Já parou pra pensar que as trilhas de uma placa de circuito impresso não são simplesmente como riscos em papel tal qual um artista cria?
As minúsculas trilhas são como cabos de transmissão e geram interferência eletromagnética (EMI) e reflexão de sinal, portanto, é necessário um avançado conjunto de técnicas de design para criar as cada vez mais complexas PCBs que os dispositivos eletrônicos que nos rodeiam necessitam, permitindo nos fornecer tantas funções.
Neste artigo vamos detalhar algumas destas técnicas, bem como nos aprofundarmos um pouco nos materiais utilizados como substrato para a construção de circuitos, com enfoque nos equipamentos mais complexos, é claro!
Vamos começar detalhando os principais tipos de substratos para circuitos utilizados atualmente!
Para sinais analógicos ou pulsantes de baixa frequência, não precisamos ir muito longe nos designs de placas. Sistemas simples podem satisfazer a demanda.
Um bom exemplo de placa de circuito rudimentar é aquela aplicada em lanternas traseiras de veículos que ainda fazem uso de lâmpadas incandescentes. Nada mais é que um substrato feito de resina termoplástica de Polipropileno reforçada com 20 ou 40% de Talco, um mineral silicato que melhora a capacidade do polímero de aquecer sem se expandir tanto ao ponto de se deformar, colaborando também para sua rigidez dielétrica. As trilhas são simples filamentos de liga de Zinco exposto ou galvanizado com Estanho fixadas através da deformação por calor de pequenas hastes presentes no substrato. Os soquetes das lâmpadas já são moldadas na própria placa, como vemos na imagem abaixo:
Imagem 1 - As placas de circuito rudimentares ainda estão em uso. Esta placa é de um FIAT Palio FireEvo 2013
CURIOSIDADE: Para conhecer melhor as velhas lâmpadas incandescentes, CLIQUE AQUI!
CURIOSIDADE: Ainda no âmbito automotivo, placas com soquetes de relés e fusíveis seguem uma linha semelhante, podendo ser confeccionadas também com PPE-PA, isto é, Polipropileno-Éter reforçado com Poliamida:
Imagem 2 - Uma placa de relés e fusíveis de um Ford Focus MK1.5
O uso da resina termoplástica Poliamida reforçada com uma pequena porcentagem de pó de vidro (Glass Beat, entre 5 e 20%) e ou fibra de vidro (Glass Fiber, entre 10 e 20%) também é encontrada em alguns projetos elétricos automotivos!
Para os hobbistas em eletrônica, as placas de circuito feitas de Fenolite encontram utilidade. Elas não são desenvolvidas para projetos muito rebuscados, comportando trilhas apenas em suas faces e sendo mais sucetíveis à absorção de umidade, isto pois são compostas por uma 'malha' de fibra de celulose impregnada com resina polimérica termofixa do tipo fenólica, a mesma utilizada para produzir o plástico de nome comercial Baquelite. Isto também torna mais complicada a sua reciclagem, já que este material não derrete, mas sim se desmancha com aplicação de alta temperatura.
Imagem 3 - Circuitos artesanais podem ser muito bem feitos num substrato de Fenolite
As trilhas podem ser simplesmente Cobre, fixas na superfície polimérica, ou então como na imagem acima: trilhas de Cobre recobertas com Estanho numa espécie de "galvanização rudimentar a quente". Também podem ser utilizados fios de Cobre para interligar componentes.
Para a indústria o Fenolite não serve. É necessário um material mais trabalhável, que permita produção de chapas muito finas com alta rigidez dielétrica e baixa absorção de umidade, tornando viável a produção de PCBs de várias camadas. Então, o material que mais apetece os fabricantes é o tal do FR4.
O FR4, sigla para "Retardante de Chamas tipo 4" nada mais é que um tecido de fibra de vidro impregnado com resina plástica termofixa de Poliepóxido, vulgarmente chamado de "epoxi". "FR4" é uma sigla um tanto genérica, já que não reflete a composição química e muito menos os padrões de trama de fibra de vidro aplicados, mas sim apenas uma das carcaterísticas do material, que ainda precisa de certificação para atestar tal qualidade. Você verá mais sobre isso ao longo do texto...
Imagem 4 - As placas-mãe de PCs, notebooks e servidores são feitas com substrato de FR4 e podem ultrapassar 10 camadas de circuito!
Para criar uma placa-mãe, seja ela de um PC de mesa, notebook, TV ou módulo eletrônico de um veículo o empilhamento de folhas de FR4 é necessário, já que o conjunto de circuitos é demasiadamente grande.
