De circuitos de protótipo em placas de pão para projetar nosso próprio placa de circuito impresso (PCBS), it was like getting off the training wheels. There’s a lot to learn about this process, so let’s get started. PCB design is carried out in an electrical engineering (EE) process. EE cria o “cérebro” de como os dispositivos funcionam. Without electronics, you’re left with little more than a pile of metal and plastic.

Coisas que você deve saber antes de iniciar o design do PCB: 1. Tamanho do PCB – isso depende do tamanho do seu produto (ou tamanho da caixa). As dimensões do produto são definidas durante o processo de projeto de engenharia eletrônica. You can watch a video about it here. 2. Camadas de PCB – quanto mais camadas, mais complexa é a FABRICAÇÃO de PCB. (Observação: mesmo um PCB de camada única pode ser um PCB complexo, mas aqui estamos falando sobre a complexidade de fazer um PCB. Quanto mais camadas um PCB tiver, mais caro será para fabricar.)

Layer 2 is usually used for simple toy products

Produtos relacionados com Iot geralmente têm 4 camadas

Typically used for floors 6 to 8 of a smartphone or smartwatch.

3. Your PCB manufacturer’s requirements. Be sure to read the guidelines for rhythm, trace size, power isolation, and file naming before you start designing.

Informações que você precisa fornecer aos fabricantes de PCB:

Número de camadas (por exemplo, 2, 4, 6, etc.)

Materiais (FR-2 (papel de algodão fenólico), FR-3 (papel de algodão e epóxi), FR-4 (fibra de vidro e epóxi … etc)

Espessura (0.5 mm, 1.0 mm … etc)

Color (red, black, green… etc)

Tratamento de superfície (ENIG (imersão química de níquel / ouro), DIG (imersão direta em ouro), OSP (conservantes orgânicos soldáveis, etc.)

Peso do cobre (1 oz (35 mícrons), 2 oz (70 mícrons), 0.5 oz (18 mícrons) … etc)

Arquivo Gerber

PCB design process:

Design do circuito

For this step, you need to create the schematic. This is a document, like a blueprint, that describes how components relate to each other and work together. Para criar o arquivo esquemático, você precisará de uma ferramenta de software. Gostamos do Quadcept porque ele é otimizado para projetar PCBS para manufatura (por exemplo, você pode exportar uma lista de materiais (BoM) diretamente da ferramenta) e é baseado na nuvem, para que possa ser facilmente usado em qualquer lugar. (Eles também oferecem uma versão gratuita da comunidade da ferramenta para fabricantes e alunos.)

Existem muitas outras opções à sua escolha:

Altium

ExpressPCB

Dispositivo de freqüência

KiCad

Cadence allegro

esteira

Design auxiliado por computador

DipTrace

After you install the selected tools, you need to obtain the component specifications for each selected component. They can often be found on the supplier’s website. O arquivo do modelo o ajudará a desenhar o esquema. Este componente fica disponível no banco de dados quando você carrega o modelo na ferramenta de software. Then, all you have to do is follow the data manual and connect the wire to each pin in the component. (Nota: os detalhes do processo de design dependerão da ferramenta de software escolhida).

Each schematic symbol needs to have an associated PCB space area to define the physical dimensions of the component and the location of the through holes on the brazing pad or PCB. You should have selected the components (or are now selecting them), and we describe this process in the EE Design Process video (see video).

Diagrama de exemplo

Um bom esquema é muito importante, pois será usado como um documento de referência durante a depuração e é uma boa ferramenta de comunicação com outros engenheiros. Além disso, o fabricante pode testar o dispositivo por meio dos pontos de teste neste documento.

Layout PCB + arquivo Gerber

To design the PCB layout and create Gerber files, you can use the same software tools we mentioned in circuit design. Ao contrário de um esquema, um layout de PCB atribui os componentes reais às localizações exatas no PCB e mostra as trilhas que conectam cada componente entre as camadas do PCB. Conforme mencionado no início deste artigo, quanto mais camadas, mais complexa será a fabricação necessária e maior será o custo.

Divide the PCB into logical parts based on functions (e.g. power supply, audio output, etc.). Then, be sure to group the components of each section into the same area. Dessa forma, você pode manter o traço condutivo curto e reduzir o ruído e a interferência.

A interface do usuário (IU) também precisa ser mantida em mente ao projetar um PCB. Componentes como tomadas de áudio, conectores, leds, etc., precisam ser ajustados para obter a melhor experiência do usuário.

Uma vez que o layout é desenhado, um arquivo Gerber é gerado. O fabricante do PCBA usará esse arquivo. There are many companies that offer these services, and from HWTrek’s expert library we recommend Kingbrother, NexPCB, and HQPCB.

