Já alguma vez se maravilhou com o intrincado funcionamento interno do seu smartphone ou se perguntou como é que um complexo sistema de satélite consegue caber num pacote tão compacto? A resposta está numa invenção notável que revolucionou o mundo da eletrónica: a placa de circuito impresso. Estes componentes despretensiosos, mas engenhosos, constituem a espinha dorsal de praticamente todos os dispositivos electrónicos que utilizamos atualmente, desde as calculadoras mais simples aos supercomputadores mais avançados.
Iremos explorar a sua composição, design, processos de fabrico e o seu papel crucial na tecnologia moderna. Quer seja um engenheiro experiente ou simplesmente curioso sobre o funcionamento interno dos seus gadgets favoritos, este artigo irá fornecer-lhe um conhecimento profundo destes componentes electrónicos essenciais.
O que é uma placa de circuitos impressos
Uma placa de circuito impresso (PCB) é uma placa plana feita de materiais não condutores que serve de plataforma para ligar e suportar componentes electrónicos no seu núcleo. Mas esta definição simples mal arranha a superfície da sua verdadeira complexidade e importância.
Imagine, por exemplo, uma cidade em miniatura onde as estradas são feitas de cobre e os edifícios são componentes electrónicos. Esta cidade, assente numa base rígida e isolante, é essencialmente o que uma placa de circuito impresso representa no mundo da eletrónica. As "estradas" na nossa analogia são, na verdade, finas vias de cobre chamadas traços, que são gravadas ou impressas na superfície da placa. Estes traços funcionam como os fios que ligam vários componentes electrónicos, permitindo que a eletricidade flua entre eles de forma precisamente controlada.
A base desta cidade eletrónica é normalmente feita de um material chamado FR4, que é um tipo de laminado epóxi reforçado com fibra de vidro. O FR4 é apreciado pelas suas excelentes propriedades de isolamento elétrico, resistência mecânica e resistência ao calor e à humidade. No entanto, dependendo da aplicação específica, podem ser utilizados outros materiais, como epóxis ou fenólicos, especialmente para aplicações menos exigentes ou mais sensíveis em termos de custos.
As placas de circuito impresso revolucionaram o fabrico eletrónico. Antes do advento das placas de circuito impresso, os dispositivos electrónicos baseavam-se em técnicas de cablagem ponto-a-ponto ou de enrolamento de fios. Estes métodos não só eram trabalhosos e demorados, como também eram propensos a erros e problemas de fiabilidade. As placas de circuito impresso, pelo contrário, oferecem uma solução mais simples, fiável e económica para a criação de circuitos electrónicos complexos.
Camadas e materiais de PCB
Para compreender verdadeiramente as placas de circuito impresso, temos de retirar as suas camadas - literalmente. Uma PCB não é apenas uma placa única e uniforme, mas sim uma sanduíche cuidadosamente concebida de diferentes materiais, cada um com um objetivo específico. Vamos examinar estas camadas em pormenor:
Camada de substrato
A camada de substrato é o coração de cada placa de circuito impresso. É a base sobre a qual tudo o resto é construído, e as suas propriedades são cruciais para o desempenho geral da placa. Como mencionado anteriormente, o material mais comum utilizado para substratos de PCB é o FR4, mas porque é que este material é tão omnipresente na indústria?
A popularidade do FR4 deve-se à sua notável combinação de propriedades. Oferece um excelente isolamento elétrico, que é crucial para evitar o fluxo indesejado de corrente entre diferentes partes do circuito. Mas as propriedades eléctricas são apenas o começo. O FR4 também possui uma impressionante resistência mecânica, permitindo-lhe suportar os rigores do fabrico e da utilização sem deformar ou partir.
Um parâmetro crítico do material do substrato é a sua temperatura de transição vítrea (Tg). Esta é a temperatura à qual o material começa a amolecer e a perder a sua estrutura rígida. Para o FR4, esta temperatura é normalmente de cerca de 130-140°C, o que é suficiente para a maioria das aplicações. No entanto, para aplicações de alto desempenho ou de alta temperatura, podem ser necessários materiais com valores de Tg mais elevados.
