Download pdf - Desenho Electrotécnico - Apresentação_

Desenho Electrotécnico-- Electrónica ---- Electrónica --

Luís Simões

[email protected]

Gabinete 15

Desenho Electrotécnico – Luís Simões - DEE - ESTV

CONSTITUINTES DOS EQUIPAMENTOS ELECTRÓNICOS


Electrónica hoje


• Na base do funcionamento destes equipamentos está sempre um circuito electrónico

• De uma forma simplista, este circuito é composto por:– Componentes electrónicos;

Circuito electrónico

– Placa de circuito impresso (PCB – printed circuit board)


Tudo começa numa ideia


Como passar de um esquema para uma placa PCB?

?

• Como desenhar o esquema do circuito (circuit schematic)?

• Como desenhar a placa de circuito impresso (PCB)?


Da electrónica ao produto final


€

COMPONENTES ELECTRÓNICOSComponentes mais comuns nos circuitos electrónicos


Exemplo de esquema (schematic)


Elementos típicos no esquema de um circuito

• Num esquema, as ligações entre componentes são representadas simplesmente por traços.



• Fontes de alimentação (sources): todos os circuitos terão uma fonte de energia que faz mover os electrões da rede eléctrica.



• Indutâncias mútuas (mutual inductors): seguem o princípio das bobinas mas cumprem outros fins



• Interruptores e comutadores (Switches)



• Resistências (resistors): ajudam a controlar as correntes e tensões presentes numa montagem



• Um circuito (extremamente) simples:

• Uma tensão aplicada a um circuito provocará a movimentação de electrões � corrente eléctrica.


Elementos típicos no esquema de um circuito• Condensadores (capacitors): componentes que armazenam

energia na forma de campo eléctrico

• Bobinas (inductors): componentes que armazenam energia na forma de campo magnético



• Relés (Relays)



• Díodos (diodes): controlam o sentido em que flui a corrente.



• Transístores (transistors): componente de 3 terminais em que actuando electricamente sobre um dos terminais se controla a corrente que flui entre os outros dois.



• Outros transístores: JFET e MOSFET



• Tiristores (Thyristors): controlo de correntes em circuitos de potência



• Circuitos digitais (digital circuits): circuitos que operam com base num sistema binário (On,Off; 0V,5V; etc)


ENCAPSULAMENTO DOS COMPONENTES

O mesmo componente pode ser comprado com diferentes apresentações

A aplicação determina o formato a escolher


Mesmo componente, mesma função, diferentes encapsulamentos!


Com terminais (Through Hole)

SMD (surface mount device)

• Os encapsulamentos podem ser de vidro, metal, cerâmicos ou plásticos

• O encapsulamento define a dissipação de potência e as características de frequência do componente.as características de frequência do componente.

• Cada encapsulamento é designado por uma referência diferente. Ao projectar uma placa PCB é essa referência que devemos utilizar ao adicionar o componente.


TO 92 TO 39

Encapsulamento de componentes discretos

TO 92

TO 220

TO 18TO 39

TO 3 TO 126


DO 4 DO 5 DO 8 DO 9

HR 16 HR 23 HT 16 HT 23

HT 29


TO 65 TO 3 TO 5m

TO 48 TO 55 TO 83 TO 93 TO 94

TO 92 TO126 TO 127 TO 202 TO 218 TO 220 TO 220 – 2pin




•Maior integração•Menor espaço•Mais funções desempenhadas•Maior libertação de calor•Maior velocidade (frequência)


Tecnologias de montagem:

PTH (“pin through hole”)

SMT (“surface mount technology”)

BGA (“ball grid array”)


BGA socketing


S – SingleD – DualQ – Quad

P – PackageIP – Inline PackageIC – Integrated Circuit

S – SmallSO – Small OutlineTS – Thin Small

GA – Grid ArrayJ – J bendedFP – Flat Pack

P – PlasticC – Ceramic



SemiconductorPackages

Single Chip• In-Line

• Small Outline (SOP / SOIC)

• Single In-Line (SIL/SIP)

• Dual In-Line (DIL/DIP)

• Single In-Line Memory Module (SIMM)

• Zig-Zag In-Line Package (ZIP)

P – PackageIC – Integrated Circuit

• Small Outline J-Bend Package (SOJ)Menor que o IL

Multi Chip

• Quad Surface Mount

• Grid Array

• Small Outline J-Bend Package (SOJ)

• Small Outline Gull-Wing Package (SOP)

• Thin Small Outline Package (TSOP)

Menor que o IL

• Plastic Quad Flat Pack (PQFP)

• Ceramic Quad Flat Pack (CQFP)

• Chip Carrier (CC)


SemiconductorPackages

Single Chip• In-Line

• Grid Array

• Small Outline

• Quad Surface Mount

• Pin Grid Array (PGA)

• Ball Grid Array (BGA)

(“through hole”; impossível SMT)

Bolas de solda

Colocadas em cima de circuito impresso

Multi Chip Module (MCM)

• Ball Grid Array (BGA)

• Chip Scale Package (CSP)

Colocadas em cima de circuito impresso

e fundidas por infravermelhos p.ex.