CURIOSIDADE: Muitas fabricamentes de placas-mãe destacam em folders de seus produtos que utilizam uma trama de lã de vidro mais apertada, minimizando a absorção de umidade e o risco de curto-circuitos, como é o caso da GigaByte:
Folder 1 - Destaque para a trama de lã de vidro mais apertada apresentada pela GigaByte em seus folders. A AsRock também gosta de fazer publicidade com isso
Para além de PCBs rígidas, existem as PCBs flexíveis (Flexible Printed Circuits - ou FPCs), onde as trilhas de Cobre estão ancoradas num substrato termofixo de Poliimida, sem qualquer reforço fibroso...
Imagem 5 - Uma câmera Olympus Stylus aberta. Até chips são soldados no polímero flexível
Mas e quando se tratam de substratos de chips?
Nestes complexos sistemas integrados podem haver sinais de alta frequência ainda mais próximos do que seriam numa placa de FR4, e isso significa bastante vulnerabilidade perante a possibilidade de 'ruídos elétricos'.
Para as pequenas pastilhas de Silício é necessário um substrato ainda mais estável quando se trata de calor, já que aquecimento localizado é normal em tais componentes, além de, claro, baixa absorção de umidade e rigidez dielétrica muito boa para comportar centenas de trilhas de Cobre numa minúscula área sem que haja curto-circuito ou qualquer tipo de interferência significativa entre elas. Para tal, o FR4 sozinho não é o suficiente, ele precisa ser combinado com finíssimas folhas de ABF para comportar as várias camadas de trilhas que vão fazer a interface entre o chip e a PCB em que ele vai operar.
Folder 2 - O polímero ABF, que combinado com uma base de FR4 é utilizado para fazer substratos de chips
O ABF é uma resina plástica termofixa criada pela Ajinomoto, marca bastante influente no setor alimentício mundial. O ABF tem como base a resina de Poliepóxido combinada com resina fenólica ou Cianato. É vendido em filmes ultrafinos, na faixa dos micrometros.
Tanto para as PCBs de FR4 quanto para os susbtratos de FR4/ABF as trilhas são feitas de Cobre CU1100, isto é, Cobre puro, também chamado de Cobre Eletrolítico.
Agora que já compreendemos os principais materiais utilizados como substratos de circuito, precisamos ir além e entender como são planejadas as trilhas na PCB.
Para entender melhor vamos imaginar um cabo coaxial. Ele recebe o nome de coaxial pelo fato de que todos os seus elementos constituintes (núcleo interno, isolador, escudo exterior e cobertura) estão dispostos em camadas concêntricas de condutores e isolantes que compartilham o mesmo eixo (axis) geométrico. Traduzindo em uma imagem:
Imagem 6 - Como é um cabo coaxial por dentro
Perceba que o condutor positivo está ao centro revestido com um material isolante, um polímero. Por cima deste isolante, uma malha de fios de Cobre faz o papel de polo negativo, que também é chamado popularmente de blindagem.
Gráfico 1 - Cargas geradoras positivas tem as suas linhas de força do campo elétrico voltadas para fora e as negativas para dentro. Com o campo magnético é igual
Quando a frequência do sinal elétrico é muito alta, a condução passa a ser superficial (aquele negócio do "efeito de pele"). Para aumentar a superfície de condução, a malha é constituída por múltiplos fios de secção reduzida e a área da superfície de condução é o somatório da superfície de cada um desses pequenos fios. Diminui-se assim a resistência elétrica da malha.
Mas que diabos um cabo coaxial tem a ver com as trilhas das placas de circuito impresso?
Basta conhecer o conceito de "Stripline" e você verá a relação.
Stripline, de acordo com o livro didático de David Pozar, "Engenharia de Microondas" foi inventado por Robert M. Barrett na década de 1950. A Airborne Instruments Labs (Long Island, Nova York) desapareceu, mas gerou empresas atuais como a MITEQ. De início, o termo aplicado para nomear a tecnologia foi "stripline", enquanto outros, como Sanders (Nashua, NH, agora parte da BAE) aplicaram o nome comercial "Tri-plate".
Uma linha de transmissão do tipo Stripline consiste de uma fita com espessura pequena e largura ‘W’ centrada entre dois condutores aterrados, separados por uma distância ‘b’.
Diagrama 1 - perceba a semelhança do Stripline e o cabo Coaxial
O Stripline suporta operar no modo TEM (Eletromagnética Transversal). Este é o modo comumente usado. Por esta razão, é desejável que os modos superiores (TE e TM) estejam em corte.
Onde:
-> λd: o comprimento de onda no substrato dielétrico;
Como pode se imaginar, o Stripline é algo ultra comum nas placas de circuito impresso, afinal elas são multicamadas, então nada mais interessante do que blindar as linhas positivas de sinal com planos negativos.
