Que materiais são utilizados para fabricar placas de circuitos impressos

As placas de circuito impresso (PCB) são a espinha dorsal da eletrónica moderna, fornecendo uma plataforma para interligar e suportar vários componentes. Estes heróis desconhecidos podem ser encontrados em quase todos os dispositivos electrónicos que utilizamos diariamente, desde smartphones e computadores a equipamento médico e sistemas automóveis. Mas já se interrogou sobre os materiais utilizados no fabrico destes componentes essenciais?

Neste artigo, vamos mergulhar no mundo dos materiais para PCB, explorando os principais componentes que constituem estas placas complexas e a forma como as suas propriedades influenciam o desempenho e a fiabilidade dos dispositivos electrónicos.

Introdução aos materiais para PCB

Uma placa de circuito impresso é uma estrutura plana e rígida que contém circuitos eléctricos constituídos por superfícies metálicas embutidas, designadas por traços, e áreas maiores de metal, designadas por planos. Os componentes são soldados à placa em placas de metal, que estão ligadas aos circuitos da placa, permitindo a sua interligação. Uma placa de circuito impresso pode ser composta por uma, duas ou várias camadas de circuitos.

As placas de circuito impresso são construídas com um núcleo de material dielétrico com fracas propriedades de condução eléctrica para garantir uma transmissão pura dos circuitos. Este núcleo é intercalado com camadas extra de metal e dielétrico, conforme necessário. O material dielétrico padrão utilizado nas placas de circuito é um composto resistente às chamas de tecido de fibra de vidro e resina epóxi, conhecido como FR-4, enquanto os traços e planos metálicos para os circuitos são normalmente compostos de cobre.

Os principais componentes de uma placa de circuito impresso incluem:

• Substrato: Fornece suporte mecânico e isolamento elétrico
• Camada condutora: Normalmente de cobre, forma as trajectórias do circuito
• Máscara de solda: Camada protetora que isola e evita pontes de soldadura
• Serigrafia: Adiciona texto e símbolos para identificação

A escolha dos materiais para cada um destes componentes afecta o desempenho, a durabilidade e o custo da placa de circuito impresso. Compreender as propriedades e caraterísticas destes materiais é crucial para conceber e fabricar dispositivos electrónicos fiáveis e eficientes.

Materiais de substrato

O substrato é a base de uma placa de circuito impresso, fornecendo suporte mecânico e isolamento elétrico para as camadas condutoras. É normalmente feito de um material dielétrico, que tem fracas propriedades de condução eléctrica para garantir uma transmissão pura dos circuitos. O material de substrato mais comum utilizado nas placas de circuito impresso é o FR-4, um composto resistente às chamas de tecido de fibra de vidro e resina epóxi.

O FR-4 é amplamente utilizado devido às suas excelentes propriedades, incluindo

• Elevada relação resistência/peso
• Bom isolamento elétrico
• Retardador de chama
• Resistência à humidade
• Resistência à temperatura relativa (tipicamente classificada para 50°C a 115°C)

Os substratos FR-4 existem em vários graus, cada um com propriedades específicas adaptadas a diferentes aplicações. Por exemplo, o FR-4 de alta temperatura (alta Tg) é compatível com a tecnologia de refluxo sem chumbo e pode suportar temperaturas até 170°C a 180°C. O FR-4 sem halogéneos é outra variante que cumpre os regulamentos ambientais e é compatível com a tecnologia de refluxo sem chumbo.

Para além do FR-4, são utilizados outros materiais de substrato nos PCB para aplicações específicas:

• Rogers: Compósitos de polímero-cerâmica que oferecem uma elevada estabilidade térmica e um bom desempenho elétrico, tornando-os adequados para circuitos de alta frequência e de elevado desempenho.
• Poliimida: Um material flexível e resistente ao calor utilizado em PCB flexíveis e ambientes de alta temperatura.
• Núcleo metálico (por exemplo, alumínio): Proporciona uma melhor gestão térmica e é utilizado em aplicações de eletrónica de alta potência e de iluminação LED.

