O que é uma placa de circuitos impressos (PCB)

O que é um Placa de circuito impresso (PCB)?

PCB (placas de circuitos impressos), também designadas por "placas de circuitos impressos" ou "cartões de circuitos impressos", são a espinha dorsal da eletrónica moderna, concebidas para interligar e suportar componentes electrónicos, facilitando simultaneamente a transmissão de sinais e de energia.

A necessidade de PCB

Antes dos PCB, os circuitos baseavam-se em métodos de ligação ineficientes:

• Cablagem ponto a ponto: Propenso a falhas, com a degradação do isolamento a provocar curto-circuitos.
• Envolvimento de arame: Duradouro, mas trabalhoso, envolvendo fios enrolados à mão à volta de postes.

Com a transição da eletrónica dos tubos de vácuo para as pastilhas de silício e os circuitos integrados (CI), os métodos tradicionais tornaram-se impraticáveis, o que levou à adoção de placas de circuitos impressos (PCB).

Estrutura e função do PCB

• Materiais: Substrato isolante com camadas de traços de cobre condutores.
• Funções-chave:
• Conectividade eléctrica: As vias de cobre facilitam a transferência de sinal e de energia.
• Apoio mecânico: Fixação de componentes; a solda (uma liga metálica) liga as peças tanto eléctrica como fisicamente.

Vantagens dos PCBs

• Fiabilidade: Elimina os erros de cablagem manual e as falhas relacionadas com o envelhecimento.
• Escalabilidade: Permite a produção em massa, reduzindo o tamanho e o custo do dispositivo.

Os PCB revolucionaram a eletrónica, tornando-se fundamentais para a indústria moderna.

Composição e estrutura das placas de circuitos impressos (PCB)

1. Substrato

• Materiais:
• FR4 (Fibra de vidro + epóxi): Mais comum, proporciona rigidez; a espessura padrão é de 1,6 mm (0,063 polegadas).
• Substratos flexíveis (por exemplo, poliimida/Kapton): Utilizado para PCB dobráveis, resiste a temperaturas elevadas, ideal para aplicações especializadas.
• Alternativas de baixo custo (Resinas fenólicas/epóxi): Encontradas em produtos electrónicos de consumo de baixo custo; fraca resistência ao calor, emitem odores fortes quando soldadas.

2. Camada condutora (folha de cobre)

• Estrutura:
• Uma face: Cobre apenas numa das faces (custo mais baixo).
• Frente e verso: Cobre em ambos os lados (mais comum).
• Multicamada: Camadas condutoras e isolantes alternadas (até 32+ camadas).
• Normas de espessura do cobre:
• Padrão: 1 oz/ft² (~35 µm).
• Aplicações de alta potência: 2-3 oz/ft² para maior capacidade de corrente.

3. Máscara de solda

• Função:
• Isola os traços de cobre para evitar curto-circuitos.
• Orienta a soldadura (por exemplo, expõe as almofadas através de aberturas).
• Cor: Normalmente verde (por exemplo, a SparkFun utiliza o vermelho), mas pode ser personalizado (azul, preto, branco, etc.).

4. Camada de serigrafia

• Objetivo: Identifica os designadores dos componentes, a polaridade, os pontos de teste, etc., facilitando a montagem e a depuração.
• Cor: Normalmente branco, mas existem outras opções (preto, vermelho, amarelo, etc.).

Camada de PCB Síntese da estrutura

1. Uma face: Substrato → Cobre → Máscara de solda → Serigrafia.
2. Frente e verso: Substrato (cobre em ambos os lados) → Máscara de solda → Serigrafia.
3. Multicamada: Camadas alternadas de substrato/cobre, cobertas com máscara de solda e serigrafia.