No entanto, como estão dispostas as trilhas nas faces das placas?
As faces utilizam um conceito de MicroStrip:
Diagrama 2 - Observe o desenho dos campos E e H
Uma linha de transmissão do tipo MicroStrip consiste de uma microfita condutora com espessura pequena e largura ‘W’ separada de uma distância ‘d’ de um condutor aterrado. Entre os condutores há um dielétrico com permissividade relativa εr >1 (maior que a permissividade do ar).
O modo fundamental suportado pelo Microstrip é um modo híbrido TE / TM (Elétrica Transversal / Magnética Transversal) e não suporta modo TEM pelo fato de o meio que rodeia a trilha não ser homogêneo ao redor da mesma. A velocidade de fase no ar (c) é diferente da velocidade de fase no meio dielétrico. A onda sofre reflexão na interface ar / dielétrico -> TE/TM.
Se a espessura do dielétrico for muito menor do que o comprimento de onda (d << λ), a linha se comporta como um modo TEM.
A onda eletromagnética transportada por uma linha MicroStrip existe parcialmente no substrato dielétrico e parcialmente no ar acima dele. Em geral, a constante dielétrica do substrato será diferente (e maior) que a do ar, de modo que a onda se propaga em um meio não homogêneo. Em consequência, a velocidade de propagação está em algum lugar entre a velocidade das ondas de rádio no substrato e a velocidade das ondas de rádio no ar. Esse comportamento é comumente descrito declarando a constante dielétrica efetiva (ou permissividade relativa efetiva) do substrato, sendo esta a constante de um meio homogêneo equivalente (ou seja, um que resulta na mesma velocidade de propagação).
Para construir um circuito completo com MicroStrip, muitas vezes é necessário que o caminho de uma faixa gire em um grande ângulo.
Diagrama 3 - Como é uma trilha curvada
Uma curva abrupta de 90° em uma microstrip fará com que uma parte significativa do sinal na faixa seja refletida de volta para sua fonte, com apenas parte do sinal transmitido conseguindo passar pela curva e chegar ao destino. Um meio de efetuar uma dobra de baixa reflexão é curvar o caminho da tira em um arco de raio pelo menos 3 vezes a largura da tira., no entanto, uma técnica muito mais comum - que consome uma área menor de substrato - é usar uma dobra em meia-esquadria.
Para uma primeira aproximação, uma curva abrupta sem meia-esquadria se comporta como uma capacitância shunt colocada entre o plano negativo e a curva na trilha, o que poderia levar a variações de tensão. Mitrar a dobra reduz a área de metalização (reduz o tamanho do "eletrodo positivo" deste capacitor indesejável) e, portanto, remove o excesso de capacitância. A porcentagem de esquadria é a fração cortada da diagonal entre os cantos interno e externo da dobra sem esquadria.
De qualquer forma, grandes projetistas não indicam o uso dessas dobras acentuadas, mas sim de curvas mais abertas, como mostra parte de um documento da Texas Instruments:
Diagrama 4 - Perceba a curva mais "suave", minimizando a reflexão de sinal
Devemos também conhecer a unidade de medida utilizada para mensurar a largura das trilhas, a distância entre elas e o comprimento. Para este fim utiliza-se a unidade de medida Mil. Um Mil equivale à 0,0254 milímetros, ou seja, 254 micrometros, Sendo assim, 100 Mils é exatamente 1 polegada (2,54 centímetros).
CURIOSIDADE: O Mil circular (Cmil) é a unidade utilizada em alguns países (Canadá e Estados Unidos, mais especificamente) para medir a secção transversal de fios. Pra fins de curiosidade, 1 kCmil equivale a 0,5 mm³.
Veja abaixo uma sugestão de design retirada de um documento da Texas Instruments:
Imagem 7 - Note que a distância entre trilhas é sugerida em "Mil"
OBSERVAÇÃO: Os pares de cancelamento, também chamados de "pares diferenciais", ou então "linhas de sinal diferencial", apesar de terem sinais espelhados (um positivo e outro negativo) são linhas de sinal. Os planos negativos, isto é, os aterramentos envolvem as linhas de sinal (no caso de uma configuração Stripline) ou estão num plano abaixo das linhas de sinal (como no caso de uma configuração MicroStrip).
Os sistemas com pares de cancelamento, como por exemplo PCI Express, SATA e USB, os velhos barramentos, tais como PCI, ISA e PATA e os modernos barramentos para memórias RAM SDR, DDR e GDDR utilizam as faces da PCB, portanto são configurações de MicroStrip.
E os zigue-zagues para que as trilhas de um par diferencial tenham o mesmo comprimento?