Outras propriedades importantes do substrato incluem a resistência à tração, a constante dieléctrica, a absorção de humidade e a expansão térmica. A resistência à tração determina a quantidade de tensão que a placa pode suportar antes de se partir. A constante dieléctrica afecta o desempenho elétrico da placa, especialmente a altas frequências. É importante ter em conta a absorção de humidade, uma vez que as taxas de absorção mais baixas são geralmente preferidas para manter as propriedades eléctricas e mecânicas da placa ao longo do tempo. A expansão térmica é particularmente importante para placas que sofrerão flutuações significativas de temperatura durante o funcionamento.
O FR4 é a escolha ideal para a maioria das aplicações, mas também podem ser utilizados outros materiais quando são necessárias propriedades específicas. Por exemplo, os substratos de alumínio podem ser utilizados em aplicações em que a dissipação de calor é uma preocupação fundamental.
Camada de cobre
Encontramos o que é, sem dúvida, o componente mais crucial de uma placa de circuito impresso no topo da camada de substrato: a camada de cobre. Esta fina camada de folha de cobre é laminada ao substrato e forma as vias condutoras que permitem o fluxo de eletricidade através do circuito.
A espessura desta camada de cobre é normalmente especificada em onças por pé quadrado (oz/ft²), sendo 1 oz/ft² um padrão comum. Esta pode parecer uma unidade de medida estranha, mas está profundamente enraizada na história do fabrico de PCB. Em termos práticos, 1 oz/ft² traduz-se numa espessura de cerca de 35 micrómetros (µm).
Porque é que a espessura do cobre é importante? Tem tudo a ver com a capacidade de transporte de corrente e a dissipação de calor. O cobre mais espesso pode suportar correntes mais elevadas e dissipar o calor de forma mais eficaz. Por este motivo, é possível encontrar PCBs com 2 oz/ft² ou mesmo 3 oz/ft² de cobre em aplicações de alta potência.
A camada de cobre não cobre toda a placa como uma folha sólida. Em vez disso, é gravada em padrões específicos para criar os traços que formam o circuito. A largura e o espaçamento destes traços são parâmetros críticos de design que afectam o desempenho elétrico da placa e o rendimento do fabrico.
Camada de máscara de solda
Se alguma vez olhou atentamente para uma placa de circuito impresso, provavelmente reparou na sua cor caraterística - frequentemente verde, embora sejam certamente possíveis outras cores. Esta coloração provém da camada de máscara de solda, que é aplicada sobre a camada de cobre.
A máscara de solda tem várias funções cruciais. Protege os traços de cobre da oxidação e de curto-circuitos. Também evita que a solda faça ponte entre as almofadas de solda muito espaçadas durante o processo de montagem. Além disso, proporciona um fundo de alto contraste para a camada de serigrafia, facilitando a colocação dos componentes.
O verde é a cor mais comum para a máscara de solda (uma tradição que remonta às suas origens militares). Estão disponíveis outras cores como o vermelho, o azul, o preto e até o transparente. A escolha da cor tem muitas vezes mais a ver com a estética ou com convenções específicas da indústria do que com a funcionalidade, embora algumas cores possam oferecer um contraste ligeiramente melhor para a inspeção visual.
Camada de serigrafia
A última camada que normalmente vemos numa placa de circuito impresso é a serigrafia. Esta é normalmente branca (embora sejam possíveis outras cores) e contém texto e símbolos que ajudam na montagem, teste e utilização da placa.
A serigrafia pode incluir designadores de componentes (por exemplo, R1 para a primeira resistência, C3 para o terceiro condensador), indicadores de polaridade para componentes polarizados e indicadores do Pino 1 para circuitos integrados. Pode também incluir o logótipo do fabricante ou o número de revisão da placa, bem como símbolos de aviso ou outros avisos importantes.