= BGA; mais pequeno


DIP (Dual Inline Package) / DIL (Dual In Line)

• CDIP (Ceramic DIP)

• PDIP (Plastic DIP)

• SDIP (Skinny DIP)

QIP (Quad)

• QIP (Quad Inline Package)

• QFP (Quad Flat Pack)

• PQFP (Plastic QFP)

• CQFP (Ceramic QFP)

Maior afastamento das pistas ⇒ maior corrente

QFP (Quad Flat Pack)

• TQFP (Thin QFP)

LCC (Leadless Chip Carrier)

• CLCC (Ceramic LCC)

• PLCC (Plastic LCC)

PGA (Pin Grid Array)

PLCC (Plastic Leadless Chip Carrier)


Evolução do encapsulamento


?


DIP / SDIP / SOIC / SOJ /SOP / SSOP / TSOP / ... ZIPSIP / SIL

Numeração dos pinos

PGA / BGA PLCC / QFP / PQFP


Correntes � Aquecimento


Todo o integrado sofrerá um aquecimento quando em operação. Há situações em que não será necessário tomar medidas especiais dado que o encapsulamento suporta a temperatura em casua. Quando tal não acontecer será necessário recorrer a sistemas auxiliares de arrefecimento.

Plástico

Cerâmico

Uso de dissipadores


Outras formas de arrefecimento


PCB – PRINTED CIRCUIT BOARDPlaca de circuito impresso


PCB

• A printed circuit board, or PCB, is used to mechanically support and electrically connect electronic components using conductive pathways, or traces, etched from copper sheets laminated onto a non-conductive substrate. A PCB populated laminated onto a non-conductive substrate. A PCB populated with electronic components is a printed circuit assembly(PCA), also known as a printed circuit board assembly (PCBA).

• Materials: Conducting layers are typically made of thin copper foil. Insulating layers are typically laminated together with epoxy resin. The board is typically green in color and made of materials like polytetrafluoroethylene, FR-4, FR-1, CEM-1 or CEM-3.


PCB (dupla face)

Folha de cobre

Camada isolante (FR-4,FR-1,CEM-1,CEM-3,...)

Resina epoxyca(extremamente fina e praticamente invisível)

Construção de placas PCB

• The vast majority of printed circuit boards are made bybonding a layer of copper over the entire substrate,sometimes on both sides, (creating a "blank PCB") thenremoving unwanted copper after applying a temporarymask (eg. by etching), leaving only the desired coppertraces. A few PCBs are made by adding traces to the baretraces. A few PCBs are made by adding traces to the baresubstrate (or a substrate with a very thin layer of copper)usually by a complex process of multiple electroplatingsteps.

• There are three common "subtractive" methods (methods that remove copper) used for the production of printed circuit boards: silk screen printing, photoengraving and pcb milling.


Subtractive methods

• Silk screen printing uses etch-resistant inks to protect the copper foil. Subsequent etching removes the unwanted copper. Alternatively, the ink may be conductive, printed on a blank (non-conductive) board.

• Photoengraving uses a photomask and chemical etching to remove the copper foil from the substrate. The photomask is usually prepared with a photoplotter from data produced by a technician using CAM, or computer-aided manufacturing software.a photoplotter from data produced by a technician using CAM, or computer-aided manufacturing software.

• PCB milling uses a two or three-axis mechanical milling system to mill away the copper foil from the substrate. A PCB milling machine (referred to as a 'PCB Prototyper') operates in a similar way to a plotter, receiving commands from the host software that control the position of the milling head in the x, y, and (if relevant) z axis. Data to drive the Prototyper is extracted from files generated in PCB design software and stored in HPGL or Gerber file format.


PCB (dupla face)


A PCB é depois furada e maquinada para se obter uma placa rígida que liga os componentesde forma robusta.


Elementos de uma PCB

• Trace• Pad• Hole• Via: A plated through hole (PTH) in a Printed Circuit

Board (PCB) that is used to provide electrical connection between a trace on one layer of the Printed Circuit Board Board (PCB) that is used to provide electrical connection between a trace on one layer of the Printed Circuit Board to a trace on another layer. Since it is not used to mount component leads, it is generally a small hole and pad diameter.

