Técnicas de Design na Concepção de PCB

Em Conceção de placas de circuito impresso, a via de design é um fator crucial. É constituída pelo orifício, pela área de pad circundante e pela área de isolamento da camada POWER, sendo geralmente classificada em três tipos: vias cegas, vias enterradas e vias de orifício passante. A equipa de engenharia da Geyuan Electronics, através da análise da capacitância e indutância parasíticas nas vias durante o processo de conceção de placas de circuito impresso (PCB), resumiu algumas considerações fundamentais e técnicas de conceção relacionadas com a conceção de vias em PCB. Atualmente, o projeto de PCB é amplamente utilizado em áreas como as comunicações, os computadores e o processamento gráfico. Todos os projetos de produtos eletrónicos de alta tecnologia e elevado valor acrescentado procuram características como baixo consumo de energia, baixa radiação eletromagnética, elevada fiabilidade, miniaturização e leveza. Para atingir estes objetivos, o projeto das vias é um fator vital no projeto de PCB.

Componentes básicos e especificações técnicas das vias em placas de circuito impresso (PCB)

As vias são um elemento crucial no projeto de placas de circuito impresso (PCB) multicamadas. Uma via é constituída, essencialmente, por três partes: o próprio orifício, a área do pad circundante e a área de isolamento da camada de alimentação. O processo de fabrico das vias envolve a deposição química de uma camada metálica na superfície cilíndrica da parede da via, de modo a ligar as folhas de cobre nas camadas intermédias. As superfícies superior e inferior da via têm a forma de pads comuns, podendo ser ligadas diretamente aos traços nas superfícies superior e inferior, ou deixadas sem ligação. As vias servem para estabelecer ligações elétricas e para fixar ou posicionar componentes.

Classificação das vias

As vias são geralmente classificadas em três categorias: orifícios cegos, orifícios enterrados e orifícios de passagem.

furo cego	As vias cegas estão localizadas nas superfícies superior e inferior das placas de circuito impresso, têm uma determinada profundidade e são utilizadas para ligar os circuitos superficiais aos circuitos internos subjacentes. A profundidade e o diâmetro da via não excedem, normalmente, uma determinada relação.
Buraco enterrado	As vias enterradas são orifícios de ligação localizados na camada interna de uma placa de circuito impresso que não se estendem até à superfície da placa.
Orifício passante	Os orifícios de passagem são orifícios que atravessam toda a placa de circuito impresso e podem ser utilizados para estabelecer ligações internas ou como orifícios de montagem para componentes. Uma vez que os orifícios de passagem são mais fáceis de fabricar e mais económicos, são frequentemente utilizados em placas de circuito impresso.

Análise do desenho das vias em placas de circuito impresso (PCB)

Tanto as vias cegas como as vias enterradas estão localizadas nas camadas internas de uma placa de circuito impresso. São formadas através de um processo de moldagem por orifícios de passagem antes da laminação, podendo várias camadas internas sobrepor-se durante o processo de formação das vias. Como os orifícios passantes são mais fáceis de implementar e têm custos mais baixos, são utilizados na grande maioria das placas de circuito impresso, em vez dos outros dois tipos de vias. Salvo indicação em contrário, as vias mencionadas abaixo são consideradas orifícios passantes.

Do ponto de vista do desenho de placas de circuito impresso (PCB), uma via é constituída principalmente por duas partes: o orifício no centro e a área do pad que rodeia o orifício. O tamanho destas duas partes determina o tamanho da via. Obviamente, no projeto de PCB de alta velocidade e alta densidade, os projetistas preferem sempre que as vias sejam tão pequenas quanto possível, permitindo mais espaço para o traçado na placa. Além disso, vias mais pequenas têm menor capacitância parasítica, tornando-as mais adequadas para circuitos de alta velocidade. No entanto, reduzir o tamanho da via também aumenta o custo, e o tamanho não pode ser reduzido indefinidamente. Este é limitado pelos processos de perfuração e galvanização: furos mais pequenos requerem tempos de perfuração mais longos e são mais propensos a desvio de centragem; e quando a profundidade do furo excede seis vezes o diâmetro da broca, não é possível garantir uma galvanização uniforme de cobre nas paredes do furo. Por exemplo, a espessura (profundidade do orifício de passagem) de uma PCB típica de 6 camadas é de cerca de 50 mil, pelo que os fabricantes de PCB só podem fornecer diâmetros de perfuração tão pequenos quanto 8 mil.

