Explicação pormenorizada dos principais parâmetros da placa de circuito impresso
1. Parâmetros de desempenho elétrico
As propriedades eléctricas de uma placa de circuito impresso afectam diretamente a integridade do sinal, especialmente em circuitos de alta frequência e alta velocidade.
- Constante dieléctrica (Dk) - Mede a capacidade de um material para armazenar energia eléctrica. Valores de Dk mais baixos (por exemplo, PTFE com Dk≈2.2) permitem uma transmissão de sinal mais rápida, tornando-os ideais para aplicações 5G e de ondas milimétricas.
- Fator de dissipação (Df/Tangente de perda) - Indica a perda de energia do sinal. As aplicações de alta frequência (por exemplo, radar, comunicação por satélite) requerem Df < 0,005.
- Resistividade de superfície/volume - A elevada resistência de isolamento (>10¹² Ω-cm) evita correntes de fuga, crucial para PCBs de alta tensão (por exemplo, módulos de potência).
- Tensão de rutura - O FR4 padrão suporta ≥20 kV/mm, enquanto os substratos cerâmicos podem suportar até 50 kV/mm.
- Controlo de impedância - As PCBs de alta velocidade (por exemplo, DDR5, PCIe 6.0) exigem uma tolerância de impedância apertada (±5%) para minimizar as reflexões de sinal.
2. Parâmetros de desempenho térmico
A resistência ao calor de uma placa de circuito impresso determina a sua fiabilidade em ambientes de alta temperatura, especialmente para a soldadura sem chumbo e a estabilidade a longo prazo.
- Temperatura de transição vítrea (Tg) - O FR4 padrão tem Tg≈130°C, enquanto os PCB de alta Tg (Tg≥170°C) são utilizados na eletrónica automóvel e militar.
- Temperatura de decomposição térmica (Td) - Os materiais com Td > 325°C (por exemplo, Isola 370HR) são preferidos para a soldadura sem chumbo.
- Condutividade térmica - O FR4 tem uma baixa condutividade térmica (~0,3 W/m-K), enquanto os PCB com núcleo metálico (por exemplo, alumínio) podem atingir 10 W/m-K, o que os torna ideais para o arrefecimento de LED.
- Coeficiente de Expansão Térmica (CTE) - O CTE do eixo Z deve ser <50 ppm/°C para evitar a delaminação em PCB multicamadas (os substratos IC requerem CTE≈6 ppm/°C).
3. Parâmetros de desempenho mecânico
A resistência mecânica tem impacto nos processos de montagem e na durabilidade a longo prazo.
- Resistência à flexão - O FR4 padrão varia entre 400-600 MPa, enquanto os PCB flexíveis (poliimida) requerem >200 MPa.
- Força do peeling - A aderência do cobre deve exceder 1,0 N/mm (norma IPC) para evitar o desprendimento da folha durante a soldadura.
- Absorção de água - A baixa absorção de humidade (<0,2%) evita a formação de bolhas; os laminados de alta frequência mantêm normalmente <0,1%.
4. Caraterísticas estruturais
A precisão do fabrico é fundamental para interligação de alta densidade (HDI) e desenhos miniaturizados.
- Tolerância de espessura do cobre - O cobre padrão de 1 oz tem tolerância de ±10%, enquanto os circuitos de precisão exigem ±5%.
- Precisão do registo camada a camada - As PCBs HDI exigem um alinhamento de <25 μm, enquanto as placas multicamadas padrão permitem <50 μm.
- Traço/Espaço mínimo (L/S) - As placas de circuito impresso padrão utilizam 0,1 mm/0,1 mm, enquanto os substratos de CI avançados atingem 20 μm/20 μm.
5. Métricas de teste de fiabilidade
Os PCBs devem passar por testes rigorosos para garantir a estabilidade a longo prazo.
- Resistência do filamento anódico condutor (CAF) - Avalia os riscos de curto-circuito em condições de humidade (85°C/85% RH durante 1000 horas).
- Resistência de isolamento da superfície (SIR) - Deve exceder 10⁸ Ω (de acordo com as normas JIS).
- Teste de ciclo térmico - Resiste a 100 ciclos (-55°C a 125°C) sem fissuras (os PCB para automóveis exigem testes mais rigorosos).
6. Conformidade ambiental e de processos
Os regulamentos ambientais (por exemplo, RoHS, REACH) impulsionam os avanços dos materiais PCB.
- Índice Comparativo de Acompanhamento (CTI) - Os dispositivos médicos necessitam da Classe 3 (400-600V), enquanto os controlos industriais necessitam da Classe 2.
- Sem halogéneo - O teor de cloro/bromo deve ser inferior a 900 ppm para reduzir as emissões tóxicas.
- Retardância à chama (UL94) - V-0 é a classificação mais elevada, obrigatória para aplicações aeroespaciais.
Classificação e seleção de placas PCB
1. Materiais comuns de PCB
- FR4 - Laminado de vidro epoxídico normalizado para eletrónica de consumo.
- CEM-3 - Substrato compósito, económico para PCB simples de dupla face.
- PCB com elevado teor de Tg (Tg≥170°C) - Resistente ao calor para utilização automóvel e militar.
- Laminados de alta frequência (por exemplo, Rogers RO4003C) - Dk/Df baixo para aplicações 5G/radar.
- PCBs com núcleo metálico (Alumínio/Cobre) - Excelente gestão térmica para LEDs e módulos de potência.
2. Comparação dos graus dos materiais para PCB
| Grau do material | Caraterísticas | Aplicações típicas |
|---|
| 94HB | À base de papel, não retardador de chama | Eletrónica de consumo de baixo custo |
| 94V0 | Substrato de papel retardador de chama | Quadros de controlo de aparelhos domésticos |
| CEM-1 | Fibra de vidro de uma face | Circuitos simples |
| CEM-3 | Semi-vidro de dupla face | PCBs de camada dupla de baixo custo |
| FR4 | Fibra de vidro padrão | Eletrónica de consumo, controlos industriais |
| FR4 de alta Tg | Resistente a altas temperaturas | Indústria automóvel, aeroespacial |
3. Como escolher o material correto para a placa de circuito impresso?
- Aplicações de alta frequência → Materiais de baixo Dk/Df (Rogers, Taconic).
- Ambientes de alta temperatura → Materiais de alta Tg (≥170°C) ou alta Td (>325°C).
- Dissipação de calor de alta potência → Núcleo metálico ou FR4 de elevada condutividade térmica.
- Requisitos ecológicos → Materiais isentos de halogéneos e em conformidade com a diretiva RoHS.
A seleção dos parâmetros da placa de circuito impresso afecta diretamente o desempenho, a fiabilidade e o custo do produto. Os engenheiros têm de selecionar materiais de placa adequados (como FR4, CEM-3, PCB de alta Tg, etc.) com base no cenário de aplicação (como alta frequência, alta temperatura, alta potência) e otimizar o design para melhorar a integridade do sinal, as capacidades de dissipação de calor e a resistência mecânica.