Todas as placas de circuito impresso multicamadas são construídas com base em dois materiais fundamentais: o núcleo e o pré-impregnado. Embora raramente sejam visíveis no produto acabado, desempenham um papel fundamental na determinação da espessura da placa, do espaçamento entre camadas, do controlo da impedância, da estabilidade mecânica e da fiabilidade do processo de fabrico.
Quer se trate da produção de uma placa simples de 4 camadas ou de um backplane complexo com um elevado número de camadas, compreender como os materiais do núcleo e os pré-impregnados interagem entre si é essencial para a conceção da estrutura e a fabricação de placas de circuito impresso (PCB).
Índice
O que é o material do núcleo de uma placa de circuito impresso (PCB)?
O material do núcleo é um laminado totalmente curado com uma folha de cobre colada em ambos os lados.
Constitui a base estrutural de uma placa de circuito impresso multicamadas e proporciona rigidez durante o fabrico.
Um núcleo típico é composto por:
- Reforço de fibra de vidro
- Sistema de resina
- Folha de cobre em ambas as superfícies
A construção é semelhante à dos materiais laminados padrão abordados em Explicação sobre os materiais laminados para PCB, só que a resina já concluiu o processo de cura.
Os materiais do núcleo estão disponíveis numa vasta gama de espessuras para responder a diferentes requisitos de empilhamento.
Funções do material do núcleo
As camadas centrais proporcionam:
- Resistência mecânica
- Isolamento elétrico
- Suporte de cobre
- Estabilidade dimensional
Sem núcleos, as placas multicamadas não manteriam a sua integridade estrutural durante a laminação e a montagem.
O que é o prepreg para PCB?
Prepreg significa «material pré-impregnado».
É constituído por tecido de fibra de vidro impregnado com resina parcialmente curada.
Ao contrário do material do núcleo, o pré-impregnado permanece num estado semi-curado antes da laminação.
Durante o processo de laminação da placa de circuito impresso (PCB), o calor e a pressão fazem com que a resina flua e cure completamente, unindo as camadas adjacentes.
Uma camada de pré-impregnado contém normalmente:
- Tecido de fibra de vidro
- Resina epóxi parcialmente curada
- Sem folha de cobre
O seu principal objetivo é criar aderência entre as camadas centrais.
Como o núcleo e o pré-impregnado funcionam em conjunto
Uma placa de circuito impresso multicamadas é, essencialmente, uma pilha de camadas de cobre separadas por núcleos e pré-impregnados.
Por exemplo, uma configuração típica de 4 camadas pode ter o seguinte aspeto:
Cobre
Núcleo
Cobre
Prepreg
Cobre
Núcleo
CobreDurante a laminação:
- O pré-impregnado amolece.
- A resina penetra nas fendas.
- As camadas estão unidas entre si.
- A resina solidifica completamente.
- Forma-se uma única estrutura rígida.
Este processo cria a estrutura de PCB multicamadas utilizada na eletrónica moderna.
Materiais do Common Core
Núcleo FR4 padrão
A maioria das placas de circuito impresso multicamadas utiliza materiais de núcleo FR4.
As vantagens incluem:
- Baixo custo
- Boa resistência mecânica
- Características de processamento estáveis
- Ampla disponibilidade
No que diz respeito à eletrónica de uso geral, o FR4 continua a ser a opção mais utilizada.
Os engenheiros que não estejam familiarizados com as propriedades do FR4 podem consultar Explicação sobre o material FR4 para placas de circuito impresso para obter mais informações.
Materiais de núcleo com elevado TG
As aplicações que envolvem temperaturas mais elevadas recorrem frequentemente a núcleos com TG elevado.
As vantagens incluem:
- Maior estabilidade térmica
- Expansão reduzida no eixo Z
- Maior fiabilidade durante a montagem sem chumbo
Estes materiais encontram-se habitualmente em:
- Eletrónica automóvel
- Controlos industriais
- Sistemas de conversão de energia
- Servidores
Conforme discutido em PCB FR4 com elevado TG, valores mais elevados de TG podem melhorar significativamente a fiabilidade a longo prazo.
Materiais para núcleos de alta velocidade
Os equipamentos de comunicação modernos utilizam frequentemente núcleos especializados de baixa perda.
Os exemplos incluem:
- Série Megtron
- Materiais de alta velocidade Isola
- Laminados I-Speed
- Sistemas FR4 de baixa perda
Estes materiais ajudam a manter a integridade do sinal a elevadas taxas de transmissão de dados.