Segundo a Texas Instruments, o seguinte modelo deve ser seguido:
Imagem 8 - As trilhas de um par devem ter o mesmo comprimento para que não haja defasagem no recebimento do sinal
O comprimento dos grupos de pares diferenciais não precisa corresponder, ou seja, o comprimento do par de transmissão não precisa ser igual ao comprimento do par de recepção. No entanto, um par de sinal diferencial precisa ter o mesmo comprimento.
Com o avanço da tecnologia, foi-se a necessidade de todas as trilhas de um barramento ou todos os lanes de uma conexão serial terem o mesmo comprimento para que não haja defasagem no recebimento do sinal. Os circuitos integrados já conseguem lidar com dados recebidos fora de sincronismo. Mas ainda assim, como no folder acima, o uso de zigue-zague nas trilhas pode ser requisitado. De qualquer forma, a geração de Diafonia (ou CrossTalk) deve ser evitada ao máximo, e isso significa reduzir demasiadamente o uso desta artimanha.
E quando se tratam de recortes na placa ou conectores?
Imagem 9 - Técnicas de design para quando houver recortes nas placas de circuito
As trilhas devem desviar qualquer recorte na placa, e quando houver emenda ou conectores, deve se fazer uso dos tais "capacitores de acoplamento" ou "capacitores de costura".
Os sinais de alta velocidade devem ser roteados sobre um plano de referência GND inteiriço, sem divisões, sob pena de um fluxo de corrente desequilibrado, atrasos de propagação do sinal devido ao aumento da indutância em série, interferência com sinais adjacentes e integridade do sinal degradada (isto é, mais jitter e amplitude do sinal reduzida).
Os capacitores de costura (em geral, cerâmicos SMD) minimizam a área do loop de corrente e qualquer descontinuidade de impedância criada pela divisão, separação de substratos. Esses capacitores devem ser de 1 µF ou menos e colocados o mais próximo possível do cruzamento do plano.
Quanto aos capacitores de acoplamento (em geral, cerâmicos SMD), apesar de necessários em alguns casos, é melhor evita-los em linhas de sinal de alta velocidade, pois esses dispositivos introduzem descontinuidades que podem afetar negativamente a qualidade do sinal.
Imagem 10 - Um slot PCIe 2.0 x16 com os capacitores de desacoplamento para os pares diferenciais "TX"
Quando são necessários, como por exemplo em links PCIe ou SATA, o tamanho máximo permitido do componente é 0603 e a capacitância gira em torno de 0,1 µF. A Texas Instruments recomenda enfaticamente o uso de 0402 ou menor, colocando esses componentes simetricamente durante o processo de layout para garantir a melhor qualidade de sinal e minimizar a reflexão:
Imagem 11 - Os capacitores de desacoplamento
Os tais capacitores de acoplamento estão sempre próximos de conectores e slots. Uma placa abriga os caps para "TX" e a outra abriga os caps para "RX", fazendo uma distribuição de componentes entre os dois substratos interligados por slot ou cabo.
Vamos discutir aqui alguns detalhes que devem ser levados em conta no design de uma PCB...
Antes de prosseguir, eu recomendo a leitura do texto "Condutores e Isolantes - PARTE 1" para compreender melhor condutância, resistência, tensão e corrente elétrica, bem como características de materiais isolantes, tais como Permitividade e Susceptibilidade elétrica, polarização dielétrica, fator de dissipação e fator de potência. Para acessar, CLIQUE AQUI!
Também recomendo a leitura do texto "Condutores e Isolantes - PARTE 2" para conhecer mais e melhor as características de materiais condutores, semicondutores e isolantes. Para acessar, CLIQUE AQUI!
Começamos então com as características do isolante elétrico que compõe o substrato!
Perdas com o Dielétrico
Constante dielétrica relativa
Ao rotear sinais diferenciais em materiais de PCB comuns, cada traço do par experimentará diferentes constantes dielétricas e velocidades de sinal correspondentes devido às diferenças na permissividade relativa (εr) do tecido de fibra de vidro (onde εr é aproximadamente 6 Farad por metro) e Poliepóxido (onde εr é aproximadamente 3 F/m) que compõem um PCB.
Complemento 1 - Informações da Intel sobre a Constante dielétrica Relativa que deve ser levada em conta no tecido de vidro das PCBs
A constante dielétrica relativa (εr) é uma medida da capacidade de um material ser polarizado por um campo elétrico e armazenar energia eletrostática, bem como sua capacidade de facilitar a propagação do sinal. A constante dielétrica relativa varia com a frequência. Folhas de dados de materiais geralmente se referem a este parâmetro como "Dk". Materiais de baixo εr (ou Dk) são excelentes isolantes e são bons para isolar sinais em camadas adjacentes.
