As placas de circuitos impressos (PCB) são os principais componentes dos dispositivos electrónicos modernos e podem ser classificadas em PCB de camada única, camada dupla e multicamadas com base no número de camadas condutoras. Entre estas, as PCB de camada única e de camada dupla são os tipos mais fundamentais e amplamente utilizados. Compreender as suas diferenças é crucial para os engenheiros de conceção eletrónica, decisores de compras e amadores. Este artigo fornece uma análise aprofundada das distinções entre PCB de camada única e de camada dupla em termos de composição do material, processos de fabrico, considerações de conceção e áreas de aplicação típicas, ajudando os leitores a fazer escolhas informadas com base nos requisitos do projeto.
Diferenças na composição do material
Estrutura material das placas de circuito impresso de camada única
As placas de circuito impresso de camada única (PCB de uma face) são o tipo mais simples de placas de circuito impresso, com uma estrutura material relativamente simples:
- Material do substrato: Normalmente, a resina epóxi vítrea FR-4, o material de base mais comummente utilizado, oferece uma boa resistência mecânica e propriedades de isolamento. Para aplicações de baixo custo, pode também ser utilizada resina fenólica (FR-1 ou FR-2).
- Camada condutora: Apenas um lado do substrato é laminado com uma folha de cobre eletrolítico de 35μm (1oz) ou 18μm (0,5oz) de espessura, que forma a base do padrão do circuito.
- Camada de proteção: A superfície da folha de cobre é coberta com uma máscara de solda (geralmente verde) para evitar a oxidação e os curto-circuitos. A camada superior é a serigrafia, utilizada para marcar as posições dos componentes e as etiquetas.
- Acabamento da superfície: As opções comuns incluem HASL (Hot Air Solder Leveling), OSP (Organic Solderability Preservative) ou uma simples proteção com resina.
Composição dos materiais dos PCB de dupla camada
Os PCB de dupla camada (PCB de dupla face) têm uma estrutura material mais complexa:
- Material do substrato: Também maioritariamente FR-4, mas com requisitos mais elevados de estabilidade dimensional para garantir a exatidão do alinhamento entre as duas faces.
- Camada condutora: Ambos os lados do substrato são laminados com folha de cobre, normalmente com 35μm ou 18μm de espessura. No entanto, as aplicações topo de gama podem utilizar uma folha de cobre mais espessa (por exemplo, 2oz) para uma maior capacidade de transporte de corrente.
- Ligação entre camadas: Os orifícios de passagem revestidos (PTH) são utilizados para estabelecer ligações eléctricas entre as camadas superior e inferior, o que constitui a diferença mais significativa em relação aos PCB de camada única.
- Camada de isolamento: O núcleo é o próprio substrato, mas deve ser dada atenção à fiabilidade do isolamento entre as vias e o substrato.
- Proteção e acabamento: Ambos os lados têm máscara de solda e camadas de serigrafia. Os acabamentos de superfície podem incluir opções mais precisas como ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) ou Immersion Silver.
Comparação do custo do material: O custo do material das placas de circuito impresso de camada dupla é normalmente 30-50% mais elevado do que o das placas de circuito impresso de camada única, principalmente devido ao processo adicional de via e ao processamento de dupla face.
Comparação do processo de fabrico
Processo de produção de placas de circuito impresso de camada única
O processo de fabrico de placas de circuito impresso de camada única é relativamente simples:
- Preparação do substrato: Cortar o laminado revestido a cobre com a dimensão pretendida.
- Perfuração: Apenas são necessários orifícios de montagem; não são necessários orifícios de passagem.
- Transferência de padrões: O padrão do circuito é transferido para a superfície do cobre através de serigrafia ou fotolitografia.
- Gravura: As soluções químicas removem as folhas de cobre não desejadas para formar os traços do circuito.
- Aplicação da máscara de solda: A tinta da máscara de solda é impressa e curada.
- Acabamento da superfície: HASL, OSP, ou outros tratamentos são aplicados conforme necessário.
- Marcação serigráfica: São adicionadas etiquetas de posição de componentes.
- Testes e inspecções: Normalmente limitado a uma inspeção visual e a um teste de continuidade básico.
Processo de fabrico de placas de circuito impresso de camada dupla
O processo para PCB de camada dupla é mais complexo, com diferenças importantes que incluem:
- Preparação do substrato de dupla face: Assegurar uma qualidade inicial uniforme da folha de cobre em ambos os lados.
- Processamento do furo de alinhamento: São efectuados furos de alinhamento de precisão para garantir o registo de camada a camada.
- Perfuração: Tanto os orifícios de passagem como os orifícios de montagem são perfurados, com diâmetros potencialmente mais pequenos.
- Metalização de furos: Etapa crítica em que as camadas condutoras são formadas nas paredes do orifício através de deposição química e galvanoplastia.
- Transferência de padrões de dupla face: Os padrões são transferidos para ambos os lados simultaneamente ou sequencialmente, exigindo uma elevada precisão de alinhamento (tipicamente ±0,05mm).
