Placas de Circuito Impresso - PCI

A PCI (placa circuito impresso) é uma placa isolante que na superfície tem uma fina camada de cobre com trilhos(pistas) condutores que interligam os diversos componentes eletrónicos. Na camada isolante são utilizados materiais isolantes como baquelite(fenolite) FR-2 e Fibra de Vidro(Epoxy) FR-4 (os mais usados), mas outros materiais podem ser usados, poliéster, teflon ou outros polímeros isolantes.

Em 1925 Charles Ducas(USA) regista uma patente que descrevia o processo para depositar uma tinta condutora sobre uma superfície isolante que deu origem ao nome PCB (Printed Circuit Board). No entanto, a invenção das PCI é atribuída a Paul Eisler que, em 1936, registou uma patente de um processo de remoção do cobre depositado sobre uma superfície isolante.

Existem várias métodos para fazer circuitos impressos - PCI ou em Inglês PCB (Printed Circuit Board). No dimensionamento das pistas de uma PCI devem ser consideradas as quedas de tensão e a dissipação de energia por efeito de Joule. As trilhas, só por si, têm alguma resistência que pode não ser desprezível no funcionamento de alguns circuitos. Para calcular a resistência usa-se a formula da resistividade(também designada por 2ª lei de ohm):

R= ρ (L/S)
Em que:
ρ = resistência especifica (cobre ρ=0,017Ω mm2/m);
L = comprimento;
S = secção.

Normas

Os circuitos impressos devem ser aplicados sobre uma retícula, uma grelha de malha quadrada, em cujos nós de intersecção devem estar os componentes a montar.

  1. Norma de IEC (International Electrical Comission) - Publicação 97 de Outubro de 1957 "Recommendations for fundamental parameters for printed wiring tecniques", Medida da retícula = 2,54 mm (0,1 polegada);
  2. Técnica Epsilon (Técnica B-1) - Norma IEC
    Esta técnica resultou da necessidade da miniaturização, a dimensão internacional da retícula é:
    Diâmetro dos furos = 0,8 mm, D = d + 2 b
  3. Norma alemã DIN 40801 (Circuitos impressos Diretrizes) - Técnica A-1
    Medida da retícula = 2,5 mm;
    Diâmetro unificado de furos = 1,3 + 0,1 mm;
    Espessuras normalizadas das placas : 1 - 1,5 - 2 - 2,5 - 3 mm (preferencial 1,5 mm).
  4. Técnica A-1
    Largura normal mínima da trilha = 0,8 mm;
    Separação mínima entre condutores = 0,8 mm;
    Processo de foto gravação: os valores anteriores passam para 0,2 mm ;
    Para trilhas com mais de 5 cm recomenda-se o valor de 1 mm.
espaço entre os pinos no CI DIP
Espaço entre pinos

Com a evolução dos circuitos e a necessidade de automação no processo de montagem de placas de circuito impresso criaram-se alguns padrões. Em projetos de PCI, a unidade de medida usada é a polegada(inch), equivalente a 2,54cm. Os componentes tem normalmente as suas dimensões em mil(milésimo de polegada). Por exemplo, o padrão usado para distanciar dois pinos laterais de um circuito integrado DIP é de 0,1 inch(polegada) ou 100mil(2.54mm).

A distância entre filas de pinos em circuitos integrados DIL varia, CIs com poucos pinos, por exemplo, 7400(14pinos), 555(8 pinos), 74LS373(20pinos)têm uma distância de 300mils(7.62mm). CIs com maior número de pinos, por exemplo, 27C64(28pinos), 80C31(40pinos) têm uma largura de 600mils(15.24mm).

Numa montagem caseira os resistores são dobrados manualmente, no entanto, ao desenhar a placa de circuito impresso o padrão é de 400 a 500mil(aprox:10 a 13mm) entre os terminais, nas montagens industriais, para resistores de 1/8w usa-se um espaçamento de 300mil.

Para capacitores(condensadores):
-Pequenas capacidades (pF), 200mils;
-Pequenas capacidades poliester(nF), 200 a 300mils;
-Maiores que 1µ podem, em função do fabricante, ter diferentes distâncias entre os pinos, podem ainda ser axiais(deitados) ou radiais(em pé), nestes casos, é melhor consultar os dados do fabricante.

desenho placa de circuito impresso
Desenho Circuito
pci finalizada
PCI Concluída

Circuitos Impressos a partir de impressora laser.