Capacitância parasítica das vias

As próprias vias têm capacitância parasítica em relação à massa. Se o diâmetro da via no plano de massa for D2, o diâmetro da área de contacto da via for D1, a espessura da placa de circuito impresso for T, e a constante dielétrica do substrato for ε, então a capacitância parasítica da via é aproximadamente: C = 1,41εTD1/(D2-D1). O principal efeito da capacitância parasítica das vias no circuito é prolongar o tempo de subida do sinal e reduzir a velocidade do circuito. Por exemplo, para uma placa de circuito impresso com 50 mil de espessura, se for utilizada uma via com um diâmetro interior de 10 mil e um diâmetro de almofada de 20 mil, e a distância entre a almofada e a área de cobre de terra for de 32 mil, então podemos calcular aproximadamente a capacitância parasítica da via utilizando a fórmula acima: C = 1,41 x 4,4 x 0,050 x 0,020 / (0,032 – 0,020) = 0,517 pF. A variação no tempo de subida causada por esta capacitância é: T10 – 90 = 2,2C(Z0/2) = 2,2 × 0,517 × (55/2) = 31,28 ps. A partir destes valores, verifica-se que, embora o efeito da redução do tempo de subida causado pela capacitância parasítica de uma única via não seja muito significativo, os projetistas devem, ainda assim, ponderar cuidadosamente a utilização de vias para a mudança de camada múltipla vezes no traçado.

Como calcular a capacitância parasítica?

A própria via possui capacitância parasítica em relação à terra. Se o diâmetro do orifício de isolamento da via no plano de terra for D2, o diâmetro da pastilha da via for D1, a espessura da placa de circuito impresso for T e a constante dielétrica do substrato for ε, então o valor da capacitância parasítica da via é aproximadamente:

C = K * ε0 * 3,14 * TD1 / (D2 – D1)

Em que ε₀ é a permissividade do vácuo e K é a permissividade relativa (em relação ao vácuo, ε₀) da placa de circuito impresso.

Indutância parasítica das vias

Os vias possuem tanto capacitância parasítica como indutância parasítica. Na conceção de circuitos digitais de alta velocidade, os efeitos prejudiciais da indutância parasítica dos vias superam frequentemente os da capacitância parasítica. A sua indutância parasítica em série enfraquece a contribuição dos condensadores de derivação, reduzindo a eficácia de filtragem de todo o sistema de alimentação. Podemos utilizar a seguinte fórmula para calcular, de forma aproximada, a indutância parasítica de uma via: L = 5,08h[ln(4h/d) + 1], em que L é a indutância da via, h é o comprimento da via e d é o diâmetro do orifício central. Pela fórmula, verifica-se que o diâmetro do via tem um impacto relativamente pequeno na indutância, enquanto o comprimento do via tem o maior impacto. Utilizando o exemplo acima, a indutância da via pode ser calculada como: L = 5,08 × 0,050[ln(4 × 0,050/0,010) + 1] = 1,015 nH. Se o tempo de subida do sinal for de 1 ns, a sua impedância equivalente é: XL = πL/T10 – 90 = 3,19 Ω. Esta impedância não pode ser ignorada quando uma corrente de alta frequência a atravessa. Deve ser dada especial atenção ao facto de que, quando o condensador de derivação é ligado ao plano de alimentação e ao plano de terra, tem de passar por duas vias, o que multiplicará a indutância parasítica das vias.

Como calcular a indutância parasítica?

Da mesma forma, os vias apresentam tanto capacitância parasítica como indutância parasítica. Na conceção de circuitos digitais de alta velocidade, os efeitos prejudiciais da indutância parasítica das vias superam frequentemente o impacto da capacitância parasítica. A sua indutância parasítica em série enfraquece a contribuição dos condensadores de derivação, reduzindo assim a eficácia de filtragem de todo o sistema de alimentação.