- Gravura: As duas faces são gravadas simultaneamente, o que exige um controlo uniforme da gravação.
- Aplicação da máscara de solda: Os dois lados são processados separadamente.
- Acabamento de superfícies: Podem ser utilizados tratamentos de superfície mais precisos.
- Testes exaustivos: Os testes eléctricos (por exemplo, teste de sonda voadora) são normalmente realizados para garantir o desempenho da condutividade e do isolamento.
Diferença de complexidade do processo: As placas de circuito impresso de camada dupla requerem passos fundamentais adicionais, como a metalização de orifícios e o alinhamento de dupla face, o que resulta num ciclo de produção que é normalmente 20-30% mais longo do que o das placas de circuito impresso de camada única e numa taxa de defeitos relativamente mais elevada.
Considerações sobre a conceção
Pontos-chave de design para PCBs de camada única
Ao conceber placas de circuito impresso de camada única, devem ser considerados os seguintes factores:
- Estratégia de encaminhamento: Todos os traços devem ser completados numa única camada, o que pode exigir a utilização de jumpers para resolver os cruzamentos.
- Colocação de componentes: Os componentes só podem ser montados de um lado, o que exige uma disposição optimizada para evitar aglomerações.
- Conceção da ligação à terra: Emprega frequentemente um conceito de "plano de terra", utilizando grandes áreas de cobre para estabilidade.
- Controlo da largura do traço: Deve ser calculada uma largura de traço suficiente com base na carga atual para evitar o sobreaquecimento.
- Apuramento: Assegurar um espaçamento adequado entre os traços e as almofadas (tipicamente ≥0,2 mm).
- Limites de fabrico: Compreender as capacidades mínimas de largura/espaçamento de traços do fabricante (normalmente 0,15 mm/0,15 mm).
Diretrizes de design para PCBs de camada dupla
Os PCB de camada dupla oferecem uma maior flexibilidade de conceção, mas introduzem novas considerações:
- Atribuição de camadas: Normalmente, a camada superior é utilizada para componentes e traços de sinal principais, enquanto a camada inferior é utilizada para planos de terra e distribuição de energia.
- Através da utilização: Planear razoavelmente as localizações e as quantidades para evitar uma densidade desigual.
- Integridade do sinal: Preste atenção aos caminhos de retorno dos sinais de alta velocidade para reduzir a diafonia entre camadas.
- Gestão térmica: Considerar a condução de calor entre camadas e acrescentar vias térmicas, se necessário.
- Conceção EMC: Utilizar planos de terra para proteger sinais sensíveis e reduzir a radiação electromagnética.
- Requisitos de fabrico: Especificar através de rácios de aspeto (espessura da placa: diâmetro do furo, normalmente ≤8:1) e requisitos mínimos de anel anular.
Diferenças entre as ferramentas de conceção: As PCB de camada dupla requerem normalmente ferramentas de EDA mais profissionais, como o Altium Designer ou a Cadence, ao passo que as PCB simples de camada única podem frequentemente ser concebidas utilizando o Eagle ou o KiCad.
Áreas de aplicação
Aplicações típicas de PCBs de camada única
Devido às suas vantagens em termos de custos e funcionalidade básica, os PCB de camada única são amplamente utilizados:
- Eletrónica de consumo: Brinquedos simples, calculadoras e comandos à distância.
- Dispositivos de iluminação: Controladores LED, quadros de controlo de lâmpadas economizadoras de energia.
- Aparelhos básicos: Painéis de controlo para panelas de arroz, máquinas de lavar roupa, etc.
- Módulos de potência: Conversores AC/DC de baixa potência, reguladores lineares.
- Ferramentas educativas: Kits de aprendizagem eletrónica, placas de experiências básicas.
- Eletrónica automóvel: Interfaces simples de sensores, controlos de iluminação interior.
Critérios de adequação: As placas de circuito impresso de camada única são normalmente uma escolha económica quando o circuito tem menos de 20 componentes, não tem um encaminhamento de crossover denso e funciona abaixo de 10MHz.
Principais aplicações das placas de circuito impresso de camada dupla
Os PCB de camada dupla desempenham um papel vital nos sistemas electrónicos mais complexos:
- Controlo industrial: Módulos PLC, accionadores de motores.
- Equipamento de comunicação: Placas de base para routers, switches.
- Hardware informático: Módulos de memória, cartões de expansão.
- Dispositivos médicos: Circuitos de base para monitores de doentes, aparelhos de diagnóstico.
- Eletrónica automóvel: ECUs (Unidade de Controlo do Motor), sistemas de informação e lazer.
- Dispositivos IoT: Nós sensores, módulos de comunicação sem fios.
- Equipamento áudio: Amplificadores, misturadores.
Considerações sobre a atualização: Considere a transição de PCBs de camada única para PCBs de camada dupla quando se deparar com os seguintes cenários:
- O encaminhamento de camada única não pode completar todas as ligações.