Ao escolher um material de substrato, os engenheiros devem considerar factores como as propriedades eléctricas, as propriedades térmicas e o custo. O material de substrato correto garante que a placa de circuito impresso pode cumprir os requisitos específicos da aplicação, mantendo a fiabilidade e o desempenho.

Materiais condutores

Os materiais condutores desempenham um papel crucial nas placas de circuito impresso, formando os circuitos que permitem que os sinais eléctricos circulem entre os componentes. O material condutor mais utilizado nas placas de circuito impresso é o cobre, graças à sua excelente condutividade e à sua relação custo-eficácia.

A espessura do cobre é uma consideração importante no design de PCB, uma vez que afecta a capacidade de transporte de corrente e a integridade do sinal dos traços. A espessura do cobre é normalmente medida em onças por pé quadrado (oz/ft²), sendo 1 oz/ft² a espessura mais comum. Isto traduz-se em aproximadamente 35 µm ou 1,4 mils. Camadas de cobre mais espessas, como 2 oz/ft² ou 3 oz/ft², são utilizadas em aplicações de alta potência ou quando é necessária uma maior resistência mecânica.

Embora o cobre seja o principal material condutor nas placas de circuito impresso, são por vezes utilizados outros materiais para aplicações específicas:

• Alumínio: Utilizado em algumas aplicações de alta potência devido ao seu menor custo e peso em comparação com o cobre.
• Prata e ouro: Utilizados em aplicações especializadas ou como revestimento para melhorar a condutividade e a resistência à corrosão.

Para proteger os traços de cobre da oxidação e garantir uma soldadura fiável, estes são frequentemente revestidos com uma camada protetora, como uma máscara de solda ou um revestimento de ouro. A máscara de solda também ajuda a evitar pontes de solda entre as almofadas mais próximas durante o processo de montagem.

Outra consideração importante na conceção de PCB é a largura dos traços de cobre. A largura do traço afecta diretamente a capacidade de transporte de corrente do circuito, sendo os traços mais largos capazes de suportar correntes mais elevadas. No entanto, o aumento da largura dos traços também aumenta o tamanho global da placa de circuito impresso, pelo que os projectistas devem encontrar um equilíbrio entre a capacidade de transporte de corrente e o tamanho da placa.

Máscara de solda

A máscara de solda, também conhecida como resistência de solda ou máscara de paragem de solda, é uma camada fina e protetora de polímero aplicada aos traços de cobre de uma placa de circuito impresso. O seu principal objetivo é isolar os traços condutores e evitar curto-circuitos acidentais durante o processo de soldadura.

A máscara de solda é normalmente composta por um polímero à base de epóxi que é aplicado à superfície da placa de circuito impresso através de técnicas de impressão serigráfica ou de imagem fotográfica líquida (LPI). Após a aplicação, a máscara de solda é curada com calor ou luz ultravioleta (UV) para criar uma camada protetora duradoura.

A cor mais comum para a máscara de solda é o verde, mas outras cores, como o azul, o vermelho e o preto, também estão disponíveis. O verde é a escolha mais popular porque proporciona um bom contraste com os traços de cobre e facilita a inspeção da PCB para detetar defeitos.

As principais funções da máscara de solda incluem:

1. Prevenção de pontes de solda: Ao cobrir os espaços entre os traços de cobre, a máscara de solda evita ligações de solda acidentais que podem causar curto-circuitos.
2. Proteção dos traços de cobre: A máscara de solda protege os traços de cobre de factores ambientais, como a humidade e o pó, que podem causar corrosão e deterioração ao longo do tempo.
3. Proporcionar isolamento elétrico: A máscara de solda actua como uma camada isolante, impedindo o contacto elétrico entre traços e componentes adjacentes.

A espessura típica de uma camada de máscara de solda varia de 0,8 a 1,0 mils (20 a 25 µm). A espessura é cuidadosamente controlada para garantir que a máscara proporciona uma proteção adequada sem interferir com o processo de soldadura ou com a colocação dos componentes.