Podemos calcular facilmente a indutância parasítica de uma via utilizando a seguinte fórmula:

L = 5,08 h [ln(4 h/d) + 1]

L refere-se à indutância da via.

h é o comprimento da via.

d é o diâmetro do furo central.

Como se pode ver pela fórmula, o diâmetro da via tem um impacto relativamente pequeno na indutância, enquanto o comprimento da via tem o maior impacto na indutância. A capacitância parasítica da via afeta principalmente o circuito, prolongando o tempo de subida do sinal e reduzindo a velocidade do circuito.

Conceção de vias em placas de circuito impresso técnicas

Através da análise acima apresentada sobre as características parasíticas das vias, podemos constatar que, no projeto de placas de circuito impresso (PCB), as vias aparentemente simples podem, muitas vezes, ter efeitos negativos significativos no projeto do circuito. Para reduzir os efeitos adversos decorrentes das características parasíticas das vias, devem ser tidos em conta os seguintes aspetos durante o processo de projeto:

(1) Selecione um tamanho razoável para as vias. Para projetos de PCB multicamadas com densidade normal, são preferíveis vias de 0,25 mm/0,51 mm/0,91 mm (furo/pad/área de isolamento de alimentação); para algumas placas de circuito impresso de alta densidade, também podem ser utilizadas vias de 0,20 mm/0,46 mm/0,86 mm, ou podem ser experimentadas vias sem orifício de passagem; para vias de alimentação ou de terra, podem ser considerados tamanhos maiores para reduzir a impedância;

(2) Quanto maior for a área de isolamento de POTÊNCIA, melhor. Tendo em conta a densidade de vias na placa de circuito impresso, aplica-se geralmente a fórmula D1 = D2 + 0,41 mm.

(3) As traçadas de sinal na placa de circuito impresso não devem mudar de camada, na medida do possível, ou seja, o número de vias deve ser reduzido ao mínimo;

(4) A utilização de uma placa de circuito impresso mais fina ajuda a reduzir os dois parâmetros parasíticos das vias;

(5) Os pinos de alimentação e de terra devem ser ligados através de vias o mais próximas possível, e os condutores entre as vias e os pinos devem ser o mais curtos possível, uma vez que aumentam a indutância. Ao mesmo tempo, os condutores de alimentação e de terra devem ter a maior secção possível para reduzir a impedância;

(6) Coloque algumas vias de ligação à terra junto às vias de transição entre camadas de sinal, de modo a proporcionar circuitos de curta distância para os sinais. É claro que os problemas específicos têm de ser analisados caso a caso durante o processo de conceção. Tendo em conta tanto o custo como a qualidade do sinal, os projetistas procuram sempre que as vias sejam tão pequenas quanto possível no projeto de PCB de alta velocidade, para que possa ser deixado mais espaço para a cablagem na placa. Além disso, quanto menor for a via, menor será a sua capacitância parasítica, o que é mais adequado para circuitos de alta velocidade. No projeto de PCB de alta densidade, a utilização de vias sem orifício de passagem e a redução do tamanho das vias têm acarretado um aumento dos custos. Além disso, o tamanho das vias não pode ser reduzido indefinidamente. Este é limitado pelos processos de perfuração e galvanoplastia de Fabricantes de placas de circuito impresso. É necessário encontrar um equilíbrio na conceção das vias das placas de circuito impresso de alta velocidade.

Através da seleção em placas de circuito impresso padrão

No projeto geral de placas de circuito impresso (PCB), a capacitância e a indutância parasíticas das vias têm um impacto relativamente pequeno no projeto da PCB. Para projetos de PCB de 1 a 4 camadas, são geralmente preferidas vias de 0,36 mm/0,61 mm/1,02 mm (furos/pads/áreas de isolamento de alimentação). Para algumas linhas de sinal com requisitos especiais (tais como linhas de alimentação, linhas de terra, linhas de relógio, etc.), podem ser utilizadas vias de 0,41 mm/0,81 mm/1,32 mm, ou podem ser selecionados outros tamanhos de vias de acordo com a situação concreta.