• Blind via: A via hole that does not pass completely through the printed circuit board. A blind via starts from one side or another.


PCB Milling

Maquinação das PCBs.


Vídeos de maquinação de PCBs.

Furação das PCB• Drilling

• Holes, or vias, through a PCB are typically drilled with tiny drill bits made of solid tungsten carbide. The drilling is performed by automated drilling machines with placement controlled by a drill file. These computer-generated files are also called numerically controlled drill (NCD) files or "Excellon files". The drill file describes the location and size of each drilled hole.

• When very small vias are required, drilling with mechanical bits is costly • When very small vias are required, drilling with mechanical bits is costly because of high rates of wear and breakage. In this case, the vias may be evaporated by lasers. Laser-drilled vias typically have an inferior surface finish inside the hole. These holes are called micro vias.

• The walls of the holes, for boards with 2 or more layers, are plated with copper to form plated-through holes that electrically connect the conducting layers of the PCB.


Ficheiro de furação no Eagle


Ficheiro de controlo da furação• %• M48• M72• T01C0.0240• T02C0.0320• T03C0.0360• T04C0.0400• T05C0.0440• T06C0.0520• T07C0.1300• %• T01• X2351Y2075• X2351Y2637• X6038Y4700• X4913Y5825• X7726Y8450• X9601Y9512• X10726Y10387• X13038Y11700• X14163Y13012• X16413Y14637• X17851Y14200• X18288Y13012• X19913Y14450• X21788Y13887• X22038Y12575• X21726Y10950

• X17601Y19575• X18851Y18137• X20163Y17012• X23851Y16450• X24351Y18137• X26413Y17887• X27913Y17012• X29351Y15887• X29851Y14762• X32101Y14762• X32101Y14200• X32163Y15512• X34413Y17012• X35351Y17575• X36038Y17450• X36101Y18512• X35976Y19762• X33851Y19200• X33163Y20137• X32038Y19637• X31163Y19575• X31351Y20387• X29788Y20137• X32726Y23512• X29351Y24075• X27788Y24762• X27601Y26450• X26663Y28700







• X30851Y21512• X31851Y21512• X31851Y22512• X30851Y22512• X29851Y22512• X28851Y22512• X27851Y22512• X26851Y22512• X25851Y22512• X24851Y22512• X23851Y22512• X22851Y22512• X21851Y22512• X20851Y22512• X19851Y22512• X18851Y22512• X17851Y22512• X16851Y22512• X15851Y22512• X14851Y22512• X13851Y22512• X12851Y22512• X11851Y22512• X10851Y22512• X9851Y22512• X8851Y22512• X7851Y22512• X21601Y28762• X21726Y10950



• X30476Y10012• X29788Y9575• X29851Y8950• X30663Y9262• X29913Y7950• X26976Y11012• X25976Y10950• X25351Y11075• X23351Y14450• X30913Y28387• X31913Y28575• T02• X30351Y26262• X30351Y24262• X29851Y18512• X28851Y18512• X27851Y18512• X26851Y18512• X25851Y18512• X24851Y18512• X23851Y18512• X22851Y18512• X21351Y18512• X20351Y18512• X19351Y18512• X18351Y18512• X17351Y18512• X16351Y18512• X15351Y18512



• X36351Y5512• X37351Y5512• X38351Y5512• X38351Y1512• X37351Y1512• X36351Y1512• X35351Y1512• X34351Y1512• T03• X36351Y8262• X37351Y8262• X37351Y9262• X36351Y9262• X36351Y10262• X37351Y10262• X37351Y11262• X36351Y11262• X36351Y12262• X37351Y12262• X37351Y13262• X36351Y13262• X36351Y14262• X37351Y14262• X37351Y15262• X36351Y15262• X2851Y17012• X1851Y17012• X1851Y18012• X2851Y18012

• X2851Y8012• X2851Y7012• X1851Y7012• X1851Y6012• X2851Y6012• X2851Y5012• X1851Y5012• X1851Y4012• X2851Y4012• X2851Y3012• X1851Y3012• T04• X7851Y3512• X8851Y3512• X9851Y3512• X10851Y3512• X11851Y3512• X12851Y3512• X13851Y3512• X14851Y3512• X15851Y3512• X16851Y3512• X17851Y3512• X18851Y3512• X19851Y3512• X20851Y3512• X21851Y3512• X22851Y3512• X23851Y3512


