Regras de funcionamento e de conceção de pads de orifício passante

Embora as almofadas de orifício passante possam parecer um pouco ultrapassadas na era da tecnologia de montagem em superfície, continuam a desempenhar um papel crucial em projetos de alta corrente, elevada resistência mecânica e fontes de alimentação. Estas almofadas têm de acomodar os terminais dos componentes, permitir o fluxo da solda e, ao mesmo tempo, manter a integridade estrutural e elétrica de ambos os lados da placa de circuito. A relação entre o diâmetro do orifício e o tamanho da pastilha é fundamental. A pastilha deve ter uma área anular suficiente (ou seja, a camada de cobre que rodeia o orifício) para garantir uma boa conectividade e fixação mecânica.

Empilhamento de pastilhas em placas de circuito impresso multicamadas

Em PCBs multicamadas, o desenho dos pads torna-se ainda mais crítico. Cada pad faz parte de uma pilha de pads, e esta pilha é uma estrutura vertical que inclui pads superiores e inferiores, ligações entre camadas internas e vias. Nem todos os pads da pilha são visíveis. Os pads internos ligam-se aos planos de alimentação ou de terra através de vias. Dimensões incorretas dos pads podem levar a problemas de integridade do sinal ou até mesmo tornar a placa impossível de fabricar. Os projetos modernos podem empregar a tecnologia «via-in-pad», colocando vias diretamente por baixo dos pads dos componentes, comum em pacotes BGA e componentes de passo fino. Embora esta técnica poupe espaço, requer processos avançados, tais como o preenchimento de vias e a planarização.

Pads de PCB em projetos de alta densidade

Em disposições de alta densidade, como os dispositivos móveis ou Circuitos impressos HDI, o espaço é extremamente valioso. Os pinos têm de ser concebidos para serem mais pequenos, mais densos e mais limpos do que nunca. À medida que o tamanho dos pads diminui, a capacidade de fabrico diminui e o risco de defeitos aumenta. É por isso que muitos projetistas utilizam micro-pads (tão pequenos quanto 0,3 mm) e pads de passo fino (menos de 0,4 mm) e realizam análises rigorosas de DFM (Design for Manufacturing, ou Design para Fabrico). Para o conseguir, poderá ser necessário recorrer a vias dentro dos pads, microvias perfuradas a laser e um alinhamento mais preciso da máscara de solda. Não se trata apenas de uma questão de layout, mas sim de um equilíbrio entre desempenho elétrico, integridade mecânica e capacidade do processo.

Dimensões das placas para montagem manual e automática

O desenho dos pads não é universal; o método de montagem da placa de circuito impresso é crucial. A soldadura manual oferece maior flexibilidade, permitindo pads maiores que são mais fáceis de aquecer e soldar pelos técnicos. Por exemplo, um componente 1206 soldado manualmente pode utilizar um pad com 1,8 mm de comprimento, enquanto a soldadura por refluxo automatizada pode requerer apenas 1,4 mm. Se a sua placa for submetida a colocação automatizada e soldadura por refluxo, as dimensões dos pads devem estar em conformidade com a norma IPC-7351 relativa aos padrões de pads. Isto inclui as aberturas do estêncil, o volume da pasta de solda e as tolerâncias de alinhamento.

Norma de Concepção de Pad da IPC

As normas IPC são a sua rede de segurança. A norma IPC-7351 é a diretriz preferida para a geometria dos pads, enquanto a norma IPC-2221 abrange as normas comuns de conceção de placas de circuito impresso (PCB). Estas normas baseiam-se em anos de dados do setor e ajudam a evitar suposições relativamente às dimensões dos pads, especialmente quando se lida com componentes de formas irregulares ou pacotes de passo fino.

Conclusão

Desde os componentes SMD aos de furo passante, desde os do tipo dissipador de calor aos do tipo «lágrima», os pads das placas de circuito impresso (PCB) são muito mais do que apenas alguns anéis de cobre; são a linha de vida de um circuito. Pads bem concebidos significam juntas de solda mais resistentes, melhor dissipação de calor e menos desafios de fabrico. Este guia abrange todos os aspetos do projeto de pads: materiais, normas IPC, layouts de alta densidade, defeitos comuns, bem como ferramentas e fornecedores para garantir o sucesso do projeto. Quer esteja a soldar protótipos manualmente ou a enviar milhões de placas para uma fábrica, a qualidade dos pads pode determinar o sucesso ou o fracasso de todo o produto. Preste atenção aos pads, busque a excelência e as suas placas de circuito impresso (PCB) irão recompensá-lo com fiabilidade e alto desempenho. Se precisar de produção de PCB em grande volume, contacte a nossa equipa para obter assistência.