A máscara de solda desempenha um papel fundamental no processo geral de fabrico de PCB, garantindo a fiabilidade e a longevidade do produto acabado. Sem uma máscara de solda corretamente aplicada, as PCB seriam mais susceptíveis a curto-circuitos, corrosão e outros problemas que poderiam comprometer o seu desempenho e vida útil.

Serigrafia

A serigrafia, também conhecida como legenda ou nomenclatura, é uma camada de texto e símbolos impressos na superfície de uma placa de circuito impresso para fornecer informações importantes para a montagem, teste e resolução de problemas. Ao contrário da máscara de solda, que tem um objetivo funcional, a serigrafia é utilizada principalmente para identificação e comunicação.

A serigrafia é normalmente impressa com uma tinta à base de epóxi, resistente ao calor, que adere bem à superfície da placa de circuito impresso. A cor mais comum para a serigrafia é o branco, uma vez que proporciona um excelente contraste com a máscara de soldadura mais escura. No entanto, podem também ser utilizadas outras cores, como o amarelo.

As informações incluídas na serigrafia podem variar em função dos requisitos específicos da placa de circuito impresso, mas incluem frequentemente:

1. Designadores de componentes: Etiquetas que identificam a localização e o tipo de cada componente na placa, como "R1" para uma resistência ou "C2" para um condensador.
2. Designadores de referência: Identificadores únicos para cada componente que correspondem ao seu símbolo esquemático e à entrada da lista de materiais (BOM).
3. Indicadores de polaridade: Símbolos que mostram a orientação correta de componentes polarizados, tais como condensadores electrolíticos e díodos.
4. Logótipos do fabricante: Elementos de marca que identificam o fabricante de PCB ou a empresa que concebeu a placa.
5. Símbolos de aviso: Informações relacionadas com a segurança, tais como avisos de alta tensão ou instruções de manuseamento de dispositivos sensíveis a ESD.

A serigrafia é aplicada à placa de circuito impresso através de técnicas de impressão serigráfica ou de jato de tinta. A serigrafia consiste em utilizar um stencil para transferir a tinta para a superfície da placa de circuito impresso, enquanto a impressão por jato de tinta utiliza uma impressora digital para depositar a tinta diretamente na placa.

A presença de uma serigrafia clara e precisa é crucial para a montagem e resolução de problemas de PCB. Ajuda os técnicos a identificar rapidamente os componentes e a sua colocação correta, reduzindo o risco de erros de montagem e facilitando o diagnóstico e a reparação de problemas que possam surgir durante a vida útil do produto.

Tipos de PCBs e considerações sobre materiais

As placas de circuito impresso existem em vários tipos, cada um com a sua própria estrutura e requisitos de material. As três principais categorias de PCB são as placas de face simples, dupla face e multicamadas. A escolha dos materiais para cada tipo depende de factores como a complexidade do circuito, o ambiente de funcionamento e as caraterísticas de desempenho pretendidas.

PCBs de uma face

As PCB de uma face têm material condutor apenas num dos lados do substrato. São o tipo de PCB mais simples e económico, o que as torna adequadas para circuitos básicos de baixa densidade. O material de substrato mais comum para PCB de uma face é o FR-4, enquanto a camada condutora é normalmente feita de cobre.

As placas de circuito impresso de uma face são frequentemente utilizadas na eletrónica de consumo, como brinquedos e aparelhos simples, em que o custo é uma preocupação fundamental. No entanto, as suas opções de encaminhamento limitadas e a menor densidade de componentes tornam-nas menos adequadas para projectos mais complexos.

PCBs de dupla face

As placas de circuito impresso de dupla face têm material condutor em ambos os lados do substrato, permitindo circuitos mais complexos e uma maior densidade de componentes. Estas placas incorporam frequentemente orifícios de passagem e vias para ligar as camadas condutoras em lados opostos.