Tipos comuns de pré-impregnados
Os pré-impregnados são geralmente classificados de acordo com o tipo de fibra de vidro e o teor de resina.
Os estilos mais comuns de fibra de vidro incluem:
- 106
- 1080
- 2113
- 2116
- 7628
Cada modelo apresenta diferentes espessuras e características da resina.
Prepreg com baixo teor de resina
Ofertas:
- Melhoria no controlo da espessura
- Fluxo reduzido de resina
- Maior estabilidade dimensional
Frequentemente utilizado em placas de circuito impresso com um elevado número de camadas.
Prepreg com elevado teor de resina
Estabelece:
- Maior capacidade de enchimento
- Melhoria da aderência
- Espaçamento dielétrico reforçado
Normalmente utilizado em casos em que existem elementos de cobre de maiores dimensões.
Núcleo e pré-impregnado no controlo de impedância
Uma das funções mais importantes dos materiais de núcleo e pré-impregnados é a gestão da impedância.
A impedância do sinal depende de:
- Constante dielétrica (Dk)
- Espaçamento entre camadas
- Espessura do cobre
- Geometria do traço
A espessura do núcleo ou do pré-impregnado afeta diretamente a distância entre as camadas de sinal e os planos de referência.
Mesmo pequenas alterações podem ter um impacto significativo nos valores de impedância controlada.
Por este motivo, a conceção da empilhagem e a seleção dos materiais devem ser coordenadas desde o início do projeto.
As futuras discussões sobre as propriedades dielétricas serão abordadas em Valores de Dk e Df nos materiais de PCB.
Seleção de materiais para placas de circuito impresso multicamadas
É necessário ter em conta vários fatores na seleção dos materiais do núcleo e dos pré-impregnados.
Desempenho elétrico
As aplicações que envolvem sinais de alta velocidade exigem propriedades dielétricas estáveis.
Requisitos térmicos
Temperaturas de funcionamento mais elevadas podem exigir sistemas com TG elevado.
Espessura da placa
As combinações de núcleo e pré-impregnado determinam a espessura final da placa de circuito impresso.
Capacidade de fabrico
Certos materiais exigem perfis de laminação especializados e controlos de processamento específicos.
Considerações sobre os custos
A escolha dos materiais deve estar em consonância com os requisitos de desempenho, em vez de se optar pela especificação mais elevada disponível.
Desafios comuns durante a laminação
A escolha inadequada dos materiais pode dar origem a vários problemas de fabrico.
Falta de resina
Um fluxo insuficiente de resina pode causar vazios ou uma ligação fraca.
Fluxo excessivo de resina
Um movimento excessivo da resina pode alterar o espaçamento dielétrico e afetar a impedância.
Delaminação
Uma compatibilidade inadequada entre os materiais pode provocar a separação das camadas durante os ciclos térmicos.
Variação da espessura
A escolha incorreta do pré-impregnado pode resultar numa espessura irregular da placa acabada.
Os fabricantes experientes de placas de circuito impresso (PCB) avaliam estes fatores durante o desenvolvimento da configuração da placa, a fim de minimizar os riscos de produção.
Por que razão a compatibilidade dos materiais é importante
Os materiais de núcleo e pré-impregnados são frequentemente adquiridos junto do mesmo fabricante de laminados.
A adequação dos sistemas de materiais contribui para garantir:
- Expansão térmica consistente
- Ligação fiável
- Desempenho dielétrico estável
- Melhoria do rendimento de produção
A utilização de materiais incompatíveis pode suscitar preocupações em termos de fiabilidade ao longo da vida útil do produto.
FAQ
R: O material do núcleo está totalmente curado e contém uma folha de cobre em ambos os lados. O pré-impregnado está parcialmente curado e funciona como camada de ligação durante a laminação.
R: Sim. A espessura do pré-impregnado e as suas propriedades dielétricas influenciam diretamente os valores de impedância e o desempenho do sinal.
R: Sim. Muitas estruturas multicamadas utilizam vários tipos de pré-impregnados para cumprir requisitos específicos em termos de espessura e propriedades elétricas.
R: Um fluxo adequado da resina garante uma ligação completa entre as camadas e ajuda a evitar vazios ou delaminação.
R: Sim. O prepreg é essencial para unir as camadas do núcleo durante o processo de laminação.