Fluxo do processo de fabricação de PCBs

No mundo de hoje, onde os dispositivos eletrônicos são onipresentes, as PCBs (Placas de Circuito Impresso) funcionam como o "esqueleto" e o "sistema nervoso" dos produtos eletrônicos, com seus processos de fabricação afetando diretamente o desempenho e a confiabilidade do produto. Seja você um engenheiro eletrônico, especialista em compras ou simplesmente interessado na fabricação de PCBs, é essencial compreender o fluxo de trabalho completo de fabricação de PCBs. Este artigo o guiará por cada etapa crítica da produção de PCBs, desde as matérias-primas até o produto acabado, abordando os desafios de fabricação mais comuns.

Detalhamento do núcleo Fabricação de PCB Processos

1. Corte de painel (CUT): O ponto de partida da precisão

O corte de painéis marca a primeira etapa da fabricação de PCBs e forma a base para os processos subsequentes. Embora pareça simples, ele envolve várias considerações técnicas:

• Seleção de materiais: Os materiais laminados revestidos de cobre comuns incluem FR-4 (epóxi de fibra de vidro), substratos de alumínio e materiais de alta frequência (por exemplo, Rogers), cada um exigindo diferentes parâmetros de corte
• Controle Dimensional: Corte preciso de acordo com as especificações do projeto para as dimensões de UNIT (circuito individual), SET (matriz em painel) e PANEL (painel de produção)
• Requisitos de precisão: A fabricação moderna de PCBs normalmente exige tolerâncias de corte de ±0,10 mm
• Tratamento de bordas: As bordas cortadas precisam ser rebarbadas para evitar que as bordas ásperas afetem os processos subsequentes

Principais considerações:

• Verifique o tipo de material, a espessura e o peso do cobre antes de cortar
• Leve em conta a expansão/contração do material em processos subsequentes ao determinar o tamanho do painel
• Manter um ambiente de trabalho limpo para evitar a contaminação da superfície
• Armazene materiais diferentes separadamente para evitar misturas

2. Geração de imagens de filme seco de camada interna: Criação de padrões de circuito precisos

O processo de filme seco da camada interna é crucial para a transferência precisa de padrões de design para substratos de PCB, consistindo em vários subprocessos:

Preparação da superfície (limpeza do painel)

• Combina limpeza química com abrasão mecânica
• Remove a oxidação e cria uma microrugosidade para melhorar a adesão do filme seco
• Parâmetros típicos: Marcas de esfregaço de 5-10 mm, rugosidade Ra 0,3-0,5 μm

Laminação de filme seco

• Une termicamente o filme seco fotossensível à superfície de cobre
• Controle de temperatura: Tipicamente 100-120°C
• Controle de pressão: Aproximadamente 0,4-0,6MPa
• Controle de velocidade: 1,0-1,5 m/min

Exposição

• Usa luz UV (comprimento de onda de 365 nm) para curar seletivamente o filme seco por meio da ferramenta fotográfica
• Controle de energia: 5-10mJ/cm²
• Precisão de registro: Dentro de ±25μm

Desenvolvimento

• Usa a solução de carbonato de sódio 1% para dissolver o filme seco não curado
• Controle de temperatura: 28-32°C
• Pressão de pulverização: 1,5 a 2,5 bar

Gravura

• Usa uma solução ácida de cloreto de cobre (CuCl2+HCl) para dissolver o cobre exposto
• Fator de corrosão (controle de corrosão lateral) >3,0
• Uniformidade da espessura do cobre dentro de ±10%

Faixa

• Usa solução de hidróxido de sódio 3-5% para remover a película protetora seca
• Controle de temperatura: 45-55°C
• Controle de tempo: 60-90 segundos

Recomendações de design:

• Traço/espaço mínimo da camada interna ≥ 3 mil (0,075 mm)
• Evite características de cobre isoladas para evitar o excesso de gravação
• Distribuir o cobre uniformemente para evitar o empenamento da laminação
• Adicionar margem de projeto para traços de sinais críticos

