Regras de trilhas, vias e espaçamentos

Abra o projeto local que você já conferiu no KiCad: o esquemático deve estar salvo, com footprints associados. Em seguida, abra o Editor de PCB do mesmo projeto.

No editor de placas, use o comando de atualização a partir do esquemático, normalmente em Ferramentas → Atualizar PCB a partir do esquemático ou pela tecla F8. Essa operação compara os dois documentos e transfere para a placa as referências, footprints e redes definidos no esquemático.

Ela não cria uma placa roteada. Neste momento, o objetivo é trazer para o PCB as informações do circuito e verificar se as associações foram preservadas.

Antes de confirmar, leia o resumo de alterações exibido pelo KiCad. Ele é a oportunidade de interromper uma atualização que não corresponde ao que você espera.

Procure especialmente por:

• Inclusões: footprints ou redes que deveriam entrar na placa.
• Substituições: footprint alterado para uma referência existente; confirme se a mudança é intencional.
• Exclusões: itens que seriam removidos; investigue antes de aceitar.

Uma exclusão ou substituição inesperada pode indicar que o esquemático salvo não é o que você imaginava, que uma referência mudou ou que um footprint foi retirado da associação. Corrija a causa no esquemático quando necessário e só então atualize novamente.

Depois de confirmar a atualização, os footprints podem aparecer agrupados na área de trabalho da placa. Sem posicioná-los nem rotear, faça duas conferências simples:

1. Selecione alguns footprints e verifique se a referência corresponde ao componente do esquemático, como R1, C1 ou J1.
2. Inspecione pads de componentes relevantes. O pad deve mostrar a rede esperada, como GND, +5V ou o nome de um sinal.

Esses dados confirmam o vínculo elétrico transferido. Se um pad não tiver a rede esperada, volte ao esquemático, verifique a conexão e atualize a PCB outra vez.

Organize as ações na sequência mais segura para sincronizar o esquemático com a placa.

Uma placa de duas camadas tem dois condutores externos:

• F.Cu: cobre da face superior (front copper).
• B.Cu: cobre da face inferior (back copper).

Entre eles existe um material isolante, que dá sustentação mecânica e impede que os dois cobres se toquem diretamente. Em uma placa comum, esse material costuma ser laminado à base de fibra de vidro e resina.

Os pads e as futuras trilhas pertencem a uma dessas camadas de cobre — ou podem se conectar entre elas por uma via metalizada, assunto que será detalhado mais adiante.

Não confunda as camadas de documentação e proteção com camadas que conduzem corrente:

• Máscara de solda: revestimento isolante que protege o cobre exposto e ajuda a evitar pontes de solda. Ela possui aberturas sobre pads destinados à soldagem.
• Serigrafia: tinta de identificação, usada para referências, polaridade e marcações de montagem. Não é uma conexão elétrica.
• F.Cu e B.Cu: são as camadas de cobre que formam pads, trilhas e outras conexões elétricas.

Assim, uma marca visual sobre a placa não significa que exista cobre naquele ponto.

No Editor de Placas, abra Configuração da Placa e procure a seção de Stackup/Empilhamento ou de camadas, conforme a versão do KiCad. Defina a quantidade de camadas de cobre como 2. Confirme que as camadas externas ativas são F.Cu e B.Cu.

As camadas F.Mask, B.Mask, F.Silkscreen e B.Silkscreen podem continuar visíveis na lista: elas têm outras funções e não aumentam a quantidade de camadas de cobre.

A espessura de cobre é a espessura da lâmina condutora, por exemplo 35 µm. Ela participa da seção de uma trilha e, portanto, será relevante para corrente, resistência e aquecimento.

Já a espessura total da placa inclui cobre, isolante e revestimentos. Ela é uma característica mecânica e de fabricação separada. Não conclua a espessura do cobre apenas pela espessura total da placa.

