Fluxo do processo de fabrico de PCB

No mundo de hoje, onde os dispositivos electrónicos são omnipresentes, as PCB (placas de circuitos impressos) funcionam como o "esqueleto" e o "sistema nervoso" dos produtos electrónicos, com os seus processos de fabrico a afectarem diretamente o desempenho e a fiabilidade dos produtos. Quer seja um engenheiro eletrónico, especialista em aquisições ou simplesmente interessado no fabrico de PCB, é essencial compreender o fluxo de trabalho completo de fabrico de PCB. Este artigo irá guiá-lo através de cada passo crítico da produção de PCB, desde as matérias-primas até ao produto acabado, ao mesmo tempo que aborda os desafios de fabrico mais comuns.

Discriminação pormenorizada do núcleo Fabrico de placas de circuito impresso Processos

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

O corte de painéis marca o primeiro passo no fabrico de PCB e constitui a base para os processos subsequentes. Embora pareça simples, envolve várias considerações técnicas:

• Seleção de materiais: Os materiais laminados revestidos a cobre comuns incluem FR-4 (fibra de vidro epóxi), substratos de alumínio e materiais de alta frequência (por exemplo, Rogers), cada um exigindo diferentes parâmetros de corte
• Controlo dimensional: Corte preciso de acordo com as especificações do projeto para as dimensões UNIT (circuito individual), SET (matriz em painel) e PANEL (painel de produção)
• Requisitos de exatidão: O fabrico moderno de placas de circuito impresso exige normalmente tolerâncias de corte de ±0,10 mm
• Tratamento de bordos: As arestas de corte necessitam de ser rebarbadas para evitar que as arestas ásperas afectem os processos subsequentes

Considerações fundamentais:

• Verificar o tipo de material, a espessura e o peso do cobre antes de cortar
• Ter 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
• Armazenar os diferentes materiais separadamente para evitar misturas

2. Imagem de película seca de camada interna: Criação de padrões de circuito precisos

O processo de película seca da camada interna é crucial para a transferência precisa de padrões de desenho para substratos de PCB, consistindo em vários subprocessos:

Preparação da superfície (lavagem de painéis)

• Combina a limpeza química com a abrasão mecânica
• Remove a oxidação e cria micro-rugosidade para uma melhor aderência da película seca
• Parâmetros típicos: Marcas de esfregaço de 5-10mm, rugosidade Ra 0,3-0,5μm

Laminação de película seca

• Cola termicamente a película seca fotossensível à superfície de cobre
• Controlo da temperatura: Tipicamente 100-120°C
• Controlo da pressão: Aproximadamente 0,4-0,6MPa
• Controlo de velocidade: 1,0-1,5 m/min

Exposição

• Utiliza luz UV (comprimento de onda de 365 nm) para curar seletivamente a película seca através da ferramenta fotográfica
• Controlo de energia: 5-10mJ/cm²
• Precisão de registo: Dentro de ±25μm

Desenvolvimento

• Utiliza a solução de carbonato de sódio 1% para dissolver a película seca não curada
• Controlo da temperatura: 28-32°C
• Pressão de pulverização: 1,5- 2,5 bar

Gravura

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

Faixa

• Utiliza uma solução de hidróxido de sódio 3-5% para remover a película protetora seca
• Controlo da temperatura: 45-55°C
• Controlo do tempo: 60-90 segundos

Recomendações de conceção:

• Traço/espaço mínimo da camada interior ≥ 3 mil (0,075 mm)
• Evitar elementos de cobre isolados para evitar a gravação excessiva
• Distribuir uniformemente o cobre para evitar deformações na laminação
• Adicionar margem de conceção para traços de sinais críticos

3. Tratamento com óxido castanho: Melhorar a ligação entre camadas

O tratamento com óxido castanho é fundamental para o fabrico de PCB multicamadas, melhorando principalmente a adesão entre a camada interna de cobre e o pré-impregnado (PP):

• Reação química: Forma uma camada de complexo orgânico-metálico micro-rugoso na superfície do cobre
• Controlo de processos:
• Temperatura: 30-40°C
• Tempo: 1,5-3 minutos
• Aumento da espessura do cobre: 0,3-0,8μm
• Verificação da qualidade:
• Uniformidade da cor
• Ensaio do ângulo de contacto com a água (deve ser ≥30°)
• Ensaio 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, afectando a integridade do sinal
• Os painéis processados devem ser laminados no prazo de 8 horas

4. Laminação: Formação de estruturas multicamadas

A laminação liga vários núcleos de camadas interiores com pré-impregnado (PP) sob calor e pressão para criar estruturas multicamadas:

• Preparação do material:
• Folha de cobre (tipicamente 1/3oz ou 1/2oz)
• Pré-impregnados (por exemplo, classes 1080, 2116, 7628)
• Chapas de aço inoxidável, papel kraft e outros materiais auxiliares
• Parâmetros do processo:
• Temperatura: 170-190°C
• Pressão: 15-25kg/cm²
• Tempo: 90-180 minutos (consoante a espessura e a estrutura do painel)
• Controlos críticos:
• Taxa de aquecimento: 2-3°C/min
• Taxa de arrefecimento: 1-2°C/min
• Nível de vácuo: ≤100mbar

