Guia de Seleção de Material PCB

A parte mais importante da eletrônica é a placa de circuito impresso (PCB). Alternativamente, a sigla também abrange placas de circuito impresso e cartões de circuito impresso, que são essencialmente a mesma coisa. Devido ao papel crucial dessas placas em tudo, de computadores a calculadoras, a seleção do material da placa PCB deve ser feita com cuidado e conhecimento das necessidades elétricas de um determinado equipamento.

Antes do desenvolvimento do PCB, os materiais das placas de circuito impresso eram, em sua maioria, cobertos por ninhos de fios emaranhados e sobrepostos, que podiam facilmente falhar em certas junções. Eles também podiam entrar em curto-circuito com o passar do tempo e certos fios começarem a rachar. Como era de se esperar, o processo manual de fiação dessas primeiras placas era confuso e trabalhoso.

À medida que uma variedade cada vez maior de componentes eletrônicos do dia a dia passou a depender de placas de circuito, iniciou-se uma corrida para desenvolver alternativas mais simples e compactas, o que levou ao desenvolvimento do material PCB. Com os materiais PCB, os circuitos podem ser roteados entre uma série de componentes diferentes. O metal que facilita a transferência de corrente entre a placa e os componentes conectados é conhecido como solda, que também tem dupla função: suas propriedades adesivas.

Composição do Material PCB

A composição de uma PCB geralmente consiste em quatro camadas, que são laminadas termicamente em uma única camada. O material usado na PCB inclui as seguintes camadas, de cima para baixo:

• Serigrafia

• Máscara de solda

• cobre

• Substrato

A última dessas camadas, o substrato, é feita de fibra de vidro e também é conhecida como FR4, com as letras FR significando “retardante de fogo”. Essa camada de substrato fornece uma base sólida para PCBs, embora a espessura possa variar de acordo com o uso de uma determinada placa.

Também existe no mercado uma gama mais barata de placas que não utilizam os mesmos materiais de PCB mencionados, mas sim compostos por fenólicos ou epóxis. Devido à sensibilidade térmica dessas placas, elas tendem a perder a laminação facilmente. Essas placas mais baratas costumam ser fáceis de identificar pelo cheiro que exalam ao serem soldadas.

A segunda camada de uma PCB é o cobre, que é laminado sobre o substrato com uma mistura de calor e adesivo. A camada de cobre é fina e, em algumas placas, existem duas camadas — uma acima e outra abaixo do substrato. PCBs com apenas uma camada de cobre tendem a ser usados ​​em dispositivos eletrônicos mais baratos.

O laminado revestido de cobre (CCL) amplamente utilizado pode ser classificado em diferentes categorias de acordo com diferentes padrões de classificação, incluindo material de reforço, adesivo de resina usado, inflamabilidade e desempenho do CCL.

Acima da máscara de solda verde está a camada de serigrafia, que adiciona letras e indicadores numéricos que tornam a placa de circuito impresso legível para programadores técnicos. Isso, por sua vez, facilita para os montadores eletrônicos posicionar cada placa de circuito impresso no lugar e na direção correta em cada componente. A camada de serigrafia geralmente é branca, embora cores como vermelho, amarelo, cinza e preto também sejam utilizadas.

Termos técnicos da camada PCB

Além de entender como o PCB é disposto em camadas, também é importante conhecer os seguintes termos técnicos que acompanham o uso de PCBs:

• Anel anular. O anel de cobre que envolve os furos de uma placa de circuito impresso.

• DRC. Sigla para verificação de regras de projeto. Essencialmente, DRC é uma prática pela qual o projeto de uma placa de circuito impresso (PCB) é verificado quanto à sua funcionalidade. Os detalhes verificados incluem a largura das trilhas e os furos.

• Perfuração. Usado para descrever todos os furos em uma placa de circuito impresso, sejam eles corretos ou mal posicionados. Em alguns casos, um furo pode estar ligeiramente incorreto devido ao equipamento de perfuração cego utilizado durante a produção.

• Dedos. Metal exposto ao longo da borda da placa que serve como ponto de conexão entre duas placas de circuito impresso. Dedos são mais frequentemente encontrados em videogames antigos e cartões de memória.

• Bits de mouse. Uma parte da placa que foi excessivamente perfurada a ponto de ameaçar a integridade estrutural de uma PCB.

• Almofada. Uma área de metal exposta em uma placa de circuito impresso, na qual geralmente é aplicada uma peça soldada.