• X21601Y28762• X21601Y29762• T05• X20351Y27512• X6351Y27512• X33601Y12512• X33601Y8512• X37101Y19512• X37101Y20512• X37101Y21512• X37101Y24012• X37101Y25012• X37101Y26012• T06• X35191Y29512• X32241Y29512• X29291Y29512• X25351Y29512• T07• X44001Y25012• X44001Y20512• M30


Exemplos de PCBs


PCB glossary• Aperture

A description of the shape and size of the tool used to create a pad or track. The term comes from the days of vector photo plotters, where film was exposed by shining light through apertures (shaped holes) arrayed around the edge of a disk (or "aperture wheel"). Each aperture corresponded to a different D code in the Gerber data. Today, photoplotters use lasers to expose the film but the term "aperture" persists.

• Aperture List / Aperture TableA list of the shapes and sizes for describing the pads and tracks used to create a layer of a circuit board.

• PadThe portion of the conductive pattern on printed circuits designated for the mounting or attachment of components.

• ViaA plated through hole (PTH) in a Printed Circuit Board that is used to provide electrical connection between a trace on one layer of the Printed Circuit Board to a trace on another layer. Since it is not used to mount component leads, it is generally a small hole and pad diameter.

• Blind viaA via hole that does not pass completely through the printed circuit board. A blind via starts from one side or another.

• Buried viaA via connects two or more inner layers but no outer layer, and cannot be seen from either side of the board.

• Component SideThe side of a printed circuit board on which most of the components will be mounted.

• Internal LayerA conductive pattern which is contained entirely within a multilayer printed board.

• Single Side PCBThe pads and traces are on the one side of the board only.

• Double Side PCBThe pads & traces are on both sides of the board.

• Multilayer PCBThe pads and traces are on both sides and also there are traces embedded within the board. Speedy PCB is able to provide 3-20 multi layer boards.

• NPTHNPTH: Non-plated Through Hole.


• PCB Design Software/ToolsSoftware that helps designer to do schematic, layout design, routing and optimizations, etc. There are many desing software and tools in the market. Some of them are free PCB design software. Here is a short list: ExpressPCB, EAGLE, PROTEL, CADSTAR, ORCAD, CIRCUIT MAKER, P-CAD 2000, PCB ELEGANCE, EDWIN, VISUALPC, BPECS32, AUTOENGINEER, EXPERT PCB, CIRCAD, LAYOUT, CIRCUIT LAYOUT, MCCAD, DREAM CAD, E-CAD, POWERPCB, PCB ASSISTANT, PCB DESIGNER, QCAD, QUICK ROUTE, TARGET 3001, WIN CIRCUIT 98, BOARD EDITOR, PCB, VUTRAX, CIRCUIT CREATOR, PADSPCB, DESIGN WORKS, OSMOND PPC, LAY01, SCORE, GElectronic, PRO-Board, PRO-Net , CSIEDA, VISUALPCB, WINBOARD, ULTIBOARD, EASY PC, RANGER, PROTEUS, EPD - Electronics Packaging Designer , AutoTrax Eda, SprintLayout, CADINT, KICAD, Merlin PCB Designer, FREE-PCB, TinyCAD, WINQCAD, Pulsonix, DIPTRACE.

• PCB Fabrication ProcessA general process can be simplified as: Copper laminate -> Drill board -> Deposit Cu -> Photolithography -> Tin lead plate or finishing -> Etch -> Hot air level -> Solder mask -> E-Testing -> Routing/V-scoring -> Product inspection -> Final cleanning -> Packaging .

• PTH• PTHPlated Through Hole, a hole with the plated copper on its sides to provide electrical connections between conductive patterns at the levels of a printed circuit board. There are two types of PTH. One is for mounting components and the other is not used to mountcomponent.

• RoHSRestriction of Hazardous Substances, is one of a handful of European legislation intended to eliminate or severely curtail the use of cadmium, hexavalent chromium, and lead in all products from automobiles to consumer electronics.

• SilkscreenColored marks (usually white) on the PCB board to identify components for later assembly and trouble shooting processes. They can be put on either or both sides of the board.


O interior das PCBs


Regras na definição das PCB• Quando definindo traces é sempre boa prática fazê-los

tão curtos e directos quanto possível

• É uma boa estratégia utilizar traces verticais numa das faces e horizontais na outra.


Unidades

• Usar unidades imperiais

– A maioria dos componentes é produzida com distâncias entre terminais baseadas nestas unidades

– 1mil = 1/1000 inch (poleagadas)

• Usar unidades SI (mm):

– Dimensões da placa

– Diâmetro das furações

• Atenção à diferença entre mm e mil!!!!