A serigrafia não afecta diretamente a função eléctrica da placa, mas a sua importância não deve ser subestimada. Uma serigrafia bem concebida pode acelerar significativamente os processos de montagem e de resolução de problemas, poupando potencialmente inúmeras horas durante o ciclo de vida de um produto.
Outros materiais e considerações
Por exemplo, as placas multicamadas utilizam folhas de resina epóxi parcialmente curada, denominada pré-impregnado, entre as camadas condutoras. Quando aquecido e pressionado, o pré-impregnado flui e depois cura, unindo as camadas numa estrutura sólida.
Além disso, embora o FR4 seja o material de substrato mais comum, não é a única opção. Dependendo dos requisitos específicos da aplicação, podem ser utilizados outros materiais. As placas de circuito impresso de alumínio podem ser utilizadas para uma melhor dissipação de calor, enquanto os substratos flexíveis, como o Kapton ou o Pyralux, são utilizados para aplicações em que a placa de circuito impresso tem de se dobrar ou flexionar. Os substratos cerâmicos são utilizados para aplicações de frequência extremamente elevada.
Ao selecionar materiais para uma placa de circuito impresso, os engenheiros devem considerar uma vasta gama de propriedades para além das básicas que já discutimos. Estas podem incluir a constante dieléctrica (Dk), o fator de dissipação (Df) e o coeficiente de expansão térmica (CTE). A constante dieléctrica (Dk) afecta o desempenho elétrico da placa, especialmente a altas frequências. O fator de dissipação (Df) está relacionado com a quantidade de energia que se perde sob a forma de calor no material dielétrico. O coeficiente de expansão térmica (CTE) é particularmente importante para placas que sofrerão flutuações significativas de temperatura durante a operação.
Componentes electrónicos numa PCB
Uma placa de circuito impresso serve de base a uma vasta gama de componentes electrónicos, cada um deles desempenhando um papel único no funcionamento geral do circuito.
Resistências
Já alguma vez se perguntou como é que a corrente eléctrica é controlada num circuito? É aí que entram as resistências. Estes componentes omnipresentes são os cavalos de batalha dos circuitos electrónicos, controlando o fluxo de corrente e dividindo as tensões.
Condensadores
Se as resistências controlam o fluxo de corrente, que componentes armazenam a energia eléctrica? Essa é a função dos condensadores. Estes componentes podem armazenar e libertar rapidamente energia eléctrica, o que os torna cruciais para tarefas como suavizar as saídas da fonte de alimentação ou acoplar sinais entre fases do circuito.
Indutores
Embora menos comuns do que as resistências e os condensadores, os indutores desempenham um papel vital em muitos circuitos. Estes componentes armazenam energia em campos magnéticos e podem bloquear sinais de alta frequência, permitindo a passagem de sinais DC e de baixa frequência.
Transístores
Os transístores são os blocos de construção da eletrónica moderna. Estes dispositivos de três terminais podem amplificar sinais ou atuar como interruptores, constituindo a base de toda a lógica digital.
Díodos
E se precisarmos que a corrente flua apenas numa direção? É aí que entram os díodos. Estes dispositivos de dois terminais permitem que a corrente flua numa direção enquanto a bloqueiam na outra.
Circuitos integrados (CIs)
Os circuitos integrados são o auge da miniaturização eletrónica. Estes componentes agrupam circuitos inteiros - por vezes com milhares de milhões de transístores - numa única pastilha.
Conectores
Como é que os sinais e a energia entram e saem de uma PCB? Através de conectores. Estes componentes constituem a interface entre a placa de circuito impresso e o mundo exterior.
Interruptores
Os interruptores permitem o controlo manual de um circuito.
Transformadores
Os transformadores são componentes cruciais em fontes de alimentação e circuitos de áudio. Utilizam a indução electromagnética para transferir energia eléctrica entre circuitos, alterando frequentemente os níveis de tensão no processo.
Sensores
No nosso mundo cada vez mais inteligente e conectado, os sensores desempenham um papel vital. Estes componentes convertem fenómenos físicos - como a temperatura, a pressão ou a luz - em sinais eléctricos que podem ser processados pelo circuito.