Sample Gerber files

A colocação dos componentes no PCB é muito importante. Alguns componentes podem interferir uns nos outros e causar um comportamento inesperado. Por exemplo, se você tiver módulos Bluetooth e Wi-Fi, eles terão a mesma largura de banda de 2.4 GHz e podem interferir um no outro se colocados incorretamente.

Produção de PCB

Quando você envia o arquivo Gerber para o fabricante da PCB, eles podem imprimir a placa. Esta será a base para construir ainda mais a base para adicionar componentes ao PCB e fabricar o PCBA (conjunto da placa de circuito impresso).

PCBS desmontado

PCBA (Assembly)

Preparação de material

Neste ponto em seu projeto EE, você deve ter selecionado os componentes. You can ask the PCBA manufacturer to order the required components for you, or do it yourself if you choose a supplier. Assuntos que precisam de atenção:

Lead time: As these components come from different suppliers, keep the lead time in mind. For some components, it can take up to 8-16 weeks.

Packaging: Order components from reels that are automatically picked up by SMT machines instead of packaging them individually.

Quantidade mínima do pedido: Verifique a quantidade mínima do pedido do componente. Se você comprar menos do que o mínimo, certifique-se de que os componentes selecionados estejam em estoque. For small batches (up to 50), you can order online from DigiKey or Mouser. Para mais quantidades, consulte o seu fabricante.

Loss: Order 10% more to cover loss (not for expensive components)

Instale os componentes no PCB

Existem duas maneiras principais de colocar componentes em uma superfície de PCB:

Through-holes (through-holes) are manual methods of assembling assemblies with wires into holes on the surface of a PCB. É também comumente conhecido como DIP ou processo de embalagem dupla em linha. (Veja SMT em andamento neste vídeo)

SMT (tecnologia de montagem em superfície) é o método mais amplamente usado na produção em massa. Isso é feito por máquinas SMT rápidas e precisas que economizam tempo, dinheiro e evitam erros humanos.

Coisas para lembrar:

O número do tipo de componente não deve exceder o número de bobinas que a máquina SMT do fabricante pode suportar.

Otimize e consolide seus componentes para que apenas um SMT seja executado.

Verifique os tamanhos de almofada de pegada suportados pelo fabricante. Caso contrário, a máquina SMT não instalará os componentes corretamente.

Alguns componentes maiores não podem ser instalados pela máquina e ainda requerem trabalho manual através do furo. Portanto, ambas as tecnologias podem ser usadas na mesma placa.

Todos os componentes que você precisa adicionar manualmente por meio do método de furo passante são adicionados ao custo de fabricação.

Soldadura por refluxo

A soldagem por refluxo é o processo de fazer os componentes “grudarem” no PCB. O PCBA aquece a placa de circuito por meio de um forno de refluxo ou uma lâmpada infravermelha até que a solda derreta, fixando permanentemente o componente na placa de circuito.

O mais complicado aqui é não superaquecer ou danificar os componentes, pois as características térmicas de cada embalagem são diferentes. Um fabricante confiável de PCBA será responsável por esse processo e tudo o que você precisa fazer é fornecer a eles as especificações dos componentes.

Processo de refluxo.

Outros métodos de soldagem:

A soldagem por onda é usada principalmente para componentes adicionados manualmente pelo método de furo passante. Nesse caso, seu PCBA primeiro passará pelo forno de soldagem por refluxo e, em seguida, adicionará manualmente outros componentes após passar pela máquina de solda por onda.

A soldagem de ferro pode ser usada para situações específicas, mas não para a produção em massa.

Teste e inspeção de qualidade

Nesta etapa, as amostras de PCBA são testadas para garantir a qualidade. Erros comuns são: curtos-circuitos em componentes desconectados, componentes desalinhados e partes do circuito que não devem ser conectadas. Os testes mais comuns:

TIC (teste online). When designing a PCB, some test points are usually reserved for debugging, programming, and other purposes. A máquina ICT usará esses pontos de teste para teste de circuito aberto / curto e verificará se os valores dos componentes passivos (resistores, indutores, capacitores) estão dentro da faixa de especificação.

AOI (inspeção óptica automática). Manufacturers use a “gold sample” (reference PCBA) to compare with other samples. Para este teste, o criador do hardware precisará fornecer especificações e tolerâncias ao fabricante para definir os parâmetros.

Raio X. O fabricante do PCBA usará raios-X para verificar as condições de soldagem dos componentes BGA (Ball Grid Array). Assista ao teste de raio-X neste vídeo.