De que são feitas as placas de circuito? Guia do fabricante de PCB para materiais de placa

Pergunte à maioria dos engenheiros do que é feita uma placa de circuito e você receberá uma única palavra: fibra de vidro. Essa resposta está correta, mas cobre apenas a primeira camada de uma história mais longa. Uma placa de circuito impresso é uma pilha de materiais cuidadosamente projetada e cada um deles precisa merecer seu lugar. O substrato dá à placa o seu corpo e o seu isolamento eléctrico, o cobre transporta a corrente, a máscara de solda protege a superfície e o acabamento final mantém o cobre soldável durante anos.

Fabricamos placas em nossas instalações de Guangde desde 2013, desde painéis simples de um lado até pilhas de 32 camadas, por isso tendemos a responder a essa pergunta da mesma forma que um fabricante o faz. A verdadeira questão não é do que é feito um PCB em geral, mas qual combinação de materiais sobreviverá ao ambiente do seu produto durante sua vida útil esperada.

Os principais ingredientes de uma placa de circuito

Tire o jargão e quase todas as placas serão construídas com a mesma pequena lista de materiais:

• Substrato: a base isolante, geralmente tecida em fibra de vidro colada com resina epóxi.
• Folha de cobre: ​​laminada no substrato e gravada em traços, almofadas e planos.
• Chapeamento: cobre, e às vezes estanho ou ouro, depositado dentro de furos para ligar as camadas.
• Máscara de solda: o revestimento colorido que cobre tudo, exceto as almofadas que você precisa soldar.
• Silkscreen: legenda impressa que identifica componentes e designadores de referência.
• Acabamento de superfície: uma fina camada metálica ou orgânica que impede a oxidação do cobre exposto.

Cada um desses materiais pode ser trocado, atualizado ou engrossado, e cada substituição altera o custo, a capacidade de fabricação e a confiabilidade em campo ao mesmo tempo.

O substrato: pano de vidro, resina e as alternativas

O padrão FR-4 começa com tecido de vidro tecido. O pano é impregnado com resina epóxi e parcialmente curado em uma folha chamada pré-impregnada, depois empilhada e prensada sob calor e pressão até que a resina flua e endureça. O resultado é rígido, dimensionalmente estável e um excelente isolante: o vidro fornece resistência mecânica enquanto a resina define o comportamento elétrico e térmico.

A partir desse ponto de partida, a família se ramifica rapidamente:

• FR-4 em graus padrão, de alta Tg e sem halogênio, o carro-chefe da indústria.
• CEM-1 e CEM-3, epóxis compostos com núcleo de vidro não tecido para produtos sensíveis ao custo.
• FR-1 e FR-2, laminados à base de papel utilizados em placas unilaterais de baixíssimo custo.
• Filme de poliimida, a base flexível para designs FPC e rígido-flexíveis que precisam ser dobrados.
• Laminados de hidrocarbonetos preenchidos com cerâmica e PTFE, escolhidos quando a perda de sinal deve permanecer baixa em frequências gigahertz.

A maioria das compensações importantes reside no sistema de resina e não no cobre. A temperatura de transição vítrea, a temperatura de decomposição, a constante dielétrica e a absorção de umidade vêm da química do laminado.

PCB OSP de dupla face Os PCBs FR4 utilizam um substrato de fibra de vidro de resina epóxi, oferecendo excelente resistência mecânica, resistência a altas temperaturas e propriedades de isolamento elétrico. Eles... Ver Produto →

Uma placa FR-4 dupla-face com acabamento OSP é o exemplo do dia a dia: laminado padrão, espessura padrão e um acabamento adequado para soldagem por refluxo de alto volume sem adicionar custos.

Cobre: a parte que transporta a corrente

O cobre é o segundo ingrediente essencial. A folha é especificada por peso, e vale a pena memorizar a conversão: uma onça de cobre espalhada por um pé quadrado tem aproximadamente 35 mícrons de espessura. Projetos digitais de densidade fina geralmente são executados em folhas de meia onça ou 30 gramas, as placas de energia chegam a 60 gramas e o trabalho em cobre pesado chega a 90 gramas ou mais.

O cobre aparece em mais lugares do que nos vestígios visíveis. Durante a fabricação, cobre adicional é galvanizado em cada furo perfurado para formar uma parede contínua do cilindro, e as camadas externas são revestidas com padrão antes da gravação. A qualidade desse revestimento, e não apenas a sua espessura, decide se uma via sobrevive a repetidos ciclos térmicos.

Quando a demanda atual aumenta, a resposta geralmente é mais cobre, em vez de mais área de placa. As construções de cobre pesado distribuem a carga pelas camadas internas, o que mantém o aumento da temperatura sob controle sem um dissipador de calor externo.

Cobre de 14 camadas PCBs de cobre espesso utilizam folha de cobre ultra-espessa variando de 3 onças a 20 onças, ostentando excepcional capacidade de transporte de corrente (mais de 100 A) e resistência a altas temperaturas. Ver Produto →

Quando a fibra de vidro é a escolha errada

O FR-4 responde à maioria das perguntas, mas três famílias materiais assumem o controle quando não é possível.

