Dicas do Zébio

Desta feita, exponho meus métodos de trabalho para projetar e construir placas de circuito impresso (PCI) de pequena e média complexidade.

O artigo está separado em 4 grandes blocos: projeto, transferência, confecção e montagem. Em cada etapa há comentários sobre o material necessário para aquele conjunto de atividades.

As fotos que servem de exemplo referem-se a dois diferentes projetos, já que o intuito é demonstrar a técnica. Um deles é um atenuador para amplificador de guitarras valvulado (L-pad), que foi feito em placa de fibra de vidro e poderá virar post em breve. O outro é um amplificador com o integrado LM4766, da National. O projeto do amplificador está disponível na internet – ver referência [1] – e tem um desenho muito cuidadoso. Inclusive, funcionou perfeitamente, tem ótima qualidade.

O PROJETO

Para projetar uma placa, costumo utilizar o material discriminado abaixo, que aparece na figura 1. No decorrer do texto será explicado o uso de cada item.

• jogo de lápis de cera, 6 cores, de preferência apagável;
• lapiseira 0,5 mm ou lápis de ponta fina, com grafite tipo B ou mais mole (2B) – evitar o HB, pois é ruim de apagar;
• borracha tipo TK Plast (Faber Castell);
• régua pequena de acrílico (15 cm) ou esquadro;
• lâmina de barbear, tipo antigo (Gilette, Persona, Wilkinson);
• 2 canetas de cores diferentes;
• folha de poliéster;
• fita crepe, esparadrapo, fita isolante ou Durex;
• bloco ou folhas de papel milimetrado;
• gabarito em folha plástica, com tamanhos dos componentes mais utilizados.

Esta técnica é utilizada por mim há muitos anos. Porém, como todo projeto eletrônico precisa de várias correções e reposicionamentos, o desenho manual aumenta a possibilidade de erros e a demora para finalização do trabalho. Mesmo assim, ainda utilizo este modo para fazer circuitos mais simples, até porque o uso de computador para realizar o trabalho, nestes casos, poderá ser mais demorado.

Mas, quanto maior for a complexidade dos projetos, mais vantajoso será projetar as placas com aplicativos CAD (Computer Aided Design – Projeto Auxiliado por Computador), específicos para projeto de circuitos.

Um excelente exemplo é o KICAD, que é livre, sem custo algum. Este sistema tem editor de esquemas, criador de placas, roteador de trilhas e visualização 3D, todos interligados. Também cria a lista de materiais.

Só que para um aplicativo CAD, deve ser levada em conta a curva inicial de aprendizado, pois toma bastante tempo até “pegar o jeito” e adaptar o sistema para um uso eficiente. De todo modo, isso ocorre com qualquer software poderoso. Como o escopo deste artigo são projetos pequenos, o uso do Kicad não será abordado.

Começando

Se a placa já tiver tamanho definido, desenhar as suas margens no papel milimetrado com caneta. Se não houver um tamanho predeterminado para a placa, começar com um canto, também a caneta, pois não será mais apagado. Todo o resto será desenhado a lápis, para permitir ajustes.

É melhor definir neste momento onde ficarão os furos para fixação da placa e já colocá-los no desenho. Costumo utilizar um quadrado de 8 ou 10 mm de lado para os furos, o que garante uma folga, caso seja necessário incluir uma arruela, por exemplo. O quadrado é riscado nas duas diagonais para marcar o seu centro. No caso do projeto manual que serve de exemplo, não foram feitos furos de fixação porque a caixa onde a placa foi montada tem guias para o circuito impresso.

Desenhando

Para desenhar os componentes, criei um gabarito com o tamanho daqueles mais utilizados. O gabarito foi feito numa fibra plástica muito resistente, a pele de bateria. Em qualquer estúdio de ensaio de bandas poderá ser encontrada alguma pele rasgada. É melhor que seja transparente.