Como os sinais viajam mais rápido quando εr é menor, uma distorção entre pares pode se desenvolver se um sinal em um par diferencial viajar por uma proporção mais alta de fibra de vidro ou epóxi do que seu sinal companheiro. Essa distorção entre os sinais diferenciais pode degradar significativamente o diagrama do olho do sinal conforme apresentado ao receptor, causar ruído de tensão de modo comum CA significativo e causar problemas de EMI.
Veja o que seria o diagrama do "olho do sinal" feito com base numa linha de transmissão PCI Express:
Gráfico 2 - O olho do sinal numa transmissão de dados PCI Express
A extensão desse problema dependerá da velocidade do barramento ou conexão ponto-a-ponto, do comprimento e geometria dos traços, do tipo de trama de fibra de vidro usada e do alinhamento dos traços ao padrão de trama de uma PCB. Problemas de alinhamento de trama de fibra variam de placa para placa. Essa variação dificulta o diagnóstico de problemas.
CURIOSIDADE: Em baixas taxas de dados, a perda de sinal é causada principalmente por incompatibilidades de impedância e menos por absorção dielétrica e perdas diversas do material. A incompatibilidade de impedância é bem compreendida pelos engenheiros, que especificam regularmente os traços de impedância controlada, gerenciando rigorosamente as geometrias, separações e rotas do traço durante o design do layout. No entanto, em taxas de dados de 10 Gbps e acima, a perda de material torna-se muito importante e a construção dielétrica controlada deve ser considerada durante todo o projeto.
Tangente de perda
A tangente de perda (tan(δ)) é uma medida da perda de sinal conforme ele se propaga pela linha de transmissão. Folhas de dados de materiais e fabricantes de PCB geralmente se referem a essa perda de sinal como o fator de dissipação (Df). "Df" é o resultado da absorção de ondas eletromagnéticas pelo material dielétrico, dependendo então da estrutura deste, em especial a composição e a trama de lã de vidro quando se trata de uma placa de circuito impresso.
Uma tangente de perda mais baixa resulta em mais do sinal transmitido chegando íntegro ao seu destino. Isso é importante para projetos baseados em transceptores, nos quais os sinais de dados na faixa dos Gigabits devem ser transmitidos por trilhas longas. Uma tangente de perda grande significa mais absorção dielétrica e menos do sinal transmitido chegando ao seu destino. No Folder abaixo, cedido pela Intel, a equação mostra a atenuação do sinal devido à tangente de perda, medida em decibéis por polegada (dB/in):
Folder 3 - Veja que no gráfico acima é mostrado vários modelos de FR4, de diferentes fabricantes
OBSERVAÇÃO: Você verá mais sobre os dielétricos mencionados no Folder acima na sequência deste texto!
Analizando uma documentação sobre o Ajinomoto Build-Up Film (ABF) podemos notar que, a 'fronteira' entre o dielétrico e o filme condutor influência no valor da tangente de perda. Eu estou me referindo a rugosidade da superfície do substrato. Um filme de Cobre depositado sob uma superfície muito 'áspera' pode trazer descontinuidades, elevar a resistência e gerar mais absorção dielétrica.
Folder 4 - Relação entre a superfície do substrato e a tangente de perda
Você verá mais informações sobre a rugosidade do dielétrico adiante neste texto...
OBSERVAÇÃO: Aqui é necessário fazer uma distinção. O termo "absorção dielétrica" também pode ser utilizada para quando um capacitor que foi carregado por longo tempo retém uma pequena quantidade de tensão depois de ser brevemente descarregado. O capacitor terá essa pequena quantidade de tensão mesmo se uma tentativa for realizada para descarregar totalmente o dispositivo.
Esse efeito geralmente dura alguns segundos ou até alguns minutos. Se um capacitor for descarregado através de um curto-circuito entre seus terminais, após isso a carga deve ser praticamente nula. Mas pode permanecer uma carga residual devido à polarização do dielétrico. Fique atento pra não se confundir!
A trama de tecido de vidro
Antes de prosseguir...
Qual a diferença entre fibra e resina?
Pense bem! Não venha dizer que o para-choque do seu carro é de fibra!
A falta de conhecimento da população faz com que mesmo uma peça com uma sigla do tipo ">PC+PBT<" estampada em alto relevo possa ser chamada de fibra, quando na verdade é pura resina termoplástica...
Para entender o que é um e o que é outro, recomendo a leitura do artigo "CTM: Borracha e Plástico - O que são? (Parte 4)".
No artigo "CTM: Borracha e Plástico - O que são? (Parte 5)" você vai entender melhor o conceito de "retardante de chamas", bem como muitos aditivos utilizados para este fim e vários outros equipamentos que o empregam, além do selo de flamabilidade dado aos produtos testados pela Underwriters Laboratories (UL). Por mais que um substrato seja de FR4, para receber a certificação ele precisa ser testado e aprovado.