Placas com núcleo de metal e núcleo de cobre

O alumínio é usado como base quando o calor precisa sair rapidamente da placa. Uma fina camada dielétrica é ligada ao alumínio, circuitos de cobre são gravados na parte superior e o suporte de metal atua como um dissipador de calor. As versões com núcleo de cobre vão além, transportando densidades de corrente muito altas em iluminação LED, acionamentos de motor e conversão de energia. Por mais fina que seja, essa camada dielétrica ainda precisa reter a tensão total de trabalho, portanto, sua espessura e condutividade térmica são os dois números que vale a pena verificar primeiro.

PCB de alumínio unilateral Os substratos metálicos utilizam alumínio, cobre e outros metais como sua camada central termicamente condutora. Um dielétrico isolante especializado alcança dissipação de calor superior... Ver Produto →

Substratos cerâmicos

A alumina e o nitreto de alumínio proporcionam uma condutividade térmica que nenhum laminado polimérico pode igualar, juntamente com um coeficiente de expansão térmica próximo ao do silício. Eles aparecem em módulos LED de alta potência, estágios de potência de RF e sensores que devem continuar funcionando mesmo com grandes oscilações de temperatura.

Filmes flexíveis

A poliimida substitui o pano de vidro quando a placa precisa dobrar. Aplicam-se as mesmas regras de cobre e acabamento, apenas muda a base e com ela as regras de manuseio durante a montagem.

Máscara de solda, serigrafia e acabamentos de superfície

A máscara de solda é um revestimento à base de epóxi aplicado sobre a placa e depois curado. Ele impede que a solda se conecte entre as almofadas, protege o cobre da umidade e da contaminação e dá à placa sua cor familiar. O verde é tradicional porque tem o histórico mais longo em imagens e inspeção, mas o preto, o azul, o vermelho e o preto fosco são rotina hoje em dia. A tinta serigráfica é impressa na parte superior da máscara para marcar as referências e a polaridade dos componentes e, embora não transporte corrente, é a primeira coisa em que um operador de montagem confia.

O acabamento superficial é a última decisão do material e uma das mais importantes. O nivelamento de solda por ar quente é a opção de baixo custo, o OSP é orgânico e desbota após alguns refluxos, e o ENIG ou prata de imersão fornece uma superfície plana para peças de passo fino. Onde uma placa é inserida e removida repetidamente, o ouro duro é a resposta. Todos os nossos acabamentos estão disponíveis em versões sem chumbo.

Visão geral dos materiais da placa de circuito

A tabela abaixo resume os sistemas materiais que construímos com mais frequência e do que cada um é feito.

Como o aplicativo escolhe o material

A seleção de materiais raramente é uma escolha livre. Segue o ambiente em que o conselho viverá.

Produtos de consumo e eletrodomésticos

Onde o custo domina, o padrão FR-4 ou CEM-3 com acabamento HASL ou OSP geralmente é suficiente.

Controle automotivo e industrial

Vibração, ciclagem térmica e longa vida útil levam os projetos a laminados de alta Tg, cobre mais espesso e acabamentos como ENIG que sobrevivem a refluxos repetidos.

Projetos de potência e alta frequência

O gerenciamento térmico e a integridade do sinal têm prioridade, o que significa materiais com núcleo de metal, cerâmica ou à base de PTFE, em vez de uma placa de vidro mais espessa.

Se você não tiver certeza de onde seu produto está, será útil ver como placas semelhantes já estão sendo construídas. Você pode navegar as áreas de aplicação que apoiamos para ver as combinações de materiais já comprovadas em cada segmento.

Notas práticas do chão de fábrica

Algumas coisas que dizemos aos clientes que estão escolhendo materiais pela primeira vez:

1. Escolha o acabamento antes que o layout seja congelado, pois a geometria da almofada e da via tenda dependem disso.
2. Combine o peso do cobre com o atual, não com o hábito, já que o cobre superdimensionado aumenta a dificuldade e o custo da gravação.
3. Pergunte sobre Tg com antecedência, porque um laminado de alta Tg custa um pouco mais e elimina toda uma classe de falhas de campo.
4. Confirme o desenho empilhado antes do lançamento, pois a maioria dos atrasos começa como uma camada ausente ou ambígua.

Se você quiser uma visão mais aprofundada de como a escolha do laminado, o peso do cobre e o acabamento interagem, nosso guia para selecionando materiais FR-4, RF e núcleo metálico analisa as comparações com mais detalhes.

Então, do que são feitas as placas de circuito? Pano de vidro e resina epóxi, folha de cobre e barris folheados, máscara de solda, legenda impressa e acabamento final que mantém tudo soldável. A parte interessante não é a lista em si, mas a forma como esses materiais são adequados ao trabalho. Acerte a combinação e o conselho fará seu trabalho silenciosamente por uma década ou mais.