Os modelos foram desenhados com estilete, apoiado numa escala de aço para as retas. Para os furos redondos, foram utilizados vazadores. Deve-se tomar cuidado para construir o gabarito, pois a pele é difícil de cortar. Os componentes foram definidos com uma margem de folga no seu entorno. Os furos para passar os terminais ficaram junto das margens, ou um pouco para dentro. Assim, é possível garantir um espaço confortável entre as peças e visualizar a aparência final da placa, antes de seguir para a corrosão.

Na folha milimetrada é que são feitas as correções de erros e reposicionamentos. Por isto a utilização de canetas somente para definir as bordas do circuito impresso.

É importante notar que o desenho está sendo feito como se olhássemos por cima de uma placa transparente, pelo lado dos componentes. Isto facilita a colocação de peças com 3 pinos ou mais, pois não há confusão com o lado dos terminais – como o pino 1 de um circuito integrado, por exemplo. E é como realmente iremos enxergar a placa pronta.

Para facilitar a visualização da placa, costumo hachurar as trilhas a lápis, conforme elas forem ficando prontas (figura 2). Isto diminui a possibilidade de confusão entre o que é trilha e o que é placa. Após ter uma ideia mais ou menos definida de como ficará o projeto, o desenho é passado para uma folha de poliéster.

Antigamente, utilizava o papel manteiga, mas ele é muito frágil e dificulta as correções. O papel vegetal também foi uma tentativa, mas as canetas esferográficas não escrevem nele. A folha de poliéster foi a solução. É resistente, pode-se escrever facilmente nela e tem uma boa translucidez. É vendida em papelarias, em folhas tamanho A4.

Como a folha de poliéster será bastante manuseada, é interessante não utilizar a folha A4 inteira, mas recortá-la num tamanho um pouco maior que a placa do projeto. Fixa-se a peça de poliéster sobre o desenho da folha milimetrada e começa-se a transferir o desenho, a caneta. Também deve-se repassar as bordas da placa e os furos para fixação.

A razão de utilizar canetas esferográficas é o tempo de secagem da tinta, muito inferior às canetas de tinta líquida. É importante para não sair borrando tudo, pois a mão toca muito o desenho. O lápis borra o poliéster, apesar de ser facilmente apagável.

Nos furos dos componentes, costumo marcar um sinal de soma (+), para definir o ponto exato. Neste caso, utilizo caneta de cor diferente daquela das trilhas. Tudo para facilitar a visualização.

Após concluídas as trilhas e as marcações, retirar a folha de poliéster e colorir no verso com os lápis de cera os trechos de circuito impresso.

Evitando os erros

Eventualmente, poderão ocorrer erros nesta fase. Para corrigi-los, utiliza-se uma lâmina de barbear antiga, como na figura 4. Com uma pequena extremidade exposta (para não cortar os dedos), consegue-se raspar o que foi desenhado incorretamente a caneta.

Não é aconselhável utilizar estilete neste tipo de correção, pois ele é pontudo, ao contrário da lâmina de barbear, que tem os cantos arredondados e é flexível.

Também pode-se notar na mesma figura 4, que a cor vermelha da trilha permanece na folha de poliéster, mesmo após a raspagem do erro. É que a colorização das trilhas foi feita no outro lado da folha, após concluída a transferência do desenho. Isto facilita a correção da trilha, mesmo se já tiver sido pintada.

Esta colorização ajuda a identificar claramente as trilhas e diminui as confusões. Além disso, pode-se associar cores específicas às funções de determinados trajetos, como alimentação, blindagem, sinal, etc. Como exemplo, num post anterior, de um carregador de baterias de chumbo, aparece uma outra placa, com mais cores.

Com a folha pronta e isenta de erros, pode-se agora passar para a próxima etapa.

A TRANSFERÊNCIA PARA A PLACA

Agora tanto faz se temos a folha de poliéster, comentada no tópico anterior, ou uma folha de papel A4 impressa com o projeto. A intenção é transferir um desenho para a placa.

Aqui, novamente, estamos com uma técnica antiga. Tentei algumas vezes utilizar o desenho do computador impresso em papel glossy, de fotos, aplicado sobre a placa com ferro de passar roupas, como sugerido nas referências [2] e [3]. Não deu certo, talvez o material que utilizei tivesse algum problema ou não fosse adequado.