Guia de seleção de materiais para substratos de PCB

1. Soluções de baixo custo (eletrónica de consumo)

• FR-1/FR-2 (papel de algodão fenólico, também conhecido como "baquelite")
• Material: Resina fenólica + base de papel
• Caraterísticas: Custo ultra-baixo (~1/3 do FR-4), mas fraca resistência ao calor (propenso a queimar) e resistência mecânica
• Aplicações: Controlos remotos, brinquedos e outros produtos electrónicos de gama baixa

2. Material normalizado de qualidade industrial

• FR-4 (epóxi de fibra de vidro)
• Quota de mercado: Utilizado em >80% de PCB convencionais
• Vantagens: Custo/desempenho equilibrado, resistência ao calor até 130°C, espessura standard de 1,6 mm
• Variantes:
  • FR-3 (Compósito papel-epóxi): Intermédio entre FR-2 e FR-4
  • FR-5: Versão melhorada para altas temperaturas (suporta >150°C)

3. Aplicações de alta frequência (>1GHz)

• PTFE (substratos à base de teflon)
• Propriedades: Perda dieléctrica extremamente baixa (Dk=2,2), adequada para 5GHz+ mmWave
• Modelos de exemplo: Rogers série RO3000
• Aplicações: Estações de base 5G, comunicações por satélite, sistemas de radar

4. Requisitos de elevada condutividade térmica

5. Soluções especializadas

• Substratos cerâmicos (Alumina)
• Vantagens: Corresponde ao CTE da pastilha, resiste a 500°C
• Processamento: Requer perfuração a laser (custo elevado), por exemplo, Rogers RO4000
• Materiais Compósitos (Série CEM)
• CEM-1: Núcleo de papel + superfície de fibra de vidro (alternativa FR-1)
• CEM-3: Tapete de fibra de vidro + resina epoxi (semi-transparente, comum no Japão)

Tipos de placas de circuitos impressos (PCB)

Os PCB são essencialmente classificados em três tipos fundamentais com base na sua estrutura de camadas:

• PCB de camada única

• Apresenta cobre condutor apenas num dos lados do substrato
• A conceção mais simples e mais económica
• Aplicações comuns: Eletrónica básica, calculadoras, fontes de alimentação

• PCB de camada dupla

• Camadas condutoras de cobre em ambos os lados do substrato
• Vias de passagem ligam os circuitos entre camadas
• Oferece um encaminhamento mais complexo do que uma camada única
• Utilizações típicas: Controlos industriais, painéis de instrumentos para automóveis

• PCB multicamada

• Estrutura empilhada com camadas condutoras e isolantes alternadas (4-32+ camadas)
• Utiliza vias cegas/enterradas para ligações entre camadas
• Vantagens: Alta densidade, melhor proteção EMI
• Aplicações: Smartphones, servidores, equipamento médico

Funções das placas PCB

1. Ligação eléctrica

• Funcionalidade: Os traços de cobre ligam com precisão os componentes (resistências, condensadores, circuitos integrados, etc.) para formar topologias de circuitos completos.
• Vantagens técnicas:
• Elevada fiabilidade: Substitui a cablagem manual, eliminando os riscos de curto-circuitos/circuitos abertos (por exemplo, placas-mãe de smartphones com precisão de traço de 0,1 mm).
• Integridade do sinal: Os projectos multicamadas (por exemplo, mais de 6 camadas) utilizam planos de terra/alimentação para reduzir a diafonia (essencial para dispositivos de comunicação de alta frequência).
• Exemplo: As placas-mãe dos computadores permitem a transferência de dados a alta velocidade (por exemplo, pistas PCIe 4.0) entre a CPU, a RAM e a GPU através do encaminhamento da PCB.

2. Apoio mecânico

• Conceção estrutural:
• Opções rígidas/flexíveis: Os produtos electrónicos de consumo utilizam placas rígidas FR4, enquanto os produtos portáteis adoptam placas de circuito impresso flexíveis (por exemplo, os circuitos flexíveis do Apple Watch).
• Métodos de montagem: As disposições mistas SMT (por exemplo, resistências 0402) e THT (por exemplo, conectores de alimentação) equilibram a densidade e a durabilidade.
• Valor prático: Os controladores de voo dos drones conseguem reduzir o peso e resistir às vibrações através de concepções de PCB leves (por exemplo, substratos de alumínio).