Desenho Circuito Impresso - Desenhe o circuito utilizando qualquer software para circuitos eletrónicos; Se tiver o desenho em qualquer formato de imagem, pode utilizá-lo normalmente.
Imprima com impressora laser o desenho em uma folha de papel fotográfico, (papel normal funciona).
Verifique se o tamanho e as pistas estão corretas. Todas as impressoras produzem uma ligeira ampliação, até pela dilatação do papel ao passar pela área de fusão do toner, antes de imprimir o desenho definitivo verifique qual a ampliação produzida pela impressora. O toner usado pode ser diferente de uma impressora para a outra, basicamente, pode precisar de mais ou menos temperatura para fundir na placa ou ser mais ou menos espesso.


Desenho Circuito Impresso
Depois de verificar se o desenho está correto e não ampliado, limpe o lado da placa onde está o cobre, libertando o cobre de todas as impurezas na superfície. Certifique-se que não existem zonas oxidadas, use palha de aço (lã de aço) para igualizar toda a superfície. Utilize um limpa metais para libertar qualquer impureza ou oxidação.
O papel com o desenho deve ser então colocado com a face impressa sobre a placa.



Impressão Circuito Impresso

Ligue o ferro de engomar e certifique-se que está bastante quente, faça pressão com o ferro sobre o papel em cima da placa durante 2 a 3 minutos. Use uma superfície que suporte o calor do ferro.

Transferência Circuito Impresso

Após o procedimento anterior, o toner passou a estar impresso no cobre. não se deve retirar o papel de imediato. Deixe arrefecer 1 ou 2 minutos, mergulhe a placa em água morna e aguarde de 15 a 30 minutos. O papel mergulhado em água vai amolecendo permitindo a sua retirada sem danificar o toner. Faça alguma correção necessária com caneta permanente no caso de alguma pista não ter passado a 100%

Remoção Desenho na Placa



Após retirar o papel e verificar todo o desenho do circuito, é necessário remover o cobre em excesso utilizando um dos métodos descritos mais em baixo

Passagem Circuito Impresso

Após a remoção do cobre excedente passe uma fina camada de verniz protetor, colocar o verniz antes de colocar os componentes pode dificultar a soldadura de estanho entre os componentes e a placa, tenha atenção se ao colocar verniz as zonas que vão ser perfuradas ficam limpas de verniz.

Placa de Circuito Impresso

Para placas de dupla face, primeiro faça um lado seguindo os seis passos anteriores, porém na altura da corrosão proteja o lado sem toner com adesivo tipo papel contact, perfure a placa para ter referências na outra face e proceda novamente os seis passos, protegendo durante a corrosão a face já pronta.

Atenção: As impressoras de jato de tinta não funcionam, este processo apenas é possível com impressão a laser ou por cópia (xerox).
Uma cópia num fotocopiador(xerox) tem o mesmo resultado já que o processo de impressão utiliza também o toner.
Nas impressoras laser e nos copiadores o toner passa para o papel por aquecimento (rolo fusor), se conseguir retirar a folha antes da passagem pela área de fusão os resultados são ainda melhores. Verificar as trilhas de reduzida largura, nos casos em que existem cortes ou zonas pouco compactas, retificar usando caneta permanente, autocolante ou verniz.

PCB com caneta/marcador

Em circuitos de reduzida dimensão, o desenho do circuito pode ser feito com uma caneta/marcador permanente em que a tinta não seja solúvel na água (marcador de acetato, por exemplo), tinta à prova de água, verniz ou outro material resistente à água. No caso de utilização de marcador, usar tinta preta. O processo de corrosão do cobre é idêntico ao método anterior. A placa pode ser perfurada antes ou depois.

placa de circuito impresso com caneta
marcador permanente

Fazer placas pelo processo fotográfico

verniz foto revelador positiv20

Este método usa a luz UV para polarizar material foto-resistivo espalhado uniformemente na placa de cobre. Cria-se uma impressão do circuito em suporte transparente, vegetal ou acetato (fotolito). Na placa, espalha-se uniformemente verniz foto sensível (Positiv20, por exemplo) e seca-se. Coloca-se o fotolito sobre a placa, como a luz pode passar em apenas um fotolito, normalmente coloco 2 ou 3 de modo a que a luz não passe. Faz-se incidir luz UV sobre a placa com o fotolito por cima(outras lâmpadas emitem uma grande quantidade de UV, lâmpadas de vapor de sódio ou vapor de mercúrio podem ser usadas). Faz-se a revelação com uma mistura de água com bicarbonato de sódio ou carbonato de sódio (1 colher de chá de bicarbonato para cada 200mL de água). Se o processo químico funcionou, devemos ter o nosso circuito desenhado na placa pronto a ser colocado no percloreto de ferro.

placa pré sensibilidade aos rais UV
Placa Pré Sensibilizada
O período de validade do verniz é critico, verifique antes de iniciar o processo se está dentro do prazo. O POSITIV20 é muito influenciado pela temperatura, em temperaturas elevadas funciona melhor. No Inverno ou em ambientes com humidade elevada pode ser problemático mesmo secando a placa em estufa.

