O que é uma placa de circuito impresso rígida e como é fabricada?

O que é um PCB rígido e como é fabricado?

A placa de circuito impresso rígida (PCB) é uma placa de circuito impresso baseada num substrato rígido, com uma estrutura mecânica estável e excelente desempenho elétrico. É amplamente utilizada em computadores, equipamentos de comunicação, controlo industrial e eletrónica de consumo, fornecendo ligações elétricas fiáveis e suporte físico para componentes eletrónicos.

1. Características e vantagens das placas de circuito impresso rígidas

As placas de circuito impresso rígidas utilizam principalmente laminado epóxi reforçado com fibra de vidro (como FR-4, CEM-3) como material base, fabricados através de processos como laminação, transferência de padrões e gravação. As suas principais características incluem:

• Elevada resistência mecânica: O substrato rígido oferece alta resistência à flexão e vibração, adequado para instalações fixas.
• Excelente desempenho elétrico: Constante dielétrica estável e baixa perda de transmissão de sinal, suportando aplicações de alta frequência e alta velocidade.
• Boa estabilidade térmica: Resistente ao calor com uma temperatura de transição vítrea (Tg) tipicamente superior a 140°C.
• Alta densidade de cablagem: Suporta projectos multicamadas (normalmente 4-12 camadas), permitindo esquemas de circuitos complexos.

Em comparação com as placas de circuito impresso flexíveis (Flex PCBs), as placas rígidas têm um custo mais baixo e processos de fabricação mais maduros, mas são menos flexíveis e leves. A tabela abaixo compara as principais características dos dois tipos:

2. Processo de fabrico de PCBs rígidos

A fabricação de PCBs rígidos é um processo de alta precisão e várias etapas, compreendendo principalmente as seguintes fases:

• Produção de circuitos de camada interna

• Corte: O laminado revestido a cobre é cortado de acordo com as dimensões do projeto com uma precisão de ±0,1 mm.
• Laminação e exposição de filmes: É aplicada uma película seca fotossensível e os padrões dos circuitos são transferidos através da exposição aos raios UV.
• Desenvolvimento e gravação: O filme seco não exposto e o cobre são removidos para formar circuitos condutores.
• Inspeção AOI: A inspeção ótica automatizada verifica parâmetros como largura e espaçamento das linhas.

• Laminação e prensagem

• Oxidação castanha: Melhorar a adesão entre as camadas internas de cobre e o pré-impregnado.
• Empilhamento e prensagem de camadas: Múltiplas camadas são prensadas sob alta temperatura (180-200°C) e pressão (300-400 psi).

• Perfuração e metalização

• Perfuração mecânica/a laser: Cria orifícios passantes, vias cegas ou vias enterradas.
• Deposição e revestimento de cobre: O cobre depositado quimicamente e galvanizado metaliza as paredes dos orifícios para conexões entre camadas.

• Circuito da camada externa e acabamento da superfície

• Transferência de padrões: A tecnologia Laser Direct Imaging (LDI) cria circuitos na camada externa.
• Máscara de solda e serigrafia: A tinta resistente à solda é aplicada e as marcações dos componentes são impressas.
• Acabamento da superfície: Processos como HASL, ENIG ou OSP são escolhidos com base nas necessidades da aplicação.

• Testes e inspecções

• Ensaios eléctricos: Continuidade testada através de sonda voadora ou teste de cama de pregos.
• Validação da fiabilidade: Inclui ciclagem térmica, testes de alta temperatura/humidade, testes de impedância, etc.

3. Como melhorar a confiabilidade das placas de circuito impresso rígidas?

Para aumentar a confiabilidade das placas de circuito impresso rígidas em ambientes adversos, é necessária uma otimização sistemática dos materiais, do design, da fabricação e dos processos de teste:

• Seleção de materiais

• Para aplicações de alta frequência, use Substratos de PTFE (Dk≈3,0, Df<0,005).
• Para ambientes com altas temperaturas (por exemplo, eletrónica automóvel), utilize FR-4 de alta Tg (Tg≥170°C).
• Para necessidades de dissipação de calor, use substratos de núcleo metálico (condutividade térmica do núcleo de alumínio 1-3 W/m-K).

• Otimização da conceção

• Conceção da ligação à terra: Use aterramento multiponto para circuitos de alta frequência e aterramento de ponto único para circuitos de baixa frequência.
• Gestão térmica: Adicionar vias térmicas, utilizar uma folha de cobre espessa (≥2 oz).
• Integridade do sinal: Desvio da impedância de controlo dentro de ±10%, tolerância da largura da linha ±0,05mm.

• Controlo de processos

• Processo de laminação: A prensagem a vácuo reduz as bolhas entre as camadas.
• Precisão da perfuração: Erro de posição do furo ≤50μm, rácio de aspeto ≤8:1.
• Processo de soldadura: Utilizar solda sem chumbo SAC305, temperatura de pico de refluxo 245°C±5°C.

• Normas de teste

• Siga os padrões da indústria, como IPC-6012 e IPC-A-600.
• Implementar o rastreio de stress ambiental (ESS), por exemplo, 1000 ciclos térmicos (-40°C a 125°C).

4. PCB rígido vs. PCB flexível: como escolher?

5. Cenários de aplicação e recomendações de seleção

• Eletrónica de consumo (placas-mãe, eletrodomésticos): FR-4 preferido por seu baixo custo e processo maduro.
• Controlo industrial (PLCs, sensores): Alta confiabilidade necessária; recomenda-se o uso de placas FR-4 com alta Tg ou placas multicamadas.
• Eletrónica automóvel (ECUs, radar): Requer resistência a altas temperaturas e resistência à vibração; um substrato metálico ou cerâmico é opcional.
• Equipamento de comunicação (estações base 5G, módulos RF): As aplicações de alta frequência requerem materiais PTFE ou Rogers.