Materiais para PCB e noções básicas de painelização

1. Fundamentos dos materiais para PCB

1.1 Componentes principais dos materiais PCB

Os materiais PCB, conhecidos como Laminados Copper-Clad (CCL)formam o substrato para o fabrico de placas de circuitos impressos, determinando diretamente a desempenho elétrico, propriedades mecânicas, caraterísticas térmicase capacidade de fabrico.

1.2 Tipos e aplicações comuns de materiais para PCB

Material FR-4

• Composição: Tecido de fibra de vidro + resina epóxi
• Caraterísticas: Económico, propriedades mecânicas e eléctricas equilibradas, retardador de chama
• Aplicações: Eletrónica de consumo, placas-mãe de computadores, placas de controlo industrial e produtos electrónicos mais comuns

Materiais de alta frequência/alta velocidade

• Composição: PTFE, hidrocarbonetos, cargas cerâmicas
• Caraterísticas: Constante dieléctrica (Dk) e fator de dissipação (Df) extremamente baixos, perda mínima de transmissão de sinal, excelente estabilidade
• Aplicações: Antenas de estação de base 5G, comunicações por satélite, equipamento de rede de alta velocidade, radar automóvel

Substratos de núcleo metálico

• Composição: Camada isolante termicamente condutora + substrato de alumínio/cobre
• Caraterísticas: Excelente desempenho de dissipação de calor, elevada condutividade térmica
• Aplicações: Iluminação LED, módulos de potência, amplificadores de potência, faróis para automóveis

1.3 Principais parâmetros de desempenho dos materiais PCB

Indicadores de desempenho térmico

• Tg (Temperatura de transição vítrea)
• Padrão FR-4 Tg: 130°C - 140°C
• Mid-Tg FR-4: 150°C - 160°C
• High-Tg FR-4: ≥ 170°C (adequado para processos de soldadura sem chumbo)
• Td (Temperatura de decomposição)
• A temperatura à qual o substrato inicia a decomposição química
• Um Td mais elevado indica uma melhor estabilidade a altas temperaturas

Indicadores de desempenho elétrico

• Dk (Constante dieléctrica)
• Afecta a velocidade de propagação do sinal e a impedância no meio dielétrico
• Valores Dk mais baixos permitem uma propagação mais rápida do sinal
• Df (Fator de dissipação)
• Perda de energia quando os sinais se propagam através do meio dielétrico
• Valores Df mais baixos indicam uma perda de sinal reduzida

Indicadores de fiabilidade mecânica

• CTE (Coeficiente de Expansão Térmica)
• O CTE do eixo Z (direção da espessura) deve ser minimizado para evitar fissuras no cilindro após múltiplos ciclos de refusão
• Resistência da CAF
• Evita a formação de filamentos anódicos condutores em condições de temperatura e humidade elevadas

2. Processo detalhado de painelização de PCB

2.1 Tamanhos padrão de painéis

Os tamanhos originais normalizados dos fornecedores de materiais para PCB servem como unidades básicas de aquisição e de inventário para os fabricantes de PCB:

2.2 Otimização da dimensão do painel de produção

Os fabricantes de placas de circuito impresso cortam os painéis normalizados em painéis de produção mais pequenos, adequados para o processamento na linha de produção através da panelização, com o objetivo principal de maximizar a utilização de materiais.