E o que seria o plástico?
Tanto discutimos o Polipropileno (PP), o Polifenol (PF), o Poliepóxido (Epoxy), o ABF, o Polietileno Tereftalato (PET) e tantos outros nomes esquisitos em outros textos, mas o que torna estas resinas diferentes?
Para saber mais sobre o assunto, recomendo a leitura do texto "CTM: Borracha e Plástico - O que são? (Parte 1)".
Mas do que é feito o vidro?
Não, não venha me dizer simplesmente que é "Sílica fundida de alta pureza"!
Os vidros que utilizamos no nosso dia-a-dia vão muito além de apenas Sílica. O alto ponto de fusão do Dióxido de Sílício requer estabilizantes e fundentes para tornar a produção mais barata e criar produtos ideais para cada aplicação. Caso queira conhecer mais sobre cerâmicas e vidros, CLIQUE AQUI e CLIQUE AQUI!
Para além da redução de absorção de umidade, a escolha de uma trama de lã de vidro mais apertada pode ser melhor para a propagação do sinal, dada a proporção de fibra de vidro para epóxi, que é o principal contribuinte para a disparidade de εr. Então, é melhor escolher um estilo de PCB com uma trama mais apertada, menos epóxi e maior uniformidade de εr para comprimentos de trilha mais longos.
Imagem 12 - A melhor trama é a mais 'apertadinha' :v
Veja abaixo como são classificadas as tramas de lã de vidro aplicadas em PCBs:
Folder 5 - Como são classificadas as tramas de lã de vidro
Os tecidos são normalmente classificados em diferentes estilos de vidro, com base na contagem de fios e no tipo de fio de fibra de vidro utilizado. Como o fio de vidro vem em diferentes densidades e espessuras, as folhas resultantes podem ser uma chapa de tecido frouxo ou uma chapa de tecido rígido.
Quanto mais apertada for a malha, mais uniforme será a constante dielétrica. Tramas soltas resultam em constantes dielétricas menos uniformes no laminado de PCB e podem causar variações de impedância das trilhas e distorções de propagação em sinais fortemente combinados, como pares diferenciais que fazem referência direta à trama. Por exemplo, em uma tecelagem esparsa, como o tipo de trama 106, uma linha do par diferencial pode ser direcionada diretamente sobre uma trama de fibra enquanto a outra linha é direcionada entre as tramas, e isso resulta em um εr diferente para cada trilha do canal diferencial.
Como visto até aqui, existem várias marcas e nomes comerciais para o FR4, ou seja, não é um padrão absoluto que toda a indústria segue. A própria resina de Poliepóxido pode ter aditivos, como por exemplo o PPO (Polyphenylene oxide), enquanto o tecido de lã de vidro é disponibilizado em centenas de tramas diferentes. Algumas delas são apresentadas abaixo juntamente com seus valores de Permissividade Relativa e Tangente de perda:
Tabela 1 - Que tal uma placa de circuito impresso com dielétricos fornecidos pela Panasonic?
As figuras abaixo mostram os três métodos mais comuns para minimizar o impacto da trama do tecido de vidro em um projeto de placa. O objetivo de cada método é garantir que ambos os sinais do par diferencial compartilhem um εr relativamente comum ao longo do roteamento do par.
Imagem 13
Por exemplo, suponha que um projeto rodando a 10 Gbps exigindo um alcance máximo de 40 polegadas seja aplicado com o material Nelco 4000-13 EP. Como a frequência de Nyquist é de 5 GHz para uma taxa de dados de 10 Gbps, a perda resultante devida exclusivamente à 'dissipação de sinal' deste modelo de FR4 é de 0,2 dB por polegada. Multiplicando por 40 polegadas, que é o comprimento da trilha, resulta em 8 dB de sinal 'dissipado' apenas pelo material dielétrico.
Em seguida, suponha que um orçamento de perda total máximo de 10 dB seja necessário para que um sinal seja recuperado adequadamente no receptor. Neste caso, a maior parte da perda de sinal já é consumida pelo dielétrico da PCB, então um material de menor perda ou alcance mais curto deve ser considerado, pois perdas adicionais no condutor são esperadas de descontinuidades de traço, resistência elétrica, efeito de pele (skin effect), vias e conjuntos de conectores que podem estar presentes no caminho de transmissão.
CURIOSIDADE: Mas o que a unidade de medida Bel (B) tem a ver com estes sinais elétricos?