Considerações sobre a conceção:

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

5. Perfuração: Criação de Interligações de Precisão

A perfuração cria interligações verticais entre camadas de PCB, com a tecnologia moderna a conseguir uma precisão excecional:

• 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: 1,5-4,0m/min
• Taxa de retração: 10-20m/min
• Normas de qualidade:
• Rugosidade da parede do furo ≤25μm
• Precisão da posição do furo ±0,05mm
• Sem cabeça de prego ou rebarbas

Resolução de problemas comuns:

• Paredes com orifícios rugosos: Otimizar os parâmetros de perfuração, utilizar materiais de entrada/backup adequados
• Furos obstruídos: Melhorar a evacuação das aparas, ajustar a sequência de perfuração
• Brocas partidas: 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 nas paredes não condutoras dos orifícios, o que é crucial para a fiabilidade das placas de circuito impresso:

Fluxo do processo PTH

1. Desmear: Elimina os resíduos de resina da perfuração
2. Cobre eletrolítico:

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

1. Revestimento de painéis:

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

Requisitos de qualidade:

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

7. Transferência do padrão da camada exterior

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

1. Preparação da superfície: Limpeza, micro-corrosão (remove 0,5-1μm de cobre)
2. Laminação de película seca: Utiliza uma película seca resistente à metalização
3. Exposição: Utiliza o LDI (Laser Diret Imaging) ou a 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: Elimina a resistência do revestimento
2. Gravura: Elimina o cobre indesejado

Destaques técnicos:

• Compensação da largura do traço: Ajustar a largura do projeto com base na espessura do cobre (normalmente adicionar 10-20%)
• Uniformidade da galvanização: Utilizar uma solução de alta potência de projeção e uma configuração adequada do ânodo
• Controlo de gravação lateral: Otimizar 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 afecta a qualidade e o aspeto da solda:

• Métodos de aplicação:
• Impressão serigráfica: Para requisitos de baixa precisão
• Revestimento por pulverização: Para formas 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-cozedura (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)

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

Diretrizes de conceção:

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

9. Acabamento da superfície: equilíbrio entre soldabilidade e durabilidade

Diferentes acabamentos adaptam-se a diferentes aplicações:

Guia de seleção:

• Eletrónica de consumo normal: HASL ou OSP
• Produtos de elevada fiabilidade: ENIG
• Circuitos de alta velocidade: Imm Ag ou OSP
• Conectores de extremidade: Revestimento de ouro duro (1-3μm)

10. Encaminhamento: Fabrico de contornos de precisão

O processamento de contornos de PCB utiliza principalmente três métodos:

• Roteamento CNC:

• Precisão: ±0,10mm
• Largura mínima da ranhura: 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 0,3-0,5 mm)
• Precisão de posição: ±0,10mm

• Corte a laser:

• Precisão: ±0,05mm
• Fenda mínima: 0,2 mm
• Sem tensão mecânica

Regras de conceção:

• Manter uma distância ≥0,3 mm entre a extremidade da placa e os circuitos
• Incluir separadores de separação ou mordedores de rato para designs com painéis
• Fornecer ficheiros DXF precisos para contornos irregulares
• Bordos biselados (normalmente 20-45°) para tábuas de dedos dourados

11. Ensaios eléctricos: Controlo de qualidade final

Os ensaios de PCB garantem a fiabilidade funcional:

• Métodos de ensaio:
• Sonda voadora: Adequado para produção de baixo volume e alta mistura
• Teste de fixação: Para produção de grande volume
• AOI (Inspeção Ótica Automatizada): Inspeção suplementar
• Cobertura de testes:
• 100% continuidade líquida
• Ensaio de isolamento (tipicamente 500V DC)
• Ensaio de impedância (para placas de impedância controlada)

Resolução de problemas comuns:

• Aberturas: Verificar falsas aberturas (mau contacto da sonda de teste)
• Curtas: Analisar a localização dos calções, verificar os problemas de conceção
• Desvio de impedância: Verificar os parâmetros do material e o controlo da largura do traço

12. Inspeção final e embalagem

A última etapa da verificação da qualidade:

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

Normas de expedição:

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

Perguntas frequentes sobre o fabrico de PCB (P&R)

Q1: Por que é que a minha placa de circuito impresso fica com uma casca de cobre após a soldadura?

Causas de base:

1. Fraca adesão do cobre ao substrato (problema de material)
2. Temperatura ou duração de soldadura excessiva
3. Má conceção (por exemplo, grande área de cobre ligada através de traços finos)
4. Tratamento inadequado do óxido castanho

Soluções:

• Selecionar materiais laminados de alta qualidade
• Otimizar os parâmetros de soldadura (<260°C, <5 segundos)
• Utilizar ligações de alívio térmico nos projectos
• Verificar os parâmetros do processo de óxido castanho com o fabricante
• Efetuar testes de stress térmico quando necessário (288°C, 10 segundos, 3 ciclos)

Q2: Como resolver o problema do registo incorreto camada a camada em PCB multicamadas?