• Painel. Uma grande placa de circuito composta por placas menores, que são eventualmente separadas para uso individual. O motivo dessa prática é eliminar a dificuldade que os manipuladores enfrentam ao lidar com placas menores.

• Estêncil de cola. Um estêncil de metal sobre uma placa, sobre o qual é aplicada cola para soldagem.

• Plano. Uma seção maior de cobre exposto em uma placa de circuito impresso, marcada por bordas, mas sem um caminho.

• Furo passante revestido. Um furo que atravessa uma placa de circuito impresso (PCB), geralmente com a finalidade de conectar outro componente. O furo é revestido e geralmente apresenta um anel anular.

• Slot. Qualquer furo que não seja circular. PCBs com slots costumam ser caros devido aos custos de produção para criar furos de formatos estranhos em uma placa de circuito. Slots normalmente não são revestidos.

• Montagem em superfície. Método pelo qual componentes externos são montados diretamente na placa, sem a utilização de furos passantes.

• Traço. Uma linha contínua de cobre através de uma placa de circuito impresso.

• Corte em V. Local onde a placa foi parcialmente cortada. Isso pode deixar a PCB vulnerável a quebras.

• Via. Um orifício por onde os sinais trafegam entre camadas. As vias são vistas em versões com e sem tenda. As versões com tenda são cobertas com uma máscara de solda protetora, enquanto as vias sem tenda são usadas para a conexão de conectores.

O número que precede uma camada refere-se ao número exato de camadas condutoras, seja uma camada de roteamento ou plana — os dois tipos de camada. As camadas tendem a ter o número 1 ou qualquer um dos quatro números pares seguintes: 2, 4, 6, 8. Placas de camadas às vezes têm números ímpares, mas estes são raros e dificilmente fariam diferença. Por exemplo, o material do PCB em uma placa de 5 ou 6 camadas seria praticamente idêntico.

Os dois tipos de camadas têm funções diferentes. As camadas de roteamento apresentam trilhas. As camadas planas servem como conectores de energia e apresentam planos de cobre. As camadas planas também apresentam ilhas que determinam a finalidade da sinalização de uma placa, seja de 3.3 V ou 5 V.

FR4 é o codinome para chapas laminadas de epóxi reforçadas com fibra de vidro. Devido à sua resistência, bem como à sua capacidade de resistir à umidade e ao fogo, o FR4 é um dos materiais de PCB mais populares.

Considerações adicionais sobre o projeto de PCB

Um valor como 1.6 mm é usado para indicar a espessura de uma placa de camada. Em placas de 4 camadas, 1.6 mm é a medida padrão. A espessura é um fator a ser considerado ao escolher placas para um dispositivo. Placas com espessura maior, por exemplo, oferecem mais suporte quando objetos de conexão pesados ​​precisam ser suportados.

A espessura padrão do cobre em camadas planas é de 35 mícrons. A espessura do cobre também pode ser indicada em onças ou gramas. É recomendável optar por uma espessura de cobre maior do que o normal em placas que suportam diversas aplicações.

As trilhas não foram projetadas para transferir energia, mas isso pode acontecer quando os sinais não processam as frequências adequadamente. Se o problema não for controlado, as trilhas podem acabar perdendo grandes quantidades de energia. Para que o máximo de energia possível seja transferido de um lado para o outro da trilha, o layout da trilha deve levar em conta as equações de transmissão.

Em geral, duas polegadas é a distância ideal entre pistas em placas de camadas feitas de material PCB FR4 com trilhas de cobre, desde que o tempo do sinal seja de um nanossegundo. No entanto, você também deve levar em consideração os efeitos da linha de transmissão para longas distâncias, especialmente se a integridade do sinal for crucial. A internet está repleta de programas e planilhas projetados para ajudar as pessoas a fazer cálculos de impedância adequados para placas de camadas específicas.

Na maioria das placas, as vias estão vazias e geralmente é possível ver através delas. No entanto, existem várias circunstâncias em que as vias podem ser preenchidas. Para começar, é necessário que as vias sejam preenchidas para formar barreiras de proteção contra poeira e outras impurezas. Em segundo lugar, as vias podem ser preenchidas para aumentar a capacidade de condução de uma corrente, caso em que materiais condutores podem ser usados. Outro motivo para o preenchimento das vias é para nivelar uma placa.

As vias são normalmente preenchidas com peças de Ball Grid Array (BGA). Se ocorrer contato entre um pino BGA e uma camada interna, a solda pode passar pela via e atingir uma camada diferente. Portanto, as vias são preenchidas para garantir que a solda não vaze para outra camada e que a integridade dos contatos seja mantida conforme o esperado.