Mas além disso, volto a dizer, para placas simples o desenho a mão é mais rápido. Exceto se o objetivo for a produção em série, onde a utilização de serigrafia, aliada ao projeto por computador, ganha disparado na redução de custos.

Preparo da placa

Corta-se a PCI no tamanho definitivo. Como toda placa vem de fábrica com um verniz – para evitar a oxidação do cobre – é necessário remover esta camada protetora com palha de aço (o famoso Bombril).

Deve-se fazer força, para deixar a camada metálica brilhante. Para garantir que não fique qualquer resíduo de verniz, é melhor passar novamente a palha de aço em sentido perpendicular à passagem anterior, assim poderá ser verificada a uniformidade de toda a superfície.

A palha de aço deixa soltas pequeníssimas partículas de cobre, que afetam o desempenho das canetas que farão as trilhas. Daí, pode-se lavar a placa com água e sabão, e enxaguar e secar muito bem.

Por experiência própria, tentei limpar com álcool, mas ficou muito ruim desenhar a placa, pois a tinta não se espalhava direito. Outra opção para retirar as partículas de cobre é passar um chumaço de papel higiênico limpo e seco, com força.

Após a limpeza, não se deve tocar na face cobreada, pois a gordura dos dedos dificulta a corrosão. Fixá-la pelas bordas, sobre a superfície de trabalho. A placa ficará com a aparência da figura 5.

Prestar muita atenção neste ponto: olhando-se a folha do projeto pelo lado do cobre (jamais o lado dos componentes), alinha-se as bordas da placa com as bordas do desenho. Neste caso que o desenho está em papel comum, a solução é apertar as bordas para marcar o papel e poder confirmar se o alinhamento está correto, como na figura 6. Também pode-se utilizar uma luz forte. Fixa-se o papel com fita adesiva.

Mais uma ferramenta

Para passar o projeto para a placa, começa-se pelos furos. Pode-se criar uma ferramenta simples para esta tarefa.

Pegue um pedaço de aço, como o toco de uma broca pequena, quebrada. Deve-se esmerilhá-lo, de forma que uma das extremidades fique muito pontuda. Para não ter que segurar o metal com os dedos ao marcar os furos, pode-se apoiar o toco de aço com fita isolante numa peça de madeira fina, como mostra a figura 7. Esta ferramenta melhora a visualização da área do desenho e evita que martelemos os dedos…

Os furos de cada componente são passados para a PCI dando uma leve batida com um martelo. Deve-se cuidar, antes de retirar definitivamente o papel, que todos os furos estejam marcados. Pode-se passar os dedos por cima do papel, para confirmar isso. Será notada uma saliência naqueles furos já transferidos. A placa ficará com a aparência da figura 8.

Caneteando

Retira-se o desenho, mas a placa ainda fica no lugar com os adesivos. Coloca-se a folha do projeto um pouco à frente, para servir de referência e começa-se a desenhar o circuito, utilizando canetas de retroprojetor.

Não há necessidade de utilizar canetas especiais, que custam mais caro. É interessante ter canetas de traço fino e de traço grosso. A cor preta tem se mostrado a melhor para este serviço, especialmente as da Pilot.

Sempre começar a desenhar ao redor dos furos. Depois, para desenhar os traços, apoiar a mão na mesa e fazer pequenos movimentos repetitivos, como um zigue-zague que segue em frente, sempre sem encostar na superfície de cobre (figuras 9, 10, 11 e 12).

Para os traços pequenos ou finos demais, evitar passar a caneta várias vezes no mesmo ponto, pois a tinta que está na placa começará a secar e atrapalhará o funcionamento da caneta.

O traço ficará parecido com aquele marcado por uma seta, na figura 13. Aquele trecho não tem mais solução, só removendo. Pode-se raspá-lo com a lâmina de barbear ou com um pequeno pedaço de papel embebido em álcool. O álcool é solvente desta tinta.