Antes de fabricar, as espessuras e o empilhamento devem ser confirmados com o fabricante escolhido. Aqui, 35 µm é uma condição de projeto para os cálculos didáticos, não uma garantia sobre qualquer placa comercial.

Associe cada elemento à sua função principal.

O contorno físico informa onde a placa será recortada. No editor de PCB, desenhe-o na camada Edge.Cuts — não em F.SilkS, B.SilkS ou em uma camada de desenho auxiliar.

Para este exercício, use inicialmente um retângulo de 60 × 40 mm. Ele é uma referência didática ajustável: as dimensões reais devem atender ao gabinete, aos conectores e às demais restrições do seu projeto.

No seu projeto local, abra o Editor de PCB e selecione Edge.Cuts como camada ativa. Use a ferramenta de linhas gráficas ou retângulo para criar um contorno de 60 × 40 mm.

Confira as coordenadas, o comprimento dos segmentos ou a ferramenta de medição do KiCad para verificar as duas dimensões. O importante é registrar valores numéricos, não estimar pela aparência na tela.

Reserve espaço para a fixação já nesta fase. Uma fixação não é somente o furo: considere o diâmetro do furo, a área ocupada pela cabeça do parafuso ou espaçador e o acesso de uma chave ou ferramenta.

Marque essas reservas de modo visível, por exemplo em uma camada de desenho auxiliar. Elas não devem virar um segundo contorno em Edge.Cuts. Ainda não é hora de posicionar os blocos do circuito; apenas preserve a geometria mecânica necessária.

Uma trilha é uma faixa de cobre que realiza uma conexão física na placa. Sua seção transversal depende de duas dimensões:

• largura: medida no plano do layout;
• espessura do cobre: medida através da camada, por exemplo, os 35 µm adotados neste caso didático.

De modo simplificado, a seção da trilha é largura × espessura. Duas trilhas com a mesma largura podem ter seções diferentes se o cobre tiver espessuras diferentes. A largura é uma dimensão geométrica que você vê e configura no editor; a capacidade de corrente será estimada mais adiante, com hipóteses térmicas explícitas.

Uma via passante metalizada conecta o cobre superior (F.Cu) ao inferior (B.Cu). Ela possui um furo no substrato e uma fina parede interna metalizada que realiza a conexão elétrica entre as camadas.

Isso é diferente de um furo somente mecânico, sem metalização. Um furo mecânico pode servir à fixação, mas não cria, por si só, uma conexão entre F.Cu e B.Cu.

No editor, uma via costuma ser descrita por três medidas:

• diâmetro externo: diâmetro total do cobre circular;
• diâmetro do furo: abertura perfurada no centro;
• anel anular: faixa radial de cobre entre a borda do furo e a borda externa.

A relação geométrica nominal é:

anel anular = (diâmetro externo − diâmetro do furo) ÷ 2

O divisor por 2 aparece porque a diferença de diâmetros corresponde ao cobre presente nos dois lados radiais do furo.

Uma regra geométrica nasce do encontro de três fatores:

• Exigência elétrica: o que as redes precisam no circuito de baixa tensão.
• Capacidade de fabricação: o que o processo escolhido consegue produzir com tolerância.
• Margem de projeto: folga deliberada para tornar a placa mais robusta à variação.

Os mínimos globais do KiCad definem o que não deve ser violado na placa. Eles não substituem o dimensionamento por corrente, nem afirmam que uma separação é segura para qualquer tensão.

Para este exercício de uma interface de 5 V, adote o perfil didático abaixo. Ele é uma hipótese explícita de projeto; não descreve um fabricante real.

No Editor de Placas, abra Configuração da placa e localize as regras de projeto e as definições de vias. Insira os mínimos globais do perfil:

1. Defina 0,20 mm para largura mínima de trilha e afastamento mínimo entre cobres de redes diferentes.
2. Defina 0,50 mm para a distância mínima entre cobre e o contorno em Edge.Cuts.
3. Nas dimensões de via, use furo mínimo de 0,30 mm e anel mínimo de 0,15 mm, verificando como sua versão apresenta esses campos.