Assim como utilizamos erroneamente no dia-a-dia a grandeza vetorial "peso" para nos refirir à massa, também utilizamos a grandeza escalar "volume" para nos referir a intensidade. Um bom exemplo é quando o som do rádio não está sendo escutado por alguém que permaneceu mais longe dele e a seguinte frase é 'expelida': "aumenta o volume que eu não estou escutando". Pois bem, seria mais coerente dizer "aumenta a intensidade sonora que eu não estou escutando". E medimos a intensidade sonora com uma unidade adimensional relativa que é nomeada Bel, mais especificamente deciBel (dB).
Uma curiosidade dentro da outra: O nome desta unidade é uma homenagem ao físico Alexander Graham Bell.
Sendo uma unidade de medida para intensidade, ela pode ser aplicada em intensidade de sinal sonoro, intensidade de sinal elétrico, intensidade de sinal eletromagnético... ou perda de sinal. Portanto, é comum vermos valores em deciBéis para estipular atenuação de sinais elétricos em relação a um nível de referência especificado ou implícito, que independente daquilo que se mede é sempre expresso numa escala logarítmica de base 10 (log10).
Folder 6 - Os limites de perda por inserção definidos para o PCIe 5.0 são dados em deciBéis
É valido lembrar que a intensidade está diretamente relacionada com a potência. Quanto maior a potência de um transmissor de rádio, mais longe o sinal emitido chegará, porém, em razão das características do meio em que este sinal se propaga, a atenuação é inevitável. A energia acaba por ir se dissipando e perdendo sua intensidade conforme aumenta a distancia do ponto emissor.
Um objeto deslizando pelo solo perderá velocidade em decorrência do atrito com o chão. Neste caso, a aerodinâmica deste objeto também conta para 'cortar' o vento e o arrasto excessivo não faze-lo perder ainda mais velocidade. Com um pouco de esforço mental podemos ver tudo isso nos mais diversos cenários!
Já que assunto citou os caminhos que os sinais elétricos percorrem...
Perdas com as trilhas
Efeito de pele (ou Efeito Peculiar)
Para além da dissipação do sinal com o substrato, há perdas de sinal com as próprias trilhas. Além da absorção dielétrica, a atenuação do sinal também pode ocorrer por causa das perdas resistivas do canal. A resistência do canal é uma função da frequência.
Para saber mais detalhes sobre o Efeito de Pele, CLIQUE AQUI!
Para baixas frequências podemos calcular a resistência do canal DC a partir da equação no Folder abaixo:
Complemento 2 - Como calcular a perda resistiva de uma linha de Cobre
Note que são fórmulas comuns para se calcular as características elétricas de fios e que também se aplicam às trilhas de PCBs.
Observe que a resistência do Cobre puro (CU1100) é de 6,787x10^-7 Ohms por polegada. Placas de cirucito costumam ter uma concentração de Cobre pequena, que é medida em Onças.
CURIOSIDADE: A Onça, cujo símbolo é "oz", consiste numa unidade de medida para a grandeza física massa. É uma unidade anglo-saxônica pertencente ao sistema avoirdupois e é equivalente a 28,349 g.
Folder 7 - As fabricantes usam até a quantidade de Cobre da placa pra fazer marketing
Para saber mais detalhes sobre classificação e aplicações do elemento químico Cobre, CLIQUE AQUI!
Emendando o assunto sobre tangente de perdas, comentado anteriormente, a deposição do Cobre no dielétrico também precisa ser aprimorada. Um substrato mais 'rugoso' permitirá uma ancoragem maior do filme metálico, no entanto, irá aumentar a absorção dielétrica, além de possíveis interferências e curto-circuitos entre trilhas...
Folder 8 - Superfícies de substrato cada vez mais lisas são necessárias para circuitos cada vez mais complexos em áreas cada vez menores
A saída é diminuir a rugosidade do substrato para aumentar a 'capilaridade' do filme de Cobre, permitindo uma boa ancoragem e diminuindo a atenuação de sinal transmitido.
O empilhamento de circuitos
Vamos compreender o substrato (base) de um circuito como sendo várias camadas de FR4.
O fabricante de PCB compra o material do núcleo (FR4) como um dielétrico fino com folhas de Cobre revestindo-o em ambos os lados. O dielétrico do núcleo já vem com a resina de Poliepóxido curada (endurecida).
A cola e o isolamento destas chapas do núcleo com faces cobreadas nada mais é que outra chapa de tecido de lã de vidro impregnada com Epoxy, só que ainda não curado, que é nomeada "Prepreg". Durante o processo de fabricação de PCB, várias camadas de núcleo são emplihadas e coladas uma sobre as outras através destas chapas não curadas num processo de prensa sob calor.
Folder 9 - Atualmente existem placas de circuito com mais de 10 camadas!