As considerações materiais para PCB de dupla face são semelhantes às das placas de face única, sendo o FR-4 o material de substrato mais comum. No entanto, a maior complexidade dos desenhos de dupla face pode exigir a utilização de materiais de qualidade superior ou substratos especializados para garantir um desempenho e fiabilidade adequados.

Os PCB de dupla face são utilizados numa vasta gama de aplicações, incluindo eletrónica de consumo, controlos industriais e equipamento de telecomunicações.

PCBs multicamadas

As PCB multicamadas são constituídas por três ou mais camadas condutoras separadas por camadas isolantes. Estas placas oferecem a maior densidade de componentes e opções de encaminhamento, tornando-as adequadas para aplicações complexas e de elevado desempenho.

A seleção de materiais para PCB multicamadas é crítica, uma vez que o aumento do número de camadas e a proximidade dos traços condutores podem levar a problemas de integridade do sinal, como a diafonia e a interferência electromagnética (EMI). Para atenuar estes problemas, os projectistas podem utilizar materiais de substrato especializados com constantes dieléctricas e factores de dissipação baixos, como os materiais Rogers ou Isola.

Para além das preocupações com a integridade do sinal, as PCB multicamadas também enfrentam desafios relacionados com a gestão térmica e o stress mecânico. A utilização de materiais de elevado desempenho, como a poliimida ou substratos cerâmicos, pode ajudar a resolver estes problemas e garantir um funcionamento fiável em ambientes exigentes.

Os PCB multicamadas encontram-se normalmente em aplicações de elevado desempenho, como o equipamento aeroespacial, de defesa e médico, onde a fiabilidade e o desempenho são fundamentais.

A escolha de materiais para cada tipo de PCB tem um impacto significativo no desempenho, custo e complexidade de fabrico da placa. Ao selecionar cuidadosamente os materiais adequados com base nos requisitos específicos da aplicação, os designers podem garantir que as suas placas de circuito impresso cumprem as normas de desempenho e fiabilidade necessárias, minimizando simultaneamente os custos e os desafios de produção.

Conclusão

Em conclusão, os materiais utilizados na construção das placas de circuitos impressos desempenham um papel crucial na determinação do desempenho, da fiabilidade e do custo dos dispositivos electrónicos. Os quatro componentes principais de uma placa de circuito impresso - substrato, materiais condutores, máscara de soldadura e serigrafia - têm cada um um objetivo específico e contribuem para a funcionalidade global da placa.

O substrato, normalmente feito de FR-4 ou outros materiais especializados, fornece a base para a PCB, oferecendo suporte mecânico e isolamento elétrico. Os materiais condutores, principalmente o cobre, formam os caminhos do circuito que permitem o fluxo de sinais eléctricos entre os componentes. A máscara de solda protege os traços de cobre contra danos e evita curto-circuitos durante o processo de soldadura, enquanto a serigrafia fornece informações essenciais para a montagem e a resolução de problemas.

À medida que a tecnologia avança e a procura de eletrónica de alto desempenho aumenta, estão a surgir novas tendências nos materiais para PCB. As opções amigas do ambiente, como os substratos sem halogéneos e as soldas sem chumbo, estão a tornar-se cada vez mais populares à medida que os fabricantes se esforçam por reduzir a sua pegada ecológica. Além disso, o desenvolvimento de materiais avançados, como substratos de baixa perda e laminados de alta frequência, está a permitir a conceção de PCB que podem funcionar a frequências mais elevadas e suportar os mais recentes padrões de comunicação.

Para engenheiros e designers, um conhecimento profundo dos materiais de PCB é essencial para criar dispositivos electrónicos eficazes e eficientes. Ao selecionar cuidadosamente os materiais adequados com base nos requisitos específicos da aplicação, os designers podem otimizar o desempenho, a fiabilidade e o custo dos seus produtos. À medida que a indústria eletrónica continua a evoluir, manter-se atualizado com os últimos avanços em materiais para PCB será crucial para o sucesso neste campo dinâmico e inovador.