Os nomes e a organização dos campos podem variar entre versões do KiCad. O importante é registrar os quatro limites e conferir suas unidades.

Uma calculadora de trilhas fornece uma estimativa inicial, não uma comprovação térmica da placa pronta. Ela relaciona corrente, espessura do cobre, posição da camada e elevação de temperatura admitida para sugerir uma largura.

Neste exercício, use dados declarados — não tente inferir o consumo da interface:

• Corrente contínua: 0,50 A
• Cobre externo: 35 µm
• Temperatura ambiente assumida: 25 °C
• Elevação de temperatura admitida: 10 °C

A temperatura ambiente é uma condição registrada do exercício. A entrada térmica usada na calculadora é a elevação de 10 °C. Com essas hipóteses, a trilha poderia atingir aproximadamente 35 °C, mas isso não é uma previsão garantida para a placa real.

No computador, abra a Calculadora PCB da sua instalação local do KiCad e localize a calculadora de largura de trilha. Selecione cobre externo (external layer), pois F.Cu e B.Cu são faces externas da placa de duas camadas.

Preencha os campos de entrada da calculadora com:

• corrente: 0,50 A;
• elevação de temperatura: 10 °C;
• espessura do cobre: 35 µm;
• camada: externa.

A calculadora padrão do KiCad é baseada no modelo IPC-2221, indicado na própria ferramenta ou em sua documentação. Não procure uma seleção entre modelos se ela não aparecer na sua versão. A temperatura ambiente de 25 °C deve ficar no seu registro de hipóteses; ela não substitui o campo de elevação de temperatura.

Confira as unidades exibidas antes de anotar o resultado. Dependendo da configuração, a ferramenta pode mostrar a largura em mm ou mil.

Para 0,50 A, cobre externo de 35 µm e elevação de 10 °C, a calculadora baseada em IPC-2221 deve indicar uma largura próxima de 0,12 mm. Esse valor é uma referência para verificar se você leu corretamente a unidade e os campos; ele não substitui o resultado registrado na sua instalação.

A estimativa térmica fica abaixo do mínimo global de fabricação adotado no projeto: 0,20 mm. Portanto, a largura preliminar não pode ser 0,12 mm. Ela deve ser, no mínimo, o maior valor entre a estimativa e o mínimo de fabricação.

A calculadora não reproduz automaticamente ventilação, cobre vizinho, fontes de calor, geometria completa ou a distribuição real de corrente na placa acabada. Use o resultado como ponto de partida. No próximo step, a queda de tensão poderá exigir uma largura maior.

A corrente não é o único critério

Uma largura que parece adequada pela estimativa térmica ainda pode causar queda de tensão excessiva se o trecho for longo.

Para uma trilha de cobre, use a resistência de referência:

R = ρL / (w × t)

• ρ: resistividade do cobre; neste exemplo, 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m a 20 °C;
• L: comprimento do trecho, em m;
• w: largura, em m;
• t: espessura do cobre, em m.

Depois, calcule a queda no trecho com Vqueda = I × R. A seção condutora é w × t: aumentar a largura reduz a resistência, desde que a espessura permaneça a mesma.

Para uma largura de 1,50 mm:

R = (1,724 × 10⁻⁸ × 0,100) / (1,50 × 10⁻³ × 35 × 10⁻⁶)

R ≈ 0,0328 Ω

Então:

Vqueda = 0,50 × 0,0328 ≈ 0,0164 V = 16,4 mV

Como 16,4 mV é menor que 20 mV, essa candidata atende ao orçamento declarado para esse trecho, na condição de referência de 20 °C.

Classes de redes agrupam redes que têm o mesmo requisito declarado. Elas deixam parâmetros preferenciais prontos para o roteamento, sem decidir pela aparência ou apenas pelo nome.

