Fundamentos de PCB

1. Introdução às placas de circuito impresso e aos componentes principais

Placas de circuito impresso (PCBs) são componentes fundamentais na indústria eletrônica. Suas principais funções incluem: transmissão de sinal, apoio físico, distribuição de energiae gestão térmica. Uma PCB é composta por vários elementos especializados: o camada de serigrafia (Sobreposição) para identificação de componentes, acabamentos de superfície (como ENIG, HASL), vias para conexões elétricas entre camadas, Componentes de furo passante (PTH) e Dispositivos de montagem em superfície (SMD), cobre derramado (Polígono), almofadas térmicas de alívio, traços de sinal (Pista) e almofadas, entre outras características essenciais.

2. Sistema de classificação de PCB

2.1 Classificação por material do substrato

Substratos de cerâmica: Utilizing materials like Alumina (Al₂O₃), Aluminum Nitride (AlN), or Silicon Carbide (SiC), these offer exceptional thermal conductivity and are designed for high-temperature environments and high-power applications.

PCBs com núcleo metálico (MCPCBs): Incluindo substratos à base de alumínio e cobre, conhecidos pela sua dissipação de calor superior, amplamente utilizados em circuitos de alta potência e iluminação LED.

Substratos à base de papel: Como os tipos FR-1 e FR-2, utilizam papel de fibra como reforço, impregnado com resina e laminado com folha de cobre, adequado principalmente para placas de um ou dois lados.

Substratos compostosCombinar de forma inovadora as características de vários materiais, por exemplo, CEM-2 (resina epóxi com núcleo de papel e superfícies de tecido de vidro), para atender a requisitos de desempenho específicos.

2.2 Classificação por características estruturais

PCBs rígidos: Use substratos rígidos não flexíveis, incluindo vários tipos, como FR-4 (epóxi de vidro), à base de papel, compósitos, cerâmicos e placas com núcleo metálico.

PCBs flexíveis (PCBs flexíveis): Utilizam substratos isolantes flexíveis, permitindo dobrar, enrolar e dobrar, ideais para as restrições de espaço dos dispositivos eletrônicos portáteis.

PCBs rígidas e flexíveis: Integre de forma inteligente zonas rígidas e zonas flexíveis, oferecendo resistência estrutural e flexibilidade de instalação.

PCBs HDI (Interconexão de alta densidade): Utiliza tecnologia microvia e folhas de cobre ultrafinas para atender às demandas de miniaturização dos dispositivos eletrônicos. As estruturas incluem vias empilhadas em duas etapas, vias escalonadas em duas etapas e HDI em uma etapa.

Substratos IC: Projetado especificamente para embalagens de chips, fornecendo funções essenciais como conexão elétrica, proteção física, suporte estrutural e gerenciamento térmico.

3. Análise aprofundada da tecnologia de substratos PCB

3.1 Estrutura de empilhamento de camadas

As placas de circuito impresso modernas apresentam um design multicamadas:

• Núcleo: Laminado composto por tecido de fibra de vidro e resina epóxi, revestido com cobre em ambos os lados.
• Pré-impregnado (Pré-impregnado): Um composto de tecido de fibra de vidro e resina parcialmente curada, responsável pela ligação das camadas durante a laminação.
• Folha de cobre: Divided into Electro-Deposited (ED) copper (preferred for rigid boards) and Rolled Annealed (RA) copper (used for flexible boards). Thickness is measured in ounces (OZ), e.g., 1 OZ (≈35µm).

3.2 Via Technologies

As vias de interconexão de PCB são classificadas em três tipos:

• Via de furo passante: Passa por todas as camadas do circuito.
• Via cega: Conecta uma camada externa a uma ou mais camadas internas, mas não atravessa toda a placa.
• Enterrado via: Localizado inteiramente nas camadas internas, conectando duas ou mais camadas internas sem atingir as superfícies externas.

3.3 Parâmetros-chave de desempenho

Parâmetros térmicos:

• Tg (Temperatura de transição vítrea): O ponto crítico em que a resina passa de um estado rígido para um estado mais macio, afetando diretamente a resistência ao calor do substrato.
• Td (Temperatura de decomposição): A temperatura na qual a resina perde 5% de sua massa devido à degradação térmica.
• CTE (Coefficient of Thermal Expansion): Determines dimensional stability under temperature variations. Typically X/Y: 16-18 ppm/°C, Z: 40-60 ppm/°C.

Parâmetros elétricos:

• Dk (Dielectric Constant): Influences signal propagation speed and characteristic impedance. A lower Dk generally allows faster signal speed (V = C/√Dk).
• Df (Fator de dissipação): Afeta a integridade e a qualidade do sinal; um Df mais baixo significa menos perda de sinal.
• Resistividade superficial/volumétrica: mede o desempenho condutivo.

Parâmetros mecânicos:

• Resistência à flexão e resistência ao descolamento
• Absorção de água: afeta a estabilidade e a confiabilidade do substrato. A umidade pode aumentar o Dk e o risco de delaminação (“popcorning”).

4. Fluxo do processo de fabricação de placas de circuito impresso de precisão

A fabricação de placas de circuito impresso segue uma sequência rigorosa:

1. Aquisição de imagens da camada interna → 2. Laminação fotorresistente → 3. Exposição → 4. Desenvolvimento → 5. Gravura → 6. Resistência à tira → 7. Empilhamento de camadas → 8. Laminação → 9. Perfuração → 10. Revestimento (PTH) → 11. Laminação resistente da camada externa → 12. Exposição → 13. Desenvolvimento → 14. Revestimento padrão (Cu/Sn) → 15. Resistência à tira → 16. Gravura → 17. Tira de estanho → 18. Serigrafia/Impressão de legendas → 19. Acabamento da superfície

5. Comparação abrangente dos tratamentos de acabamento de superfícies