Existem placas pré sensibilizadas que se destinam a produzir circuitos impressos pelo método fotográfico. Este tipo de PCI, geralmente, apresenta melhores resultados que a PCI produzida com POSITIV 20 uma vez que são menos criticas em relação ao meio ambiente. A película sensível à luz onde vai estar o desenho do circuito, vem coberta com um autocolante protetor que se remove antes de iniciar o processo de foto exposição.


Perfurar a placa

perfurador placas
Perfurador Placas

Para soldar os componentes a placa deve ser furada, o diâmetro do furo deve ser de 0,8 a 1mm, no entanto, em alguns casos pode ir até 2mm. O padrão dos componentes é de 0,8mm Para efetuar os furos, ter atenção ao comprimento da broca, uma broca demasiado comprida tem tendência a partir. Existem alguns equipamentos que perfuram as placas, no entanto, ter sempre em atenção que, quando se pretende fazer o furo com pressão em vez da rotação da broca, a placa pode estalar.

broca para furar pcb

KIT de fabricação de placas de circuito impresso

Existem alguns kits no mercado de componentes eletrónicos que se destinam a fazer placas. Estes kits trazem todo o material necessário para fazer placas, desde o percloreto de ferro ao perfurador.

kit fabricação pcb
kit fabricação placas

Evitar oxidação da PCI

O cobre em contato com o ar oxida fazendo com que as trilhas fiquem interrompidas. Um dos processos para evitar que a placa se danifique com o tempo é, após a montagem dos componentes, cobrir toda a placa com verniz plástico. No entanto, a cobertura de verniz de toda a placa, torna qualquer trabalho de soldadura complicado. Antes, pode dar-se um banho de prata em toda a placa o que evitará que o cobre oxide.

Banho de prata para a placa

Este banho de prata evita que o cobre oxide criando cortes nas pistas dos circuitos.

A fórmula:

(para 50 mL de solução: recalcule para quantidades maiores.)

  • 50 ml de água destilada (H2O).
  • 2 g de nitrato de prata (AgNO3)
  • 1 g de cloreto do amónio (NH4Cl)
  • 5 g de carbonato do cálcio (CaCO3)
  • 4 g de tiosulfato do sódio (Na2S2O3)

Como fazer a solução:

  • Dissolva 2 gramas do nitrato de prata em 50 ml de água desmineralizada ou destilada.
  • Misture 1 grama do cloreto do amónio, 5 gramas de carbonato de cálcio e 4 gramas de tiosulfato de sódio num recipiente e adicione-os à solução.
  • O carbonato do cálcio é necessário quando existe a necessidade de fricionar um objeto com a solução em vez de mergulhar na solução (é a opção ideal para as placas de circuito impresso).

Utilização:  

  • Com a solução pode pratear o cobre, o bronze ou objetos de zinco.
  • Limpe o objeto que pretende pratear completamente com um pedaço de pano (um objeto muito oxidado pode ser limpo com o ácido nitrico)
  • Deixe o objeto num tanque com a solução aproximadamente por 2 minutos (ou  fricione com um pano embebido por alguns minutos).
Atenção: A solução não é muito estável, devendo ser preparada e usada no mesmo dia. Cuidado ao preparar a solução pois o nitrato de prata, em contato com a pele, reduz a prata metálica produzindo mancha escuras. Não é tóxico mas corre o risco de ter suas mãos cheias de pintas pretas que desaparecem após alguns dias.

Soluções Corrosivas

Existem alguns produtos que permitem a corrosão do cobre nas PCB, percloreto de ferro [FeCl3], persulfato de amónio (NH4)2S2O8, e persulfato de sódio [Na2S2O8]. Um outro produto corrosivo de cobre que pode ser usado é o cloreto de cobre [CuCl2], que pode ser feito em casa.

Atenção: As soluções químicas para produzir as placas corroem metal, emitem fumos tóxicos e podem manchar. O seu manuseamento deve ser feito com cuidado e, mesmo depois de terminado o processo, deve ser removido como resíduo perigoso e não deitado no esgoto. EVITE INALAR POEIRAS OU VAPORES DE QUALQUER UM DOS PROCEDIMENTOS.

Todas têm vantagens e desvantagens, são comercializadas nas lojas de componentes eletrónicos e mais ou menos usadas em determinados países mais por uma questão comercial do que por qualquer outra razão. A solução mais usada para fazer placas em casa é o percloreto de ferro por ser mais barato e uma das mais eficazes.

Percloreto Ferro - FeCl3

Não é tóxico é usado em medicina para estancar hemorragias, apresenta o inconveniente de manchar todos os objectos exteriores se existir um acidente.