Fusíveis e disjuntores
A segurança é fundamental na conceção eletrónica, e é aí que entram os fusíveis e os disjuntores. Estes componentes protegem os circuitos de condições de sobreintensidade, interrompendo o circuito se a corrente exceder um nível seguro.
Potenciómetros
Precisa de ajustar manualmente o comportamento de um circuito? Os potenciómetros, muitas vezes abreviados para "pots", são resistências variáveis que permitem esses ajustes.
Osciladores de cristal
A temporização é crucial em muitos circuitos electrónicos, e os osciladores de cristal fornecem uma base de tempo altamente estável.
Conceção e fabrico de PCB
A viagem de uma ideia de circuito para uma PCB acabada é um processo fascinante que combina engenharia eléctrica, ciência dos materiais e fabrico de precisão. Vamos percorrer as principais fases da criação de PCB:
Fase de projeto
Captura de esquemas
O primeiro passo na criação de uma PCB é capturar o desenho do circuito num esquema. É aqui que os engenheiros definem as ligações lógicas entre os componentes, criando essencialmente um mapa de como o circuito deve funcionar. O software moderno de conceção de PCB torna este processo muito mais fácil do que era anteriormente, mas continua a exigir um conhecimento profundo da eletrónica e da teoria dos circuitos.
Durante a captura de esquemas, os engenheiros devem considerar factores como a seleção de componentes, o fluxo de sinais, a distribuição de energia e as regras de conceção. A seleção de componentes envolve a escolha dos componentes certos com os valores e classificações corretos. O fluxo de sinais assegura que os sinais se movem através do circuito da forma pretendida. A distribuição de energia envolve o planeamento da forma como a energia será fornecida às várias partes do circuito. As regras de conceção requerem a adesão às melhores práticas e a quaisquer requisitos específicos para o projeto.
Disposição da placa de circuito impresso
O passo seguinte é traduzir essa representação lógica numa disposição física quando o esquema estiver completo. É aqui que a borracha encontra a estrada no design de PCB, e é frequentemente considerado tanto uma arte como uma ciência.
Durante o processo de disposição, os designers têm de considerar a colocação dos componentes, o encaminhamento dos traços, o empilhamento das camadas, a integridade do sinal, a integridade da energia e a compatibilidade electromagnética (CEM). A colocação de componentes envolve a disposição dos componentes para otimizar o fluxo de sinal, a gestão térmica e a facilidade de montagem. O encaminhamento de traços é o processo de criação das vias de cobre que ligarão os componentes de acordo com o esquema. O empilhamento de camadas requer a decisão sobre o número de camadas que a PCB terá e a forma como serão dispostas. A integridade do sinal garante que os sinais de alta velocidade se podem propagar sem distorção ou interferência. A integridade da alimentação envolve a conceção de planos de alimentação e o desacoplamento para fornecer uma alimentação limpa e estável a todos os componentes. A compatibilidade electromagnética (CEM) exige a minimização da interferência electromagnética tanto a partir da placa como para a mesma.
O software moderno de disposição de placas de circuito impresso fornece ferramentas poderosas para ajudar nestas tarefas, incluindo roteadores automáticos e verificadores de regras de conceção. No entanto, as placas complexas requerem frequentemente uma intervenção manual significativa para obter resultados óptimos.
Fase de fabrico
Imagiologia e gravura
O processo de fabrico começa quando o desenho está concluído. O primeiro passo é transferir o desenho para a placa revestida a cobre. Normalmente, isto é feito através de um processo fotolitográfico. A placa é revestida com uma película sensível à luz, designada por fotorresistente. O desenho da placa de circuito impresso é impresso numa película transparente para criar uma fotomáscara. A fotomáscara é alinhada com a placa e o conjunto é exposto à luz UV. As áreas expostas do fotorresiste endurecem, enquanto as áreas não expostas permanecem moles. A placa é revelada, removendo o fotorresiste macio e deixando para trás um padrão que corresponde ao desenho da placa de circuito impresso.