- É necessário melhorar a ligação à terra e a distribuição de energia.
- A frequência do sinal é superior a 10 MHz.
- O desempenho EMI/EMC deve ser controlado.
- O espaço é limitado, mas é necessária uma elevada densidade de componentes.
Comparação dos principais desempenhos
Diferenças de desempenho elétrico
- Integridade do sinal: As PCB de camada dupla podem reduzir o ruído através dos planos de terra, proporcionando planos de referência mais estáveis.
- Controlo de impedância: Os PCB de camada dupla facilitam a conceção de impedâncias controladas (por exemplo, estruturas de microfita).
- Supressão de diafonia: A disposição correta das camadas em PCB de camada dupla pode reduzir os riscos de diafonia.
- Integridade da energia: Os PCB de camada dupla podem dedicar uma camada às redes de distribuição de energia.
Desempenho mecânico e térmico
- Resistência estrutural: Os PCB de camada dupla têm geralmente uma melhor resistência mecânica devido aos orifícios de passagem revestidos.
- Condução térmica: As placas de circuito impresso de camada dupla permitem a transferência de calor entre camadas através de vias, melhorando a dissipação de calor.
- Estabilidade dimensional: Os PCB de camada dupla impõem requisitos mais elevados ao CTE (Coeficiente de Expansão Térmica) do substrato.
Fiabilidade e tempo de vida
- Adaptabilidade ambiental: Os PCB de camada dupla utilizam normalmente acabamentos de superfície mais rigorosos para uma melhor resistência à corrosão.
- Resistência à vibração: A soldadura de dupla face e os orifícios de passagem revestidos proporcionam uma montagem mais segura dos componentes.
- Fiabilidade a longo prazo: O encaminhamento redundante em placas de circuito impresso de camada dupla melhora a tolerância a falhas.
Análise custo-benefício
Comparação do custo inicial
- Custo do material: As placas de circuito impresso de dupla camada são 30-50% mais caras em termos de materiais.
- Custo de fabrico: Devido à complexidade do processo, as taxas de processamento de PCB de camada dupla podem ser 1,5-2 vezes superiores às de camada única.
- Custo de conceção: Os PCB de camada dupla requerem normalmente ciclos de conceção e tempos de verificação mais longos.
Considerações sobre o valor a longo prazo
- Eficiência de montagem: A maior densidade de componentes nas placas de circuito impresso de dupla camada pode reduzir o tamanho total do produto.
- Custos de manutenção: Os desenhos de PCB de camada dupla são geralmente mais fiáveis, reduzindo as taxas de reparação pós-venda.
- Potencial de atualização: Os PCB de camada dupla oferecem mais espaço para futuras expansões funcionais.
Impacto do volume: Para a produção em grande escala (>1000 unidades), o aumento relativo do custo dos PCB de dupla camada diminui significativamente.
Tendências de desenvolvimento futuro
Direcções de inovação para PCB de camada única
- Placas flexíveis de camada única: Aplicações alargadas em dispositivos portáteis.
- Maior densidade: Capacidade melhorada da placa de camada única através da tecnologia de linha fina (por exemplo, largura de traço de 3 mil).
- Materiais ecológicos: Utilização de substratos sem halogéneos e de materiais recicláveis.
Avanços tecnológicos em PCBs de camada dupla
- Tecnologia Microvia: A perfuração a laser permite interligações de maior densidade.
- Componentes incorporados: Os componentes passivos são incorporados entre camadas para poupar espaço.
- Materiais híbridos: Combinação de materiais de alta frequência com FR-4 normal.
Conclusão e recomendações de seleção
As PCB de camada única e de camada dupla têm cada uma vantagens e cenários de aplicação únicos. Os PCB de camada única continuam a ser importantes na eletrónica básica devido ao seu custo extremamente baixo e fabrico simplificado. Entretanto, os PCB de camada dupla satisfazem as necessidades de sistemas electrónicos mais complexos, fornecendo camadas de encaminhamento adicionais e um melhor desempenho elétrico.
Árvore de decisão de seleção:
- Avaliar a complexidade dos circuitos - os circuitos simples privilegiam uma única camada.
- Analisar os requisitos do sinal - sinais de alta frequência ou sensíveis necessitam de uma camada dupla.
- Calcular as restrições de custos - os orçamentos rigorosos tendem para a camada única.
- Considere que os designs com restrições de tamanho e de espaço dos produtos beneficiam de uma camada dupla.
- Estimar o volume de produção - grandes volumes podem compensar os custos adicionais dos PCB de dupla camada.
À medida que a tecnologia eletrónica avança, os PCB de camada dupla estão a tornar-se comuns em muitos campos, mas os PCB de camada única mantêm vantagens de custo em aplicações específicas. Os projectistas devem ponderar o desempenho, o custo e a capacidade de fabrico com base nos requisitos do projeto para fazerem as melhores escolhas.