Neste projeto, uma rede de sinal pode permanecer na classe padrão. Já uma rede de alimentação de 5 V pode receber uma classe própria somente se realmente atender às hipóteses usadas antes: 0,50 A contínuos, cobre externo de 35 µm, trecho inicialmente estimado em 100 mm e orçamento de queda de 20 mV.

Antes de criar uma classe, identifique a rede existente, sua corrente declarada e a justificativa da largura. Uma classe de maior corrente pode existir sem redes atribuídas, mas nesse caso não altera nenhuma rede da placa.

No Editor de Placas, abra Configuração da placa e localize as classes de redes. Mantenha os mínimos globais já adotados e crie apenas classes necessárias às redes atuais.

Para este caso didático, os mínimos globais incluem 0,20 mm de largura e espaçamento, furo mínimo de via de 0,30 mm e anel mínimo de 0,15 mm. Uma via de 0,60 mm com furo de 0,30 mm resulta em anel nominal de 0,15 mm por lado.

Os parâmetros da tabela são um ponto de partida coerente com o perfil didático, não uma especificação de fabricante real.

Como interpretar os valores

• Mínimos globais: são limites geométricos. Neste perfil, largura e espaçamento não ficam abaixo de 0,20 mm; o furo não fica abaixo de 0,30 mm; o anel não fica abaixo de 0,15 mm.
• Espaçamento da classe: é o afastamento aplicável entre cobres de redes diferentes daquela classe e não pode contrariar o mínimo global.
• Largura e via da classe: são escolhas preferenciais. A largura de 1,50 mm é coerente com a candidata que atendeu ao exemplo de 0,50 A, 100 mm, cobre de 35 µm e queda máxima de 20 mV.

Uma largura preferencial de 1,50 mm não cria, por si só, um mínimo obrigatório específico para todo trecho futuro da rede.

Na lista de atribuição de redes, associe explicitamente cada rede existente à classe adequada e confira a classe efetiva exibida pelo KiCad.

No seu projeto local:

1. Atualize a lista de redes, se a interface oferecer essa opção.
2. Atribua a rede de alimentação a Alimentação_0A50 somente se a hipótese de 0,50 A realmente se aplicar.
3. Deixe as demais redes em Padrão, salvo outra justificativa declarada.
4. Confirme na lista que cada rede aparece na classe pretendida.

Redes que não forem movidas permanecem em Padrão; isso é correto quando não há requisito adicional conhecido.

Feche as decisões em um registro curto

Antes de seguir para o layout, registre as hipóteses que produziram suas regras. Isso permite revisar uma decisão quando mudar a fabricação, o comprimento real de uma conexão ou a corrente prevista.

Para o caso didático, anote: placa de duas camadas; cobre externo de 35 µm; corrente de 0,50 A contínuos; ambiente de 25 °C; elevação térmica admitida de 10 °C; trecho inicialmente estimado em 100 mm; e orçamento de queda de 20 mV nesse trecho.

Registre também os mínimos de fabricação assumidos e os valores preferenciais das classes realmente usadas. Eles não são propriedades universais do KiCad nem de qualquer fabricante: são escolhas documentadas para este projeto de baixa tensão.

Mudança de fabricação: refaça a geometria

Imagine que o fabricante escolhido passa a exigir furo mínimo de 0,40 mm para vias. O anel anular mínimo do projeto continua sendo 0,15 mm.

Não mantenha o diâmetro externo de 0,60 mm: com o furo maior, ele deixaria apenas 0,10 mm de anel por lado. Recalcule pela relação:

diâmetro externo mínimo = diâmetro do furo + 2 × anel mínimo

Assim, o novo valor precisa acomodar o furo exigido e o anel nos dois lados. Atualize de modo coerente os mínimos globais e as dimensões preferenciais de via das classes que efetivamente usam vias.

Uma via geometricamente aceitável ainda não prova capacidade de corrente equivalente à da trilha. Essa análise depende também da metalização da parede do furo, das condições térmicas e do processo real.

Aumentar o furo preservando o mesmo anel exige aumentar também o diâmetro externo.