A placa é submetida a um processo de gravação após a obtenção da imagem. Este processo utiliza produtos químicos para remover o cobre exposto, deixando para trás apenas os traços de cobre que formam o circuito. O restante fotorresiste é então removido, revelando o padrão de cobre acabado.
Perfuração e galvanização
De seguida, são feitos furos na placa para os cabos e vias dos componentes (ligações entre camadas). No fabrico moderno, isto é normalmente feito com máquinas de perfuração controladas por computador para maior precisão.
Após a perfuração, a placa passa por um processo de revestimento. Este processo deposita uma fina camada de cobre nas paredes dos orifícios perfurados, criando ligações eléctricas entre as camadas. No caso de placas multicamadas, este processo pode ser repetido várias vezes à medida que as camadas são construídas.
Máscara de solda e aplicação de serigrafia
A máscara de solda é aplicada de seguida. Trata-se normalmente de uma camada fina de polímero que é aplicada em ambos os lados da placa, deixando o cobre exposto apenas nos locais onde os componentes serão soldados. A placa é então curada, normalmente utilizando calor ou luz UV, para endurecer a máscara de solda.
Por fim, é aplicada a serigrafia. Normalmente, isto é feito através de um processo de serigrafia, embora algumas placas topo de gama possam utilizar a impressão a jato de tinta para obter detalhes mais finos.
Fase de montagem
Colocação de componentes
É altura de adicionar os componentes com a placa completa. Para placas simples ou pequenas séries de produção, isto pode ser feito à mão. No entanto, a maior parte da montagem moderna de PCB utiliza máquinas automáticas de recolha e colocação que podem colocar componentes com uma velocidade e precisão incríveis.
Soldadura
Devem ser fixadas de forma permanente à placa depois de os componentes estarem colocados. Normalmente, isto é feito através de um de dois métodos:
Soldadura por onda: A placa é passada sobre uma onda de solda derretida, que adere às superfícies metálicas expostas, criando as ligações necessárias. Este método é normalmente utilizado para componentes com orifícios de passagem.
Soldadura por refluxo: A pasta de solda é aplicada à placa antes da colocação dos componentes. Todo o conjunto é então aquecido num forno de refluxo, derretendo a solda e criando as ligações. Este método é utilizado para componentes de montagem em superfície.
Testes e inspecções
A etapa final do fabrico de PCB é o teste e a inspeção. Isto pode incluir inspeção visual, inspeção ótica automatizada (AOI), testes em circuito e testes funcionais. A inspeção visual envolve a verificação de defeitos óbvios, como componentes mal colocados ou pontes de solda. A inspeção ótica automatizada (AOI) utiliza câmaras e processamento de imagem para detetar defeitos. O teste no circuito envolve a sondagem de vários pontos na placa para verificar a montagem correta. Os testes funcionais requerem que se ligue a placa e se verifique se funciona como previsto.
As placas que não passam nestes testes são retrabalhadas, se possível, ou eliminadas, se os defeitos forem demasiado graves.
Como funcionam as placas de circuito impresso
Agora que já explorámos a composição e o fabrico de PCB, vamos analisar o seu funcionamento em dispositivos electrónicos. Uma placa de circuito impresso funciona como uma estrutura de suporte físico para componentes electrónicos e como uma rede complexa de ligações eléctricas no seu núcleo. Mas como é que esta placa aparentemente simples permite a funcionalidade sofisticada da eletrónica moderna?
PCBs como plataformas de interconexão
Pense numa PCB como uma cidade em miniatura, em que os edifícios são os componentes electrónicos e as estradas são os traços de cobre. Tal como a infraestrutura de uma cidade permite que as pessoas e os bens circulem eficazmente entre os edifícios, os traços de uma placa de circuito impresso permitem que os sinais eléctricos e a energia circulem entre os componentes.
Este papel de interligação é crucial. Sem as PCB, teríamos de ligar cada componente individualmente com fios - um processo que seria moroso, propenso a erros e resultaria em dispositivos volumosos e pouco fiáveis. As PCBs resolvem este problema fornecendo uma plataforma padronizada, compacta e fiável para a interligação de componentes.