Fontes de registo incorrectas:

• Incoerências na expansão/contração do material
• Deslocação de camadas durante a laminação
• Precisão insuficiente do registo da exposição
• Desvios de posição de perfuração

Medidas de melhoria:

• Fase de conceção:

• Adicionar objectivos de registo (mínimo 3)
• Manter uma distribuição uniforme do cobre
• Ter em conta as propriedades dos materiais (tratamento especial para materiais de alta frequência)

• Fabrico:

• Utilizar equipamento de exposição LDI de alta precisão
• Implementar o alinhamento da perfuração por raios X
• Aplicar algoritmos de compensação da contração do material
• Considerar a laminação sequencial para placas de elevado rácio de aspeto

• Seleção de materiais:

• Utilizar materiais com baixo teor de CTE
• Selecionar um pré-impregnado dimensionalmente estável

Q3: Como resolver paredes de orifícios rugosas em orifícios pequenos (<0,2 mm)?

Soluções técnicas:

• Seleção da broca:
• Brocas especiais (por exemplo, tipo UC)
• Ângulo do ponto 130-140°
• Ângulo da hélice 35-40°
• Otimização de parâmetros:
• Aumentar as RPM para 120.000-150.000
• Reduzir a velocidade de alimentação para 1,0-1,5 m/min
• Mudança de exercícios a cada 500 batidas
• Materiais auxiliares:
• Material de entrada em alumínio de alta densidade
• Placas de apoio especiais (por exemplo, fenólicas)
• Pós-processamento:
• Descoloração melhorada (tratamento com plasma opcional)
• Otimizar o etchback antes do cobre electroless

Q4: Como devem ser concebidas as aberturas da máscara de soldadura para áreas BGA?

Especificações de projeto:

• BGA padrão:

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

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

• Aberturas da máscara de soldadura iguais ou ligeiramente mais pequenas (0,02-0,03 mm) do que as almofadas
• Conceção SMD (Solder Mask Defined)
• Considere o processo LDI (Laser Diret Imaging)

• Tratamentos especiais:

• Evitar que a máscara de solda suba pelas esferas BGA
• Controlo da espessura da máscara de soldadura até 10-15μm
• Implementar diques de máscara de solda quando necessário

Resolução de problemas comuns:

• Máscara de solda espessa que causa problemas de soldadura: Utilizar tintas de máscara de soldadura finas
• Pontes de máscara de solda quebradas: Otimizar a energia de exposição e o desenvolvimento
• Aberturas desalinhadas: Verificar a ferramenta fotográfica ou os dados LDI

Q5: Porque é que a galvanização ENIG resulta por vezes em "Black Pad"? Como o evitar?

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

• Sobrecondicionamento do 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 incorreto (limpeza inadequada)

Métodos de prevenção:

• Controlo de processos:

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

• Monitorização da qualidade:

• Testes regulares do teor de fósforo do níquel
• Análise da secção transversal da interface níquel-ouro
• Ensaio de cisalhamento de esferas de solda (>5kg/mm²)

• Soluções alternativas:

• Considerar ENEPIG (ouro de imersão em níquel eletrolítico e paládio eletrolítico)
• Utilizar níquel/ouro eletrolítico para aplicações de elevada fiabilidade

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

Co-otimização da conceção e do fabrico:

• Seleção de materiais:

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

• Otimização da conceção:

• Controlo rigoroso da impedância (±10%)
• Minimizar via stubs (perfuração posterior)
• Utilizar estruturas de microstrip ou stripline

• Controlos de fabrico:

• Precisão de gravação (±15μm de largura de traço)
• Controlo da espessura dieléctrica (±10%)
• Seleção do acabamento da superfície (preferir Imm Ag ou OSP)

• Testes de verificação:

• Ensaios 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+: Considerar materiais Megtron6 ou Rogers
• Impedância: 50Ω de terminação única, 100Ω diferencial (ajustar por protocolo)

Conclusão

O fabrico de PCB representa uma tecnologia multidisciplinar que combina ciência dos materiais, processos químicos e engenharia mecânica de precisão. À medida que a eletrónica evolui para frequências, velocidades e densidades mais elevadas, os processos de fabrico de PCB continuam a avançar em conformidade. A compreensão destes fluxos de trabalho de fabrico não só facilita a conceção de PCB mais fabricáveis, como também permite uma rápida resolução de problemas e uma comunicação eficaz com os fabricantes.

Quer se trate de materiais FR-4 convencionais para eletrónica de consumo, de materiais especializados de alta frequência para equipamento 5G ou de eletrónica automóvel de alta fiabilidade, a seleção de fabricantes de PCB adequados e a compreensão exaustiva das suas capacidades são fundamentais. Esperamos que este guia forneça informações valiosas para apoiar a sua tomada de decisão informada no fabrico de PCB.