Regras para traces• Como regra geral a largura da pista deve ser tão grande

quanto possível. Pistas mais largas terão menor resistência, menor indutância, podem ser mais facilmente produzidas (mais baratas) e mais fáceis de inspeccionar. O mínimo genérico seria de 10 mils.

• A espessura do cobre é normalmente definida em onças por pé quadrado (ounces per square foot), sendo o cobre de 1oz o pé quadrado (ounces per square foot), sendo o cobre de 1oz o mais comum.

• Cobre mais espesso é utilizado para correntes mais elevadas


• Cálculo da dimensão das pistas :

•

http://www.desmith.net/NMdS/Electronics/TraceWidth.html Desenho Electrotécnico – Luís Simões - DEE - ESTV

• Considerando uma subida de temperatura de 10 C nas pistas:


Regras para pads

• As dimensões e formato das pads dependem não só do componente como do processo de montagem da placa.

• O pad deverá ser 1,8 vezes o diâmetro do furo, ou pelo menos, 0,5mm mais largo.


Regras para pads

• Os pads para componentes com pernos devem ser redondos sendo o seu diâmetro comum de 70 mil.

• Os componentes DIL (dual in line) usam formas ovais com ~60x100mil.


Vias

• As vias são semelhantes a pads mas servem propósitos diferentes:

– Pads: para fixar componentes

– Vias: para levar um sinal de uma face à outra da – Vias: para levar um sinal de uma face à outra da placa

• Os furos nas vias são tipicamente de menor diâmetro que nas pads.


Clearances• As clearances eléctricas são muito importantes numa

PCB. Uma clearance demasiado reduzida entre traces e pads podem conduzir a problemas durante a produção da placa e a curto-circuitos após a sua montagem.

• Um valor razoável será de 8 a 10 mils.


• Alguns valores de referência para as clearances em função das tensões presentes no circuito


Localização dos componentes

• Colocar todos os componentes na área de trabalho (feito automaticamente pelo software)

• Agrupar os componentes em blocos funcionais

• Alinhe os componentes (Circuitos integrados na • Alinhe os componentes (Circuitos integrados na mesma direcção, resistências e condensadores alinhados, etc.)


Routing• A ligação eléctrica entre 2 ou mais pads é designada por

net.

• As nets devem ser tão curtas quanto possível

• As traces devem apenas ter ângulos de 45 graus. Deve evitar-se o uso de ângulos de 90 graus e em circunstância alguma se deve usar ângulos superiores.alguma se deve usar ângulos superiores.

• As traces devem passar entre pads apenas quando absolutamente necessário

• Não deve existir na placa àreas de cobre por ligar (“dead copper”). Ligue-os ao ground ou remova-os.


Silkscreen layer

• Também designada por component layer, é a camada que contém o contorno e a indicação dos componentes.


Solder Mask• A solder mask é uma camada muito fina de

revestimento que rodeia os pads para evitar que a solda estabeleça pontes entre pinos dos componentes.

• A solder mask tipicamente cobre tudo excepto pads

e vias.e vias.

• O programa de elaboração de PCB automaticamente eliminará a solder mask de pads e vias.

• No Eagle: tStop e bStop.


Rats nest


Rats Nest• É um diagrama em que as pads dos componentes ligados

no schematic aparecem ligadas por uma linha direita (designada por air wire no Eagle).

• Este diagrama evita que se tenha de constantemente recorrer ao schematic para saber que componentes devem ficar ligados

• À medida que avança o routing as linhas da rats nest vão desaparecendo. Quando não existir nenhum air wire, o desaparecendo. Quando não existir nenhum air wire, o routing estará completo.


De rats nest para routing


Design Rule Check• A Design Rule Check permite verificar automaticamente se todas as

regras impostas para clearance, conectividade, dimensão das pistas, etc.

• Com a complexidade das PCBs actuais seria pouco prático realizar esta verificação manualmente– É verificado que cada trace na PCB corresponde às ligações

definidas no schematic.

– Verifica o afastamento (clearance) entre componentes, traces e pads.

– Verifica o afastamento (clearance) entre componentes, traces e pads.

– Verifica dimensões dos furos, largura das pistas e existência de curto-circuitos.


Forward e Back Annotation

• Alterações feitas ao schematic são imediatamente transpostas para a PCB.

• Alguns programas eliminarão também traces

relativas a ligações que foram eliminadas do scheamtic.

• A back annotation ocorre quando alterações efectuadas na PCB se reflectem no schematic. (Só em situações muito raras será necessário realizar back

annotation)