Tecnologia sem orifícios de passagem no desenho de vias de placas de circuito impresso

As vias não passantes incluem as vias cegas e as vias enterradas. A aplicação de vias cegas e enterradas na tecnologia de vias não passantes pode reduzir significativamente o tamanho e o peso das placas de circuito impresso (PCB), diminuir o número de camadas, melhorar a compatibilidade eletromagnética, aprimorar as funcionalidades dos produtos eletrónicos, reduzir custos e, ainda, tornar o processo de conceção mais simples e rápido.

No design e fabrico tradicionais de PCB, as vias apresentam inúmeros problemas. Em primeiro lugar, ocupam uma quantidade significativa de espaço útil. Em segundo lugar, um grande número de vias agrupadas cria obstáculos substanciais ao traçado em PCB multicamadas. Estas vias consomem o espaço necessário para o traçado e a sua penetração densa através das superfícies das camadas de alimentação e de terra pode perturbar as suas características de impedância, podendo potencialmente causar a sua falha. Além disso, a perfuração mecânica convencional é 20 vezes mais trabalhosa do que a utilização de técnicas sem vias de passagem.

No desenho de placas de circuito impresso (PCB), embora as dimensões dos pads e das vias tenham vindo a diminuir gradualmente, se a espessura da camada da placa não diminuir proporcionalmente, a relação de aspecto dos orifícios de passagem aumentará, o que reduz a fiabilidade. Com o aperfeiçoamento das tecnologias avançadas de perfuração a laser e gravação a seco por plasma, tornou-se possível a aplicação de vias cegas pequenas, sem orifício de passagem, e de pequenas vias enterradas. Se o diâmetro destas vias sem orifício de passagem for de 0,3 mm, os parâmetros parasíticos resultantes são cerca de 1/10 dos das vias convencionais, melhorando a fiabilidade da placa de circuito impresso. Devido à utilização da tecnologia de vias sem orifício de passagem, há menos vias de grandes dimensões na PCB, proporcionando assim mais espaço para os traços.

O espaço restante pode ser utilizado para blindagem de grande área, a fim de melhorar o desempenho em termos de EMI/RFI. Simultaneamente, mais espaço restante pode ser utilizado para a blindagem parcial de componentes e redes críticas nas camadas internas, garantindo um desempenho elétrico ideal. A utilização de vias não passantes facilita a distribuição dos terminais dos componentes, simplificando o encaminhamento de dispositivos com pinos de alta densidade (tais como dispositivos em embalagem BGA), reduzindo os comprimentos das interligações e cumprindo os requisitos de temporização dos circuitos de alta velocidade.

Qual é a diferença entre as vias de uma placa de circuito impresso e os orifícios dos componentes?

No desenho de placas de circuito impresso (PCB), existe uma diferença entre vias e orifícios para componentes, e estes nunca devem ser utilizados de forma intercambiável.

As vias servem, em geral, para facilitar a condução entre dois lados, e o método de processamento convencional consiste na aplicação de um revestimento de óleo.

Os orifícios para componentes são normalmente concebidos como orifícios de inserção, para utilização durante a soldadura por inserção.

Se as vias e os orifícios dos componentes forem utilizados de forma intercambiável, ao selecionar a tinta de cobertura das vias, os orifícios de passagem serão cobertos ou bloqueados pela tinta, tornando impossível controlar eficazmente o seu tamanho. Outra situação é a utilização errada dos orifícios dos componentes como vias. Neste caso, quando o software fecha automaticamente a janela da via, não consegue identificar eficazmente a via, o que faz com que as vias que necessitam de tinta de cobertura não sejam cobertas.

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Resumir

Este artigo não só resume as técnicas de conceção de vias em PCB compiladas pela equipa de engenharia da Geyuan Electronics, como também aborda informações fundamentais sobre as vias e as tecnologias avançadas atuais relacionadas com as vias em PCB. Seguir estas regras e técnicas de conceção pode melhorar significativamente a integridade do sinal, a eficiência da gestão térmica e a taxa de aproveitamento à primeira tentativa. É essencial executar a verificação de regras de conceção (DRC) nas fases finais do processo de conceção e otimizar de acordo com as especificações de processo do fabricante de PCB. Se estiver atualmente à procura de um fabricante profissional de PCB para a produção em série dos seus produtos de PCB, por favor contacte-nos para obter ajuda.