O papel dos vestígios
Os traços de cobre numa placa de circuito impresso são a força vital do circuito. Estes caminhos finos, muitas vezes com menos de um milímetro de largura, transportam sinais eléctricos e energia por toda a placa. A disposição destes traços é fundamental para o funcionamento do circuito.
Por exemplo, num circuito digital, os traços podem transportar sinais de dados entre um microprocessador e chips de memória. Num circuito analógico, podem transportar sinais de áudio entre vários estágios de amplificação. A largura, o comprimento e o encaminhamento destes traços podem ter um impacto significativo no desempenho do circuito, especialmente em aplicações de alta frequência, onde factores como a impedância e a reflexão do sinal se tornam críticos.
Interação de componentes
Embora os traços forneçam os caminhos, é a interação entre os componentes que confere a um circuito a sua funcionalidade. Cada componente na placa desempenha um papel específico: as resistências controlam o fluxo de corrente e dividem as tensões; os condensadores armazenam e libertam energia eléctrica, suavizando as fontes de alimentação e acoplando sinais CA; os indutores armazenam energia em campos magnéticos, úteis para filtragem e conversão de energia; e os transístores e circuitos integrados processam e amplificam sinais, formando a base de todo o processamento digital e analógico.
A disposição específica destes componentes, ligados pelos traços da placa de circuito impresso, determina a função global do circuito. Este pode ser tão simples como um circuito de pisca-pisca LED ou tão complexo como a placa principal de um smartphone.
Encaminhamento de sinais e distribuição de energia
As placas de circuito impresso são capazes de encaminhar sinais e distribuir energia de forma eficiente. Numa placa de circuito impresso multicamada, camadas inteiras podem ser dedicadas à distribuição de energia e à ligação à terra. Isto permite um fornecimento de energia mais eficiente e um melhor isolamento do ruído em comparação com os métodos de cablagem tradicionais.
O encaminhamento de sinais em PCBs pode ser incrivelmente complexo, especialmente em circuitos digitais de alta velocidade. Os projectistas têm de considerar factores como a correspondência do comprimento do traço, o controlo da impedância e a minimização da diafonia. A correspondência do comprimento do traço assegura que os sinais paralelos (como as linhas de bus de dados) têm o mesmo comprimento elétrico para chegarem simultaneamente. O controlo da impedância requer a manutenção de uma impedância consistente ao longo de um traço para evitar reflexões de sinal. A minimização de diafonia evita que os sinais num traço interfiram com os traços adjacentes.
O software moderno de conceção de placas de circuito impresso fornece ferramentas para ajudar a gerir estas complexidades, mas continua a ser necessário um conhecimento significativo para otimizar a disposição de uma placa para obter o melhor desempenho.
O PCB como um sistema
Uma placa de circuito impresso é mais do que a simples soma das suas partes. A própria placa, com as suas propriedades materiais e disposição específicas, torna-se parte integrante do circuito. Por exemplo:
- As propriedades dieléctricas do substrato afectam a capacitância entre os traços, o que pode ter impacto na propagação de sinais de alta frequência.
- As propriedades térmicas da placa influenciam a forma como o calor é dissipado dos componentes que consomem muita energia.
- A disposição física dos componentes e dos traços pode afetar as emissões electromagnéticas do circuito e a suscetibilidade a interferências.
Essencialmente, a placa de circuito impresso não aloja apenas o circuito - torna-se parte do circuito. É por esta razão que a conceção da placa de circuito impresso é uma parte tão importante do desenvolvimento de produtos electrónicos. Uma placa de circuito impresso bem concebida pode melhorar o desempenho, a fiabilidade e a capacidade de fabrico de um produto, ao passo que uma placa mal concebida pode dar origem a problemas de funcionalidade, compatibilidade electromagnética ou gestão térmica.
Portuguese 
English 
German 
French 
Spanish 
Korean