3. Proteção dos circuitos

• Mecanismos de proteção:
• Substrato isolante: Os materiais FR4 suportam até 500V/mm, evitando fugas (por exemplo, PCB de adaptadores de corrente).
• Máscara de solda: O revestimento epoxídico verde evita a oxidação/curtos-circuitos (comum nas portas USB).
• Tratamentos especiais: As PCB para automóveis utilizam um revestimento isolante (anti-humidade, anti-corrosão) para ambientes agressivos.

4. Gestão térmica

• Técnicas de arrefecimento:
• Difusão de calor do cobreCobre de 2 oz de espessura nas placas de acionamento de LED reduz as temperaturas de junção.
• Otimização térmica: As placas-mãe para servidores utilizam vias térmicas + almofadas para transferir o calor para as caixas (por exemplo, placas Intel Xeon).
• Materiais especiais: Substratos cerâmicos (por exemplo, nitreto de alumínio, 170W/mK) para módulos IGBT de alta potência.

5. Otimização do espaço

• Processos avançados:
• Tecnologia HDI: As vias cegas/enterradas permitem o empilhamento de 10 camadas em placas de smartphones (por exemplo, o HDI de qualquer camada do iPhone).
• Via-in-Pad: As vias preenchidas com resina do JLCPCB evitam fugas de solda sob chips BGA (por exemplo, processadores Snapdragon).
• Eficiência de custos: As disposições compactas (por exemplo, PCB para smartwatches com 20 mm x 30 mm) reduzem os custos unitários.

Aplicações alargadas

• Alta-frequência: As PCB das estações de base 5G utilizam PTFE (ε=2,2) para minimizar a perda de sinal.
• Alta fiabilidade: As placas de circuito impresso aeroespaciais com revestimento de ouro de 50μm garantem uma estabilidade a longo prazo.

Através de inovações a nível de materiais, processos e design, as placas de circuito impresso continuam a impulsionar a eletrónica para um maior desempenho, miniaturização e fiabilidade.

Explicação pormenorizada do processo de fabrico de PCB

Processo de PCB de camada única (9 etapas principais)

1. Projeto de engenharia: Saída do ficheiro Gerber e confirmação do processo
2. Corte de substrato: Corte FR-4 de precisão (tolerância de ±0,1 mm)
3. Laminação de película seca: Transferência de padrões utilizando a exposição LDI
4. Gravura ácida: Gravação em cobre de 35μm (1oz)
5. Impressão de máscaras de soldadura: Aplicação de tinta líquida fotoimageável (LPI)
6. Impressão serigráfica: Marcação com tinta epóxi branca
7. Acabamento da superfície: Opções HASL/ENIG/OSP disponíveis
8. Roteamento CNC: V-CUT ou fresagem de contorno
9. Teste final: AOI + ensaio com sonda voadora

Principais diferenças entre PCB de camada dupla

• Processo de furo passante revestido (PTH):
• Deposição química de cobre: Revestimento de parede de 0,3-1μm
• Galvanoplastia: Atinge 20-25μm de cobre para furos (norma IPC-6012)
• Transferência de padrões melhorada:
• Revestimento secundário de cobre: Aumenta a espessura para 50-70μm
• Proteção estanho-chumbo: Camada resistente à corrosão (as alternativas modernas utilizam estanho puro)

Processo de núcleo de PCB multicamada (exemplo de 12 camadas)

• Produção da camada interna:

• Laminação de núcleos→exposição→Linha DES (Revelação/Gravação/Estampagem)
• Inspeção AOI da camada interior (taxa de defeito <0,1%)

• Parâmetros de laminação:

• Estrutura de estratificação: Folha de cobre + pré-impregnado (PP) + núcleo
• Condições de prensagem: 180℃/400psi/120 minutos

• Tecnologia de perfuração:

• Microvias laser: 50-100μm de diâmetro (placas HDI)
• Perfuração mecânica: 0,2 mm no mínimo (placas de 6+ camadas)

• Processos especiais:

• Através do enchimento: Garante a fiabilidade do rácio de aspeto 8:1
• Controlo da impedância: tolerância de ±10% (±5% para placas RF)

Evolução dos processos modernos

Actualizações amigas do ambiente:

• Revestimento de ouro sem cianeto: Eletrodeposição por impulsos
• Tratamento de águas residuais: >95% recuperação de cobre

Normas de qualidade (IPC-A-600G)

• Classe 2: Eletrónica de consumo
• Classe 3: Grau militar/médico
• Parâmetros principais: Largura/espaço mínimo da linha, uniformidade do cobre, qualidade da parede do furo

Processo de fabrico de PCB: Da conceção à montagem

1. Conceção de PCB

• Ferramentas de software: As ferramentas CAD (por exemplo, Altium Designer, KiCad, Eagle) definem a disposição dos circuitos, os traços e a colocação dos componentes.
• Saída do projeto: São gerados ficheiros Gerber (para fabrico) e BOM (lista de materiais).
• Papel do OEM: Os fabricantes de equipamento original (OEM) finalizam o projeto antes de o enviarem aos fabricantes de PCB.

2. Fabrico de placas de circuito impresso

O desenho é transformado numa placa física através de:

• Gravura: As camadas de cobre são gravadas quimicamente para formar traços condutores.
• Perfuração: Perfuração de orifícios para vias e componentes de passagem (perfuração mecânica ou a laser).
• Laminação: As placas de circuito impresso multicamadas são coladas sob calor e pressão.
• Acabamento da superfície: As opções incluem HASL (Hot Air Solder Leveling), ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold) e OSP (Organic Solderability Preservative).

3. Montagem de PCB (PCBA)

Os componentes são montados na placa de circuito impresso utilizando:

A. Tecnologia de furo passante (THT)

• Os componentes têm cabos inseridos em orifícios perfurados.
• Soldado no lado oposto (soldadura por onda ou manual).
• Prós: Ligações mecânicas fortes, elevada fiabilidade.
• Contras: Maior área de implantação, montagem mais lenta.

B. Tecnologia de montagem em superfície (SMT)

• Os componentes são colocados diretamente nas placas de circuito impresso.
• Processo:

1. Aplicação de pasta de solda: A impressão a estêncil deposita pasta em almofadas.
2. Pick-and-Place: Os robots posicionam os componentes com grande precisão.
3. Soldadura por Refluxo: A placa é aquecida para derreter a pasta de solda.

• Prós: Tamanho mais pequeno, montagem mais rápida, melhor para circuitos de alta frequência.
• Contras: Requer maquinaria precisa, mais difícil de retrabalhar.

C. Montagem mista (SMT + THT)

• Algumas placas combinam ambos os métodos (por exemplo, conectores grandes em THT, ICs em SMT).

4. Testes e controlo de qualidade

• Inspeção ótica automatizada (AOI): Controlo dos defeitos de soldadura.
• Ensaios em circuito (ICT): Valida o desempenho elétrico.
• Testes funcionais: Assegura que a placa de circuito impresso funciona como previsto.

Porque é que as PCB modernas preferem o SMT?

• Tamanho mais pequeno (permite dispositivos compactos como os smartphones).
• Maior densidade de componentes (mais funcionalidade por unidade de área).
• Montagem mais rápida (adequado para produção em massa).
• Melhor desempenho de alta frequência (os traços mais curtos reduzem a EMI).