3. Tratamento com óxido marrom: Aprimoramento da ligação entre camadas

O tratamento com óxido marrom é essencial para a fabricação de PCBs multicamadas, melhorando principalmente a adesão entre o cobre da camada interna e o pré-impregnado (PP):

• Reação química: Forma uma camada de complexo orgânico-metálico micro-retalhado na superfície do cobre
• Controle de Processo:
• Temperatura: 30-40°C
• Tempo: 1,5 a 3 minutos
• Aumento da espessura do cobre: 0,3-0,8μm
• Verificação de qualidade:
• Uniformidade de cores
• Teste de ângulo de contato com a água (deve ser ≥30°)
• Teste de resistência ao descolamento (≥1,0N/mm)

Problemas comuns:

• Um tratamento insuficiente pode causar delaminação após a laminação
• O tratamento excessivo cria uma rugosidade excessiva, afetando a integridade do sinal
• Os painéis processados devem ser laminados em até 8 horas

4. Laminação: Formação de estruturas multicamadas

A laminação une vários núcleos de camada interna com pré-impregnado (PP) sob calor e pressão para criar estruturas multicamadas:

• Preparação de material:
• Folha de cobre (normalmente 1/3 oz ou 1/2 oz)
• Prepreg (por exemplo, 1080, 2116, 7628 graus)
• Chapas de aço inoxidável, papel kraft e outros materiais auxiliares
• Parâmetros do processo:
• Temperatura: 170-190°C
• Pressão: 15-25 kg/cm²
• Tempo: 90 a 180 minutos (dependendo da espessura e da estrutura da placa)
• Controles críticos:
• Taxa de aquecimento: 2-3°C/min
• Taxa de resfriamento: 1-2°C/min
• Nível de vácuo: ≤100mbar

Considerações sobre o projeto:

• Manter o empilhamento simétrico (por exemplo, placa de 8 camadas: 1-2-3-4-4-3-2-1)
• Orientar os traços das camadas adjacentes perpendicularmente (por exemplo, horizontal em uma camada e vertical na camada adjacente)
• Use PP com alto teor de resina para placas de cobre pesadas
• Considerar o fluxo de material durante a laminação para projetos de via cega/enterrada

5. Perfuração: Criação de interconexões de precisão

A perfuração cria interconexões verticais entre as camadas de PCB, com a tecnologia moderna alcançando uma precisão excepcional:

• Tipos de brocas:
• Perfuração mecânica (para furos ≥0,15 mm)
• Perfuração a laser (para microvias e vias cegas)
• Parâmetros típicos:
• Velocidade do fuso: 80.000-150.000 RPM
• Taxa de alimentação: 1,5-4,0 m/min
• Taxa de retração: 10-20m/min
• Padrões de qualidade:
• Rugosidade da parede do furo ≤25μm
• Precisão da posição do furo ±0,05 mm
• Sem pontas de pregos ou rebarbas

Solução de problemas comuns:

• Paredes de furos ásperos: Otimizar os parâmetros de perfuração, usar materiais de entrada/backup adequados
• Furos entupidos: Melhorar a evacuação de cavacos, ajustar a sequência de perfuração
• Brocas quebradas: Verificar a qualidade da broca, otimizar as taxas de alimentação

6. Deposição de cobre sem eletrólise (PTH): Metalização de furos críticos

A deposição de cobre sem eletrólise cria camadas condutoras em paredes de orifícios não condutoras, o que é crucial para a confiabilidade da PCB:

Fluxo do processo de PTH

1. Desmear: Remove resíduos de resina da perfuração
2. Cobre sem eletrólito:

• Uma solução alcalina usando formaldeído como agente redutor
• Temperatura: 25-32°C
• Tempo: 15 a 25 minutos
• Espessura do cobre: 0,3-0,8μm

1. Revestimento de painéis:

• Solução ácida de sulfato de cobre
• Densidade de corrente: 1,5 a 2,5ASD
• Tempo: 30-45 minutos
• Espessura do cobre: 5-8μm

Requisitos de qualidade:

• Teste de luz de fundo ≥9 níveis (≥90% cobertura da parede do buraco)
• Teste de estresse térmico (288°C, 10 segundos) sem delaminação ou formação de bolhas
• Resistência do furo ≤300μΩ/cm

7. Transferência do padrão da camada externa

Semelhante à geração de imagens da camada interna, mas com etapas adicionais de revestimento:

1. Preparação da superfície: Limpeza, microcondicionamento (remove cobre de 0,5-1μm)
2. Laminação de filme seco: Usa filme seco resistente à laminação
3. Exposição: Usa LDI (Laser Direct Imaging) ou ferramenta fotográfica tradicional
4. Desenvolvimento: Cria um padrão de revestimento
5. Revestimento de padrões:

• Espessura do cobre: 20-25μm (total)
• Espessura do estanho: 3-5μm (como resistência à corrosão)

1. Faixa: Remove a resistência do revestimento
2. Gravura: Remove o cobre indesejado

Destaques técnicos:

• Compensação da largura do traço: Ajusta a largura do projeto com base na espessura do cobre (normalmente adiciona 10-20%)
• Uniformidade da galvanização: Use uma solução de alta potência de arremesso e uma configuração adequada do ânodo
• Controle de gravação lateral: Otimize os parâmetros de gravação para manter a precisão da largura do traço

8. Máscara de solda: Camada de proteção do circuito

A máscara de solda protege os circuitos e afeta a qualidade e a aparência da solda:

• Métodos de aplicação:
• Impressão em tela: Para requisitos de baixa precisão
• Revestimento em spray: Para formatos irregulares de placas
• Revestimento de cortina: Alta eficiência, excelente uniformidade
• Fluxo do processo:

1. Preparação da superfície (limpeza, desbaste)
2. Aplicação de máscara de solda
3. Pré-cozimento (75°C, 20-30 minutos)
4. Exposição (300-500mJ/cm²)
5. Desenvolvimento (solução de carbonato de sódio 1%)
6. Cura final (150°C, 30-60 minutos)

• Padrões de qualidade:
• Dureza ≥6H (dureza do lápis)
• Adesão: 100% aprovado no teste de fita da 3M
• Resistência da solda: 288°C, 10 segundos, 3 ciclos sem defeitos

Diretrizes de design:

• Ponte mínima de máscara de solda ≥0,1 mm
• Aberturas de área BGA: 0,05 mm maior do que as almofadas por lado
• Os dedos de ouro requerem cobertura de máscara de solda

9. Acabamento da superfície: equilíbrio entre soldabilidade e durabilidade

Diferentes acabamentos se adaptam a diferentes aplicações:

Guia de seleção:

• Eletrônicos de consumo padrão: HASL ou OSP
• Produtos de alta confiabilidade: ENIG
• Circuitos de alta velocidade: Imm Ag ou OSP
• Conectores de borda: Revestimento de ouro duro (1-3μm)

10. Roteamento: Fabricação de contornos de precisão

O processamento de contornos de PCB utiliza principalmente três métodos:

• Roteamento CNC:

• Precisão: ±0,10 mm
• Largura mínima do slot: 1,0 mm
• Raio do canto: ≥0,5 mm

• Pontuação em V:

• Ângulo: 30° ou 45°
• Espessura restante: 1/3 da espessura da placa (normalmente de 0,3 a 0,5 mm)
• Precisão de posição: ±0,10 mm

• Corte a laser:

• Precisão: ±0,05 mm
• Fenda mínima: 0,2 mm
• Sem estresse mecânico

Regras de design:

• Mantenha uma folga de ≥0,3 mm entre a borda da placa e os circuitos
• Inclua abas removíveis ou mordidas de mouse para projetos com painéis
• Fornecer arquivos DXF precisos para contornos irregulares
• Bordas chanfradas (normalmente de 20 a 45°) para tábuas de ouro

11. Testes elétricos: Controle de qualidade final

O teste de PCB garante a confiabilidade funcional:

• Métodos de teste:
• Sonda voadora: Adequado para produção de baixo volume e alta mistura
• Teste de fixação: Para produção de alto volume
• AOI (inspeção óptica automatizada): Inspeção suplementar
• Cobertura de testes:
• 100% continuidade líquida
• Teste de isolamento (normalmente 500 V CC)
• Teste de impedância (para placas de impedância controlada)

Resolução de problemas comuns:

• Aberturas: Verifique se há aberturas falsas (mau contato da sonda de teste)
• Curtas: Analisar a localização do short, verificar problemas de design
• Desvio de impedância: Verifique os parâmetros do material e o controle da largura do traço

12. Inspeção final e embalagem

A última etapa de verificação da qualidade:

• Itens de inspeção:
• Visual: arranhões, manchas, defeitos na máscara de solda
• Dimensionais: Espessura, contorno, tamanhos dos furos
• Marcação: Clareza da legenda e precisão da posição
• Funcional: Qualidade do revestimento do dedo de ouro, testes de impedância
• Métodos de embalagem:
• Embalagem a vácuo (anti-oxidação)
• Embalagem antiestática (para componentes sensíveis)
• Papel intercalado (evita arranhões na superfície)
• Bandejas personalizadas (para placas de alta precisão)

Padrões de envio:

• IPC-A-600G Classe 2 (comercial)
• IPC-A-600G Classe 3 (alta confiabilidade)
• Requisitos específicos do cliente

Perguntas frequentes sobre a fabricação de PCBs (Q&A)

P1: Por que minha placa de circuito impresso apresenta descascamento de cobre após a soldagem?

Causas básicas:

1. Má adesão do cobre ao substrato (problema de material)
2. Temperatura ou duração excessiva da solda
3. Projeto inadequado (por exemplo, grande área de cobre conectada por meio de traços finos)
4. Tratamento inadequado do óxido marrom

Soluções:

• Selecione materiais laminados de alta qualidade
• Otimizar os parâmetros de soldagem (<260°C, <5 segundos)
• Use conexões de alívio térmico em projetos
• Verifique os parâmetros do processo de óxido marrom com o fabricante
• Realize testes de estresse térmico quando necessário (288°C, 10 segundos, 3 ciclos)

P2: Como lidar com o registro incorreto de camada para camada em PCBs multicamadas?

Fontes de registro incorreto:

• Inconsistências de expansão/contração de material
• Deslocamento da camada durante a laminação
• Precisão insuficiente do registro de exposição
• Desvios na posição de perfuração

Medidas de aprimoramento:

• Fase de projeto:

• Adicionar metas de registro (mínimo de 3)
• Manter a distribuição uniforme do cobre
• Considerar as propriedades do material (tratamento especial para materiais de alta frequência)

• Fabricação:

• Usar equipamento de exposição LDI de alta precisão
• Implementar o alinhamento de perfuração por raios X
• Aplicar algoritmos de compensação de encolhimento de material
• Considere a laminação sequencial para placas de alta proporção

• Seleção de materiais:

• Usar materiais de baixo CTE
• Selecione um pré-impregnado dimensionalmente estável

P3: Como resolver paredes ásperas de furos em furos pequenos (<0,2 mm)?

Soluções técnicas:

• Seleção de brocas:
• Exercícios especiais (por exemplo, tipo UC)
• Ângulo do ponto 130-140°
• Ângulo da hélice 35-40°
• Otimização de parâmetros:
• Aumentar a RPM para 120.000-150.000
• Reduzir a taxa de alimentação para 1,0-1,5 m/min
• Troque os exercícios a cada 500 batidas
• Materiais auxiliares:
• Material de entrada em alumínio de alta densidade
• Placas de apoio especiais (por exemplo, fenólicas)
• Pós-processamento:
• Remoção de manchas aprimorada (tratamento de plasma opcional)
• Otimizar o etchback antes do cobre eletrolítico

P4: Como as aberturas da máscara de solda devem ser projetadas para áreas BGA?