Quando seca a ponta da caneta, pode-se resolver a situação “gastando” um pouco da tinta no papel (por isso em tantos traços na folha que se vê na figura 14). Confirme também se a caneta ainda tem tinta. Evite utilizar a caneta para outros fins e guarde numa caixa o material para uso exclusivo em circuito impresso.

Voltando ao desenho, o melhor é fazer o traço de uma vez. Não é difícil, com a prática. Uma dica: não olhe a ponta da caneta, olhe aonde você quer chegar com ela. Verá que o traço sairá mais fácil e firme.

Em algum momento, ficará difícil evitar encostar na placa, pois a mão estará em uma extremidade e a trilha a desenhar, em outra. Pode-se descolar a placa e girá-la, junto com o desenho, e continuar trabalhando.

Caso ainda seja necessário colocar a mão sobre a placa, a primeira coisa a fazer é esperar o tempo necessário para secar a tinta das trilhas. Depois, colocar a mão sobre uma folha grossa e limpa de papel ou plástico, que fará o necessário isolamento.

Parece diferente, mas não é

Quem olha para o projeto desenhado no computador e a placa final da figura 14, inicialmente poderá pensar que são dois circuitos diferentes. Mas o projeto é aquele mesmo. A placa ficou assim por vários motivos.

O primeiro é a questão de área de cobre exposta. Quanto menor a área para corrosão, menor será a utilização do percloreto de ferro. Além disso, diminui também o tempo de corrosão, o que ajuda a ter trilhas menos “furadas”, já que a tinta da caneta não aguenta muito tempo dentro do percloreto e começa a levantar.

Em segundo lugar, um circuito criado por software nem sempre faz o caminho mais elegante para as trilhas. Uma placa feita à mão pode corrigir certa rigidez de projeto e tem um desenho mais fluido, com poucos cantos retos.

Em terceiro lugar, talvez o mais importante, é que a área maior para soldagem dissipa o calor e evita o levantamento de trilhas durante a soldagem.

Depois, em áudio temos outra grande vantagem: a blindagem do circuito contra interferências, pois as grandes áreas estão geralmente ligadas ao chassis. Para evitar instabilidades, sempre são evitados os loops de terra, como pode ser visto na figura 15. Seria muito fácil unir aqueles pontos, mas isto poderia originar uma série de interferências e zumbidos, os tais laços fechados ou loops.

Para radiofrequência (RF) é diferente, pois é necessário garantir a blindagem total. Não tenho muita experiência nesta área, mas nos projetos de RF que vi, até hoje, não se deixa qualquer espaço livre, nem são evitados os loops. Provavelmente, o efeito de superfície das ondas em altas frequências obriga este tipo de desenho fechado.

Nos desenhos à mão, sempre temos problemas de passar a caneta em locais que deveriam ficar expostos, ou errar alguma trilha. Para corrigir isto, volta-se a utilizar o mesmo procedimento do desenho da placa: a lâmina de barbear (figura 16). Pode-se raspar cuidadosamente a trilha, aos poucos, para desfazer o curto-circuito. Nas figuras 17, 18 e 19 aparece uma placa, antes e depois das correções.

A CORROSÃO

Para corroer a PCI, utilizar o seguinte material (figura 20):

• banheira plástica ou frasco de vidro com tampa;
• garrafa com percloreto de ferro pronto para uso;
• haste plástica adaptada, com ponta em forma de C;
• jornais;

Durante o manuseio do percloreto é melhor vestir roupas velhas e proteger o local de trabalho com bastante jornal. A mancha de percloreto não sai facilmente do tecido e como o produto é higroscópico (absorve a água), tende a deixar o local lambuzado por muito tempo, pois a gota não seca.

Figura 21 – Frasco de café com percloreto e placa.

Figura 22 – Vedação com plástico e papel higiênico.

Figura 23 – Agitação do frasco, onde se nota o papel higiênico junto à tampa.

Quando a placa é pequena, podem ser utilizados para a corrosão os vidros de café, que tem tampa plástica. Coloca-se o percloreto na metade da altura da placa a corroer.