Estratégias de otimização de painelização:

• Utilizar software de disposição especializado para uma utilização óptima do painel
• Considerar as limitações da capacidade de processamento do equipamento
• Equilibrar a eficiência da produção com a utilização de materiais

2.3 Principais factores que influenciam os tamanhos dos painéis de produção

• Capacidades de processamento de equipamentos: Limitações de dimensão das máquinas de exposição, linhas de gravação, prensas, etc.
• Considerações sobre a eficiência da produção: Os tamanhos moderados melhoram o ritmo de produção e as taxas de rendimento
• Utilização de materiais: Considerações fundamentais que têm um impacto direto no controlo dos custos

3. Detalhado Camada de PCB Estrutura e funções

3.1 Visão geral da estrutura global da camada de PCB

3.2 Análise aprofundada das camadas principais

Relação entre a máscara de solda e a camada de pasta de solda

• Princípio da exclusão mútua: As áreas com máscara de solda não têm pasta de solda e vice-versa
• Fundamentos de design: A máscara de solda utiliza um desenho de imagem negativa, a pasta de solda utiliza um desenho de imagem positiva

Estratégia de conceção da camada eléctrica

• Placas de camada única: Apenas uma camada condutora
• Placas de dupla camada: Camadas condutoras superior e inferior
• Placas multicamadas: 4 camadas ou mais, as camadas interiores podem ser definidas como planos de potência e de terra utilizando uma imagem negativa

Diferenças entre a camada mecânica e a camada de serigrafia

• Objectivos diferentes: A serigrafia ajuda a identificar os componentes; a camada mecânica orienta o fabrico e a montagem física da placa de circuito impresso
• Diferenças de conteúdo: A serigrafia contém principalmente texto e símbolos; a camada mecânica inclui dimensões físicas, localizações de furos, etc.

4. Guia prático de desenho de PCB

4.1 Noções básicas sobre o pacote de componentes

Considerações essenciais sobre o pacote:

• Corresponder com exatidão as dimensões dos componentes físicos
• Distinguir entre pacotes DIP (through-hole) e SMD (surface-mount)
• Números como 0402, 0603 representam as dimensões dos componentes (unidade: polegadas)

4.2 Seleção do design da fonte de alimentação

Fontes de alimentação comutadas vs. lineares

4.3 Processo de design de PCB normalizado

Fase 1: Projeto esquemático

• Preparação da biblioteca de componentes

• Criar pacotes com base nas dimensões reais dos componentes
• Recomenda-se a utilização de bibliotecas estabelecidas como a JLCPCB
• Adicionar modelos 3D para verificação visual

• Desenho esquemático do circuito

• Circuitos de aplicação de referência fornecidos pelos fabricantes de pastilhas
• Aprenda com projectos de módulos comprovados
• Utilizar recursos online (CSDN, fóruns técnicos) para projectos de referência

Fase 2: Disposição e encaminhamento da placa de circuito impresso

• Diretrizes para a colocação de componentes

• Colocação compacta de módulos funcionais
• Mantenha os componentes geradores de calor afastados de dispositivos sensíveis
• Seguir as recomendações de disposição nas fichas de dados dos chips

• Especificações de encaminhamento de sinal

• Largura do traço: 10-15mil (sinais regulares)
• Evitar traços agudos e de ângulo reto
• Colocar os cristais perto dos CIs sem vestígios por baixo

• Gestão do plano de potência e do plano de terra

• Largura do traço de potência: 30-50mil (ajustado com base na corrente)
• As ligações à terra podem ser efectuadas através de vazamento de cobre
• Utilizar corretamente as vias para ligar diferentes camadas

5. Técnicas e considerações profissionais de conceção

5.1 Fundamentos do projeto de circuitos de alta velocidade

• Correspondência de impedância: 50Ω de extremidade única, 90/100Ω diferencial
• Integridade do sinal: Considerar os efeitos da linha de transmissão, as reflexões de controlo e a diafonia
• Integridade da energia: Colocação adequada do condensador de desacoplamento

5.2 Estratégias de gestão térmica

• Dar prioridade às vias de dissipação de calor para dispositivos de alta potência
• Selecionar materiais de elevada condutividade térmica (núcleo metálico, materiais de alta Tg)
• Utilização correta das vias térmicas

5.3 Conceção para o fabrico (DFM)

• Cumprir as capacidades de processo do fabricante de PCB
• Definir as distâncias de segurança adequadas
• Considerar a conceção de painelização