Componentes PCB e tendências de design moderno

1. Componentes essenciais da placa de circuito impresso

As placas de circuito impresso integram vários componentes electrónicos em função da sua aplicação. Os principais tipos incluem:

2. Tecnologia de interligação de alta densidade (HDI)

Os PCB modernos adoptam cada vez mais Desenhos HDI para satisfazer as exigências de miniaturização:

Principais caraterísticas das placas de circuito impresso HDI:

• Maior densidade de cablagem (microvias, traços mais finos < 50µm)
• Mais componentes por unidade de área (vias empilhadas, vias cegas/enterradas)
• Tamanho/peso reduzido (essencial para dispositivos portáteis)

Aplicações:

• Eletrónica de consumo: Smartphones, dispositivos portáteis
• Médico: Dispositivos implantáveis, ferramentas de diagnóstico
• Automóvel: ADAS, sistemas de info-entretenimento

Vantagens em relação às PCBs tradicionais:

• Integridade de sinal melhorada (as interligações mais curtas reduzem a EMI)
• Menor consumo de energia (layouts optimizados)
• Eficiência de custos (menos camadas necessárias para a mesma funcionalidade)

3. Orientações para a seleção de componentes

• Desenhos com restrições de espaço: Preferir componentes SMT + encaminhamento HDI.
• Circuitos de alta potência: Utilizar placas de circuito impresso de cobre espesso com dissipadores de calor.
• Aplicações de alta-frequência: Selecionar materiais de baixo Dk (por exemplo, substratos Rogers).

Factores-chave do design de PCB

1. Elementos fundamentais da conceção do layout

(1) Otimização das caraterísticas eléctricas

• Largura do traço: Calculado com base na carga de corrente (por exemplo, cobre de 1 oz, corrente de 1A requer uma largura de traço ≥0,3 mm).
• Regras de espaçamento:
• Linhas de sinal: ≥3× largura do traço (para evitar diafonia).
• Linhas de alta tensão: Seguir o espaçamento padrão IPC-2221.
• Via Design:
• Vias de passagem: Diâmetro do furo ≥ espessura da placa/8 (assegura a fiabilidade do revestimento).
• Vias cegas/enterradas: Comuns em placas HDI (perfuradas a laser, 50-100μm de diâmetro).

(2) Princípios de colocação de componentes

• Zoneamento funcional: Isolar as secções analógica/digital/alimentação.
• Gestão térmica: Mantenha os componentes de elevado aquecimento (por exemplo, CPUs) afastados de peças sensíveis à temperatura.
• DFA (Design for Assembly):
• Espaçamento entre componentes SMT ≥0,5 mm.
• Reservar uma folga de 5 mm para o bordo da ferramenta.

2. Estratégias-chave de integridade do sinal (SI)

Dicas de design de alta frequência:

• Controlo da impedância: tolerância de ±10% (por exemplo, pares diferenciais USB a 90Ω±10%).
• Encaminhamento em serpentina: Para correspondência de comprimento, amplitude ≥5× largura do traço.

3. Controlos de conceção para fabrico (DFM)

• Verificação de engenharia CAM:
• Mínimo de traço/espaço ≥ capacidade de fabrico (por exemplo, 4/4mil).
• Pontes de máscara de solda ≥0,1mm (evita curtos-circuitos de solda).
• Conceção de empilhamento simétrico: Evita a deformação das placas multicamadas.

4. Sistema de teste e validação

(1) Ensaios de produção

• AOI (Inspeção Ótica Automatizada):
• Taxa de deteção de defeitos: 99,7% (pontes de solda/misalinhamento).
• Precisão de digitalização: 10μm @ Câmara de 50MP.
• TIC (Ensaios em circuito):
• Cobertura dos testes >95% (através de um dispositivo de cama de pregos).

(2) Validação funcional

• Triagem de estresse ambiental (ESS): -40 ℃ ~ 85 ℃ ciclagem térmica.
• Testes de diagrama de olho de sinal: O USB3.0 deve cumprir a margem de máscara >20%.

5. Cadeia de ferramentas de conceção avançada

• Software de simulação:
• Análise SI/PI: HyperLynx, Sigrity.
• Simulação térmica: Flotherm, Icepak.
• Conceção colaborativa:
• Integração 3D ECAD-MCAD.
• Controlo de versões: Git para ficheiros de design PCB.