Percloreto de Ferro (FeCl3) pode ser adquirido em pó ou já diluído. No caso de percloreto em pó, misturar com água na proporção de 1 para 1. Colocar o percloreto de ferro na água e não o contrário, misturar com um bastão de madeira. Ao colocar a placa, a mistura vai reagir com o cobre exposto(as zonas sem desenho de circuito). A reação produz hidróxido de ferro o que diminui o efeito corrosivo do percloreto à medida que vai sendo usado. Para contrariar o efeito de perda de corrosão pode-se adicionar ácido clorídrico(HCl) na proporção de 3% para a quantidade de percloreto de ferro, por exemplo, 1Kg (FeCl3)->30mL(HCl).

Se adicionarmos oxigénio à reação o resultado melhora substancialmente porque existe uma alteração na reação química, por isso, colocar um borbulhador de aquário no fundo do recipiente melhora significativamente todo o processo. Quanto maior a temperatura mais rápido é todo o processo. Ter uma lâmpada que produza calor junto do recipiente que aqueça o conjunto beneficia todo o processo.

Solução Química:
  • 1 parte água H2O
  • 1 parte de percloreto de ferro FeCl3
  • 3% ácido clorídrico HCl *
* O ácido clorídrico apenas aumenta o tempo de vida da solução, não é necessário para executar o processo.

Vantagens:

  • É relativamente barato.
  • É o produto químico usado por estações de tratamento de esgoto para separar resíduos sólidos é usado também para estancar hemorragias.

Desvantagens:

  • É marrom(castanho) escuro, dificilmente se consegue ver a placa.
  • Mancha todos os objetos que entre em contato.
  • Colocando alumínio no seu interior inicia uma "explosão controlada" tipo incêndio, que pode ser difícil de extinguir.
  • Enferruja objetos de aço nas proximidades.

Persulfato de Amônio - (NH4)2S2O8

É altamente tóxico e os resíduos devem ser tratados como muito perigosos. É altamente inflamável.

Vantagens:

  • É transparente o que permite visualizar o processo.

Desvantagens:

  • Exige uma temperatura elevada.
  • É pouco agressivo o que aumenta o tempo do processo.
  • Os fumos são tóxicos.
  • É bastante mais caro que o percloreto.
  • Não permite as pistas feitas com caneta permanente, ataca a tinta.

Persulfato de Sódio - Na2S2O8

É moderadamente tóxico e os resíduos devem ser tratados como perigosos.

Vantagens

  • Permite visualizar o processo uma vez que é uma solução clara.
  • Pode ser usado mesmo em PCI feitas com caneta.

Desvantagens:

  • É relativamente caro em comparação com FeCl3.

Cloreto de Cobre - CuCl2

É uma solução que facilmente se faz em casa e que pode ser reutilizada. Na primeira fase, é libertado cloro em quantidades que podem ser perigosos em espaços pequenos , ventilar bem a área onde estão a ser feitas as soluções. Quando esgotado, pode ser reativado através da adição de peróxido de hidrogénio (H2O2). Adicionando peróxido de hidrogénio pode libertar grandes quantidades de gás (cloro). Quando a mistura já não funcionar adicione peróxido de hidrogénio (H2O2) e um pouco de ácido clorídrico.

Estes produtos são facilmente encontrados para tratamentos de piscinas.

Solução Química:

  • 5 Partes de ácido clorídrico (HCl).
  • 10 Partes de água.
  • 5% de peróxido de hidrogénio(24%) (H2O2)
    Se for peróxido da farmácia a concentração é de 3%, deve ser usado numa proporção mais elevada.
Estes produtos químicos são perigosos, não respirar os gases da reação na mistura.

Vantagens

  • Pode-se ver o processo de corrosão na PCI.
  • É barato.
  • Não se desgasta.
  • É caseiro, a partir de produtos químicos facilmente disponíveis.

Desvantagens:

  • Liberta vapores (cloro e oxigénio).
  • Os vapores de ácido muriático enferrujam instantaneamente todos os metais ferrosos que entrem em contato.

Para eliminar, recomendada-se a adição de carbonato de sódio e água salgada, deitar fora a parte líquida que fica assim neutralizada. Os resíduos resultantes da corrosão das PCI devem ser removidos como resíduos perigosos.

Solução água oxigenada com ácido clorídrico ou ácido muriático

Nesta solução tem de existir uma cuidado extremo com os ácidos na sua preparação.

  • 1 parte de água oxigenada (peróxido de hidrogênio)130 volumes. Caso não encontre, utilize a água oxigenada encontrada nas farmácias mas não use a cremosa.
  • 1 parte de ácido clorídrico ou ácido muriático
  • 4 partes de água. Se utilizou a água oxigenada da farmácia, não adicione água.


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