Uma das ocorrências mais problemáticas em uma placa de camada é quando um contato entra e sai em algum ponto da placa. Quanto mais isso acontece, mais rápido essa parte da placa corre o risco de falhar completamente. O usuário médio de eletrônicos domésticos enfrentará esse problema quando um dos botões de uma calculadora para de funcionar. Cada botão pressiona uma parte específica da placa de camada e, quando um ponto apresenta defeito, o botão correspondente a esse ponto não consegue enviar seu sinal.

Outra maneira pela qual os contatos podem ser apagados em certos pontos é quando um slot de placa secundária é instalado na placa-mãe. Se a placa for mal manuseada, um dos pontos ao longo da placa pode ser danificado e parar de funcionar a partir daí. A melhor maneira de proteger as superfícies da placa que entram em contato umas com as outras é usar uma camada de ouro, que serve como uma barreira que melhora a vida útil. No entanto, o ouro pode ser caro, e seu uso nas abas adiciona mais uma etapa ao processo de fabricação da placa de circuito impresso.

Máscara de solda PCB

A cor com a qual a maioria das pessoas está familiarizada quando se trata de placas-mãe é o verde, a cor da máscara de solda. Embora não seja tão comum, a máscara de solda também pode aparecer em outras cores, como vermelho ou azul. A máscara de solda também é conhecida pela sigla LPISM, que significa máscara de solda foto-imageável líquida. O objetivo da máscara de solda é evitar o vazamento de solda líquida. Nos últimos anos, casos como esse se tornaram mais comuns devido à falta de máscara de solda. No entanto, segundo a maioria dos relatos, os usuários geralmente preferem placas com máscara de solda a placas sem ela.

Após a aplicação da máscara de solda na placa de circuito impresso (PCB), esta é submetida à solda derretida. Nesse processo, as superfícies expostas de cobre são soldadas. Isso faz parte de um processo conhecido como nivelamento de solda por ar quente (HASL). À medida que os chips SMD são soldados, a placa é aquecida até o ponto em que a solda assume a forma derretida e os componentes são colocados em seus devidos lugares. À medida que a solda seca, os componentes também são soldados. O HASL geralmente inclui chumbo como um dos compostos da solda, embora também existam opções sem chumbo.

O espaçamento da largura da trilha é indicado por um traço. Por exemplo, quando você vê a figura 6/6 mils, isso especificaria 6 mils como a largura mínima da trilha, bem como o espaçamento mínimo entre trilhas. Portanto, todos os espaçamentos na placa em questão devem ser iguais ou superiores a 6 mils. Para quem não está familiarizado, as unidades de mils são usadas para determinar distâncias em materiais de PCB. Largura e espaçamento são especialmente importantes quando se trata de placas projetadas para lidar com altas quantidades de corrente.

Quando uma placa PCB possui várias camadas, a acessibilidade das diversas trilhas não pode ser verificada visualmente. Portanto, é realizado um teste que coloca sondas nas extremidades das trilhas para verificar se todos os sinais estão acessíveis. O teste é realizado com aplicações de volts em uma extremidade. Se essas tensões forem detectadas na outra extremidade, as trilhas são consideradas em condições de funcionamento. Embora o teste nem sempre seja essencial em placas com apenas uma ou duas camadas, ele ainda é recomendado se você realmente se preocupa com a qualidade.

Vias que conectam camadas internas e externas são conhecidas como vias cegas. O nome deriva do fato de que tais vias só podem ser vistas de um lado. Vias que conectam duas ou mais camadas internas são conhecidas como vias enterradas, que não podem ser vistas de fora em nenhum dos lados. Em placas que contêm vias cegas e enterradas, o preenchimento de vias é frequentemente utilizado. Isso mantém a superfície externa mais segura e ajuda a reduzir a possibilidade de a solda deslizar e penetrar nas vias internas.

Seleção de materiais que afetam o custo

PCBs geralmente custam mais quando contêm recursos como abas douradas, vias cegas ou enterradas, ou preenchimento de vias. Da mesma forma, PCBs com espaçamento entre linhas/largura abaixo de 6 milésimos de polegada (3 milésimos de polegada) também tendem a custar mais. A razão para esses preços mais altos é o processo alternativo usado na produção de placas de PCB incomuns. Da mesma forma, certas produções de PCBs acabam não sendo tão lucrativas ou bem-sucedidas quando utilizam vias internas ou com espaçamento entre linhas/largura baixo, e o preço mais alto é definido para recuperar as perdas. Existem fabricantes que produzem PCBs com medidas entre linhas/largura tão baixas quanto XNUMX milésimos de polegada (XNUMX milésimos de polegada), mas isso geralmente não é recomendado, a menos que seja sua única opção para um componente específico.