Antes de tampar, a vedação pode ser melhorada intercalando entre o frasco e a tampa um saco plástico fino, com 2 folhas de papel higiênico sobrepostas no seu interior.  Ao colocar a tampa, cuidar para que o papel dentro do saco plástico cubra toda a boca do vidro. Rosqueia-se firmemente.

Se a vedação for boa, o processo de corrosão poderá ser muito acelerado agitando o frasco. Mesmo assim, ainda poderá vazar um pouco de percloreto, através do saco plástico. O papel está lá para absorver o excesso e mancha quando tem vazamento. Ver as figuras 21, 22 e 23.

Mas para placas maiores será necessário uma banheira ou bacia plástica. Coloca-se uma quantidade suficiente de percloreto de ferro no recipiente, com espaço para fazer “ondinhas ” sem transbordar. A placa fica com o lado do cobre virado para baixo. Como o cobre é pesado, ele vai dissolvendo e caindo no fundo da banheira.

Utiliza-se a haste plástica para movimentar a placa em vaivém, até o ponto em que não apareçam mais manchas de cobre nas áreas não cobertas pela tinta. Nas figuras 24 até 29 podem ser vistos os passos.

Pode ser interessante utilizar um agitador para a banheira. No Youtube, tem uma excelente ideia de agitador, facílima de fazer, que utiliza um motor de prato de microondas. É interessante porque este tipo de motor inverte a rotação quando encontra um obstáculo. Veja a referência [3].

Após terminar a corrosão, leva-se imediatamente a placa para um banho de água corrente, recoloca-se o percloreto na garrafa e lava-se os utensílios utilizados. Usar bastante água. O percloreto de ferro é corrosivo, por isto todo o local de trabalho deve ser limpo diligentemente. Os jornais e porventura o saco plástico com papel higiênico devem ser acondicionados em um saco de lixo bem fechado e descartados. Apesar de ser lixo químico, tem uma quantidade pequena e pode ser descartado.

Quanto ao percloreto, no forum Handmades – referência [4] – há um excelente post de Eduardo sobre os métodos para reciclagem e recuperação. Vale a pena ler, porque tem como recuperar o percloreto com Bombril e exposição ao ambiente.

A limpeza da placa

Com a placa lavada e ainda molhada, remove-se a tinta da canetas com palha de aço, como se vê na figura 30.

Mesmo com a remoção da tinta da superfície, os pontos dos furos ainda terão alguns restos. Passa-se um pouco de álcool comum na superfície para diluir o resíduo, como se vê na figura 31. Para ajudar nesta tarefa, um pincel de cerdas curtas, bem limpo, poderá ser utilizado para forçar a dissolução da tinta, quando estiver muito incrustrada.  A função desta limpeza é estética, pois se não for feita, ao passar o verniz protetor na placa ela ficará borrada, cheia de manchas pretas.

Após seca, a placa terá a aparência da figura 32. Aplica-se então uma espécie de verniz, para evitar a oxidação do cobre e para ajudar a soldagem. Este verniz já foi comentado em post anterior, é feito de breu e álcool isopropílico. Ver a figura 33. A placa ficará com a aparência da figura 34, antes da secagem. Este verniz demora para evaporar o solvente e gruda nos dedos úmidos. Mas é excelente coadjuvante para solda.

Após secar a placa, furar nas marcas deixadas anteriormente. Com placas de fenolite, é tranquilo furar com perfuradores específicos para PCI.

Se a placa for de fibra de vidro – um material bem mais duro que a fenolite – certamente a perfuradora será danificada. Utilizar uma furadeira com broca de 0,8 a 1 mm. Idem, se houver necessidade de alargar furos por causa de algum componente mais robusto, como os componentes com encapsulamento TO-220.

Para os furos de fixação da placa, uma broca de 4 mm deixa folga confortável para utilizar parafusos M3. Para escarear estes furos, uma broca de 8 mm, aproximadamente, girada com a mão mesmo.

Confirmar a existência de todos os furos, sobrepondo a placa e a folha do projeto e olhando contra a luz, como na figura 35.