Dilatação e Contração
Todos os materiais estão sujeitos a expansão e contração como resultado de mudanças de temperatura. A taxa de expansão e contração é determinada pelo coeficiente de expansão térmica (CTE) do material. A temperatura de transição vítrea (Tg) é a temperatura de corte na qual a resina no material começa a se expandir muito mais rápido do que o tecido de vidro e Cobre circundantes.
OBSERVAÇÃO: Para entender melhor o ponto de Transição Vítrea (Tg) e o ponto de Isotropização (Tiso), recomendo a leitura do texto sobre Cristal Líquido. Para acessar, CLIQUE AQUI!
Idealmente, a resina, o vidro e o Cobre aplicados no PCB têm coeficientes de temperatura semelhantes, de modo que todos os três materiais se expandem e se contraem em taxas semelhantes. No entanto, em temperaturas acima de Tg, a expansão mais rápida da resina aumenta o estresse mecânico na estrutura do PCB.
Devido ao Cobre e ao vidro serem laminados, eles reforçam o PCB nas direções X e Y (horizontal). A expansão e contração causadas por temperatura forçam movimentos no eixo Z (vertical). Essa rápida expansão vertical pode sobrecarregar as estruturas, resultando em fraturas e até delaminação de PCB em casos graves, se a expansão for excessiva.
Ao escolher um material, é bom certificar-se de que a Tg seja alta o suficiente para suportar os ciclos de temperatura de fabricação esperados para montagem e retrabalho para garantir a confiabilidade da fabricação de PCB. Para processos compatíveis com restrição de substâncias perigosas (RoHS), as temperaturas de refluxo podem sustentar 240 °C e até atingir o pico de 260 °C.
Se tratando dos rudimentares substratos de PP-TD, o uso de um aditivo que aumente o ponto de derretimento do polímero e retarde chamas é fundamental para que o calor gerado pelas lâmpadas incandescentes e os comuns superaquecimentos não causem problemas grandes, e por isso o uso de Talco (Silicato de Magnésio) é tão comum.
Imagem 14 - Pereba que há um reparo no soquete da lâmpada. Apesar de conter 40% de Talco em sua composição, pode acontecer quando se instaura um mau contato 'violento'
Nestes casos, o zinabre é o principal causador de superaquecimentos nos terminais do conector do chicote elétrico e dos soquetes na placa da lanterna. Esse calor é absorvido pelo plástico, que se dilata, podendo chegar ao ponto de amolecer, deformando-se e prejudicando a retenção da lâmpada. Na imagem acima, o soquete precisou ser refeito, isto é, foi necessário soldar e adicionar mais material para conforma-lo ao formato da base da lâmpada. Como não havia PP em mãos (derreter um pote de sorvete seria abusar da gambiarra), resolvi usar uma pequena cinta Hellermann (que são feitas de Poliamida 6.6). Estes dois materiais não são 'tão' compatíveis para serem misturados, porém, funcionou!
Resistência mecânica
Não é apenas a resistência elétrica que deve ser levada em conta!
Você acha que a furação na placa-mãe da Imagem 3 para fixação dela no gabinete é definida aleatóriamente?
Além de tudo isso que já foi discutido, a resistência mecânica do substrato é fundamental para definir sua qualidade. Se levarmos em conta uma simples placa-mãe, que em geral é parafusada na vertical, o cooler do processador e a placa de vídeo geram forças de tração e compressão, que se não forem levadas em conta podem terminar em rompimento de trilhas e microtrincas nas camadas de substrato, inutilizando a PCB.
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E substratos de PCB feitos com outros materiais?
Quando se tratam de cabos flat cujo substrato é feito em polímero PET (Polietileno Tereftalato, um termoplástico) ou até mesmo placas flexíveis feitas em Poli-Imida (Du Pont Kapton® é o produto comercial mais comum) a permissividade relativa (εr) do dielétrico é muito mais mais uniforme e, consequentemente, a tangente de perda (tan(δ)) é bem menor quando comparado ao FR4. Mas ainda assim as trilhas são de CU1100 e perdas resisitivas são contabilizadas.
O mesmo ocorre com um substrato termoplástico de PP reforçado com Talco, só que tudo depende da homogeneidade da mistura dos dois materiais no momento da fabricação. Todo este texto também mostra que o fenolite não é o ideal para placas de circuito ultra-complexas.
Ligando os pontos...
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REFERÊNCIAS e CRÉDITOS
Fotos, diagramas, gráficos e texto: Leonardo Ritter; Intel Corporation; Texas Instruments.
Referências: Intel Corporation; Texas Instruments; Biblioteca de diagramas do Hardware Central; Wikipedia (somente artigos com fontes verificadas!).
Última atualização: 28 de Janeiro de 2024.