Impacto da potência e do calor na seleção de materiais de PCB

De todos os fatores que impactam as PCBs, dois dos mais intensos são a potência e o calor. Portanto, é crucial determinar os limites para cada um, o que pode ser feito avaliando a condutividade térmica de uma PCB. Isso define como a potência em watts é convertida em temperatura ao longo do comprimento do material. No entanto, não há valores estabelecidos para a condutividade térmica em toda a indústria.

Por exemplo, a Rogers Corp. fabrica um material para PCB, o RT/duroid 5880, frequentemente aplicado em guerra eletrônica e comunicações. A constante dielétrica desse material é baixa, pois é um material composto que contém elementos de vidro microfibrosos. Essas microfibras têm a função de aumentar a resistência da fibra no material.

Devido a essa baixa constante dielétrica, o PCB é ideal para aplicações que utilizam altas frequências. No entanto, devido à baixa condutividade térmica do material, ele pode aquecer facilmente, o que pode ser uma grande desvantagem em aplicações que exigem muito calor.

Materiais de PCB e aplicações industriais

Para aplicações nas indústrias militar, aeroespacial, automobilística e médica, os PCBs são fabricados em versões de face única e dupla, algumas das quais revestidas de cobre e outras de alumínio. Em cada uma dessas indústrias, o material é utilizado para obter o máximo desempenho em áreas específicas. Assim, os materiais de PCB são selecionados por sua leveza em determinados setores ou por sua capacidade de lidar com altas quantidades de energia em outros. Assim, quando as aptidões de desempenho são levadas em consideração, é crucial determinar quais funções precisam ser comparadas entre si ao selecionar os materiais de PCB, uma vez que os níveis de material estão correlacionados aos níveis de desempenho.

Pranchas Flex e Rigid-Flex

Nos últimos anos, as placas flexíveis e rígidas-flexíveis têm crescido em popularidade devido às opções que oferecem em uma variedade de usos. Basicamente, elas podem ser dobradas, curvadas e até mesmo enroladas em objetos, permitindo aplicações que nunca seriam possíveis com placas de circuito planas. Por exemplo, uma placa flexível pode ser usada para um equipamento que exija que a placa seja dobrada em um ângulo e ainda conduza corrente de uma extremidade à outra sem a necessidade de conectar painéis.

A maioria das placas flexíveis no mercado é feita de Kapton, um filme de poliimida desenvolvido pela DuPont Corporation. O filme possui qualidades como resistência ao calor, consistência dimensional e uma constante dielétrica de apenas 3.6.

Kapton vem em três versões Pyralux:

• Retardante de chama (FR)

• Não retardante de chamas (NFR)

• Sem adesivo / alto desempenho (AP)

Seleção de materiais para placas de PCB – Qualidade em primeiro lugar

Na hora de selecionar os materiais para placas de circuito impresso, a qualidade é de extrema importância na construção de qualquer tipo de placa, seja para eletrônicos domésticos ou equipamentos industriais. Um componente que contém uma placa de circuito impresso pode ser grande ou pequeno, barato ou caro, mas o mais importante é que o item em questão ofereça desempenho superior durante toda a sua vida útil esperada.

Embora existam vários tipos de materiais de PCB utilizados em uma determinada placa, a confiabilidade do produto é, em última análise, o que consumidores e empresas buscam em produtos que utilizam placas de circuito. É claro que também é crucial que os materiais da placa de PCB sejam fortes o suficiente para se manterem unidos, mesmo que um componente caia acidentalmente ou seja derrubado.

Em equipamentos computadorizados, por exemplo, PCBs duráveis ​​garantem que atualizações de hardware possam ser feitas sem danificar os materiais da placa PCB preexistente. O mesmo se aplica a dispositivos eletrônicos, micro-ondas e outros aparelhos domésticos que dependem da tecnologia PCB para se manterem em condições de funcionamento. Mesmo em instalações eletrônicas públicas, como caixas eletrônicos, as PCBs devem funcionar sem falhas para que os botões funcionem e os comandos sejam compreendidos sem demora.

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