Eventualmente, poderá ser necessário corrigir algum detalhe na placa, como neste projeto que serve de exemplo, onde um terminal do circuito integrado não tem conexão com nenhum outro ponto e teve de ser isolado. Rever a figura 19. A placa pronta, com toda a furação, está na figura 36.

A MONTAGEM

Respire fundo, tome um café, vá ao banheiro e volte descansado. É muito melhor trabalhar tranquilo, você errará menos. Limpe a área de trabalho e instale o suporte para placas. Separe todos os componentes que irá utilizar. Com a mesa livre de outros objetos, o serviço será mais eficiente.

Para facilitar a montagem, costumo iniciar soldando os componentes mais baixos, em grupos de mesmo tipo. Se houver jumpers, eles serão os primeiros. Se a escolha dos componentes foi criteriosa, será percebida a falta ou a sobra de algum componente.

Na conexões da placa, prefiro não soldar diretamente a fiação, até para poder fazer qualquer alteração com facilidade, mesmo com o aparelho já montado. Utilizo nestes pontos, como terminais, pequenos pedaços de fio de aço cobreado, por volta de 1 mm de diâmetro, retirados da alma de cabos coaxiais, como o RGC59 ou RG06.

Também podem ser utilizados aqueles fios rígidos de capa preta, empregados em linhas externas de telefonia fixa. Todos são fios muito duros e resistentes, exatamente o que é necessário para os terminais.

Na figura 37, aparecem os pedaços de fio, já dobrados em L, para fazer os pontos de conexão com a placa. Se houver espaço, pode-se montar um formato U, mais resistente (figuras 38 até 42).

A placa está montada e com os terminais de ligação soldados, mas ainda tem uma aparência feia no lado cobreado (figuras 43 e 44). Para resolver isto, aplicar mais verniz, que irá dissolver a resina da solda e o verniz anterior, melhorando muito o aspecto (figura 44).

Nesta imagem pode-se notar um pincel comum de 1/2″, com as cerdas cortadas bem curtas.  Com ele, pode-se aplicar força sobre a placa, forçando a dissolução da resina da solda. Ele é de uso exclusivo para aplicação de verniz.  Ao secarem as cerdas, elas ficam duras, mas é só pressionar firmemente contra a mesa que o verniz se quebra e o pincel pode ser reutilizado.

A resina presente na solda é muito semelhante ao verniz caseiro e forma uma mistura completamente homogênea. Uma camada grossa deste verniz pode evitar a oxidação da placa por muitos anos, além de facilitar tremendamente a soldagem. 

Na figura 46, aparece a placa pronta do outro projeto, o L-pad para amplificador valvulado.

CONCLUSÃO

Espero que as sugestões deste artigo sirvam para o leitor fazer experimentações nos seus projetos de placas de circuito impresso. O melhor é cada um encontrar o seu jeito de fazer, já que as necessidades de cada técnico podem ser muito diferentes das minhas. O importante é não se achar incapaz de qualquer empreendimento e meter a cara. Os erros gravam o aprendizado melhor que os acertos.

REFERÊNCIAS

[1] Elektronik Devreler Projeler – Projeto de amplificador estéreo 40W com LM4766 – http://users.atw.hu/majki/elektro/kapcs/national_2x40w/national_2x40w.htm ou http://320volt.com/lm4766-stereo-40w-anfi/

[2] Método de fazer circuito impresso por transferência térmica em papel glossy – link 1 – http://www.ceunes.ufes.br/downloads/2/sandramuller-pci_metodo_termico.pdf

[3] Método de fazer circuito impresso por transferência térmica em papel glossy – link 2 – http://www.ppgel.ufsj.edu.br/uaisoccer/downloads/1272061971.pdf

[4] Agitador mecânico com motor de prato de microondas – http://www.youtube.com/watch?v=dBxg8BG4CBk&feature=player_detailpage

[4] Handmades – Reciclagem de percloreto de ferro – http://www.handmades.com.br/forum/index.php?topic=49.0;prev_next=prev#new

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