Certificações da indústria de PCB

1. Certificação UL (Conformidade com a segurança)

Organização: Underwriters Laboratories Inc. (líder mundial em ciência da segurança com sede nos EUA)

Tipos de certificação:

• Listagem: Certificação completa da segurança dos produtos (por exemplo, eletrónica de utilização final)
• Componente reconhecido (RU): Para componentes como PCBs (mais comum para fabricantes de PCBs)
• Classificação: Ensaios especializados para riscos específicos

Indústria de PCB em foco:

• Os fabricantes devem manter um inventário de materiais aprovados pela UL (laminados de base, pré-impregnados, máscaras de soldadura)
• Cada instalação certificada recebe um número de ficheiro UL único (por exemplo, E142470 da Shengtai)
• Crítico para:
• Acesso ao mercado norte-americano
• Proteção da responsabilidade civil
• Qualificação da cadeia de abastecimento

2. ISO 9001 (Gestão da Qualidade)

Requisitos essenciais:

• Normalização de processos
• Melhoria contínua
• Métricas de satisfação do cliente

Implementação de PCB:

• Aplicações típicas:
• Controlo do processo (tolerância de impedância de ±5%)
• Controlo da taxa de defeitos (por exemplo, <500 DPPM)
• Entrega atempada (objetivo >98%)

3. ISO 14001 (Gestão Ambiental)

Condutores de conformidade:

• Tratamento de águas residuais (descarga de cobre < 0,5 ppm)
• Eficiência energética (kWh/m² de produção)
• Controlo do inventário de produtos químicos

Vantagens de mercado:

• 62% de OEMs globais exigem certificação ambiental
• Permite o acesso ao mercado da UE/Japão
• Reduz as coimas regulamentares em 30-40%

4. IATF 16949 (Qualidade Automóvel)

Requisitos especializados:

• Implementação da FMEA do processo
• Documentação PPAP
• Resolução de problemas 8D
• 0 ppm objectivos de defeitos

Impacto na cadeia de abastecimento:

• Obrigatório para fornecedores do sector automóvel de nível 1/ nível 2
• Requer índices de capacidade de processamento (CpK >1,67)
• Auditorias de controlo anuais

5. Conformidade RoHS (Restrições de materiais)

Limites da substância:

Métodos de ensaio:

• Despistagem por XRF
• Verificação ICP-MS
• Declarações anuais de fornecedores

6. Regulamento REACH (Segurança Química)

Quadro de Conformidade:

• 241 substâncias SVHC (a partir de 2023)
• Relatórios da base de dados SCIP
• Requisitos de documentação da FDS

Desafios da indústria de PCB:

• Conformidade com o laminado sem halogéneos
• Química do fluxo de soldadura
• Formulações de revestimentos conformes

Matriz de estratégia de certificação

Panorâmica dos campos de aplicação de PCB

Enquanto componente central dos produtos electrónicos, as placas de circuito impresso penetraram em vários sectores tecnológicos:

• Eletrónica de consumo

• Smartphones/Tablets: Placas de alta densidade com 8-12 camadas
• Casa inteligente: Módulos de controlo Wi-Fi
• Vestíveis: Circuitos flexíveis e dobráveis

• Infra-estruturas de comunicação

• Estações de base 5G: Substratos especiais de alta frequência
• Centros de dados: Projectos de transmissão de sinal de alta velocidade

• Eletrónica automóvel

• Veículos convencionais: Quadros de controlo de 4-6 camadas
• EVs: Sistemas de gestão de baterias de alta tensão

• Equipamento industrial

• Robótica: Modelos de cobre espesso resistentes a vibrações
• Automação: Circuitos resistentes a altas temperaturas

• Aeroespacial

• Satélites: Substratos especiais endurecidos por radiação
• Aeronaves: Projectos adaptados a temperaturas extremas

• Sistemas de energia

• Redes inteligentes: requisitos de elevada fiabilidade
• Energias renováveis: Módulos de conversão de alta potência

Tendências tecnológicas:

• Maior integração (miniaturização de componentes)
• Melhor conceção térmica (materiais de alta condutividade)
• Maior adaptabilidade ambiental (normas de nível militar)

A tecnologia PCB continua a impulsionar a inovação em dispositivos electrónicos em todas as indústrias.

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