Especificações de projeto:

• BGA padrão:

• Aberturas de máscara de solda 0,05 mm maiores do que as almofadas por lado
• Ponte mínima de máscara de solda de 0,1 mm
• Projeto NSMD (Non-Solder Mask Defined)

• BGA de passo fino (≤0,5 mm de passo):

• Aberturas de máscara de solda iguais ou ligeiramente menores (0,02-0,03 mm) do que as almofadas
• Projeto SMD (Solder Mask Defined)
• Considere o processo de LDI (Laser Direct Imaging)

• Tratamentos especiais:

• Evitar que a máscara de solda suba nas esferas BGA
• Controle a espessura da máscara de solda para 10-15μm
• Implementar represas de máscara de solda quando necessário

Resolução de problemas comuns:

• Máscara de solda espessa causando problemas de soldagem: Use tintas de máscara de solda finas
• Pontes de máscara de solda quebradas: Otimize a energia de exposição e o desenvolvimento
• Aberturas desalinhadas: Verificar a ferramenta fotográfica ou os dados LDI

Q5: Por que o revestimento ENIG às vezes resulta em "Black Pad"? Como evitar isso?

Causas da almofada preta:
O Black Pad refere-se a interfaces frágeis entre o níquel e a solda em acabamentos ENIG, causadas principalmente por:

• Supercondicionamento de níquel durante a deposição de ouro
• Teor anormal de fósforo de níquel (deve ser 7-9%)
• Espessura excessiva de ouro (>0,15μm) causando passivação de níquel
• Pós-tratamento inadequado (limpeza inadequada)

Métodos de prevenção:

• Controle de processos:

• Mantenha o pH do banho entre 4,5 e 5,5
• Espessura de ouro de controle 0,05-0,10μm
• Adicionar tratamento pós-mergulho (por exemplo, lavagem com ácido suave)

• Monitoramento da qualidade:

• Testes regulares do teor de fósforo do níquel
• Análise de seção transversal da interface níquel-ouro
• Teste de cisalhamento da esfera de solda (>5kg/mm²)

• Soluções alternativas:

• Considere o ENEPIG (ouro de imersão de paládio sem níquel e sem eletrólito)
• Use níquel/ouro eletrolítico para aplicações de alta confiabilidade

Q6: Como resolver problemas de integridade de sinal em PCBs de alta velocidade?

Otimização conjunta de projeto e fabricação:

• Seleção de materiais:

• Materiais com baixo Dk (constante dielétrica) e baixo Df (fator de dissipação)
• Folhas de cobre lisas (por exemplo, HVLP)

• Otimização de design:

• Controle rígido da impedância (±10%)
• Minimizar via stubs (perfuração posterior)
• Use estruturas de microstrip ou stripline

• Controles de fabricação:

• Precisão de gravação (±15μm de largura de traço)
• Controle de espessura dielétrica (±10%)
• Seleção do acabamento da superfície (prefira Imm Ag ou OSP)

• Verificação de testes:

• Teste de TDR (Reflectometria no Domínio do Tempo)
• Medições de perda de inserção/retorno
• Teste de diagrama ocular (para sinais de alta velocidade)

Parâmetros típicos:

• Sinais de 10 Gbps: Materiais com Df<0,010
• 28Gbps+: Considere os materiais Megtron6 ou Rogers
• Impedância: 50Ω de terminação única, 100Ω diferencial (ajuste por protocolo)

Conclusão

A fabricação de PCBs representa uma tecnologia multidisciplinar que combina ciência dos materiais, processos químicos e engenharia mecânica de precisão. À medida que a eletrônica evolui para frequências, velocidades e densidades mais altas, os processos de fabricação de PCBs continuam avançando de acordo. A compreensão desses fluxos de trabalho de fabricação não só facilita o projeto de PCBs mais fabricáveis, mas também permite a rápida solução de problemas e a comunicação eficaz com os fabricantes.

Seja trabalhando com materiais FR-4 convencionais para eletrônicos de consumo, materiais especializados de alta frequência para equipamentos 5G ou eletrônicos automotivos de alta confiabilidade, a seleção de fabricantes de PCBs apropriados e a compreensão completa de suas capacidades são fundamentais. Esperamos que este guia forneça insights valiosos para apoiar sua tomada de decisão informada na fabricação de PCBs.