Dominando a Fabricação de PCB: Princípios-Chave para Placas de Circuito Impresso de Alta Qualidade

Os Fundamentos da Fabricação de Placas de Circuito Impresso

Com qualquer operação de manufatura, a longevidade e funcionalidade de um produto são amplamente determinadas pela qualidade da construção. Placas de circuito impresso, ou PCBs, não são diferentes.

O processo de fabricação de PCB produz a placa de circuito impresso nua, uma das características mais importantes de qualquer produto. Como tal, o processo de manufatura é um componente chave do ciclo de vida de produção de eletrônicos e desempenha uma parte significativa no sucesso geral de um projeto. Para aproveitar ao máximo este processo, no entanto, os clientes precisam entender as respostas a três perguntas centrais:

• O que é fabricação de PCB?
• Por que é importante?
• Como a fabricação se encaixa no processo de montagem de PCB?

Sobre PCBs

Uma placa de circuito impresso carrega circuitos elétricos e permite que sinais e potência sejam roteados entre dispositivos. PCBs consistem em várias camadas de material:

• Substrato: No núcleo da placa está um substrato ou material base. Placas tradicionais usam um material de fibra de vidro chamado FR4, embora outras placas possam usar substratos de alumínio, cerâmica ou polímero.
• Cobre: O substrato do PCB é coberto com uma fina folha de cobre e laminado com calor e adesivo. O número de "camadas" em uma placa é determinado pelo número de camadas de cobre — por exemplo, PCBs de dois lados terão cobre aplicado em ambos os lados de um substrato, e uma placa de quatro camadas terá quatro camadas de cobre no total. A maioria dos PCBs contém uma onça de cobre por pé quadrado, embora PCBs de alta potência possam usar duas ou três onças.

Estes materiais são combinados no processo de fabricação para criar o PCB nu. Este PCB nu é então enviado através do processo de montagem, ou PCBA, para aplicar solda e os componentes eletrônicos, resultando em um PCB totalmente funcional.

O Que é Fabricação de PCB?

Fabricação de PCB é o processo pelo qual os materiais mencionados acima de uma placa são combinados em camadas funcionais para formar a placa de circuito impresso nua. A fabricação de placas de circuito impresso nuas funciona da seguinte forma:

1. Revisão do design: O processo de fabricação não começa até que a equipe de engenharia revise o design. Isso é chamado de verificação de Design para Fabricação (DFM), que garante que o design é válido e cumpre as tolerâncias e especificações que podem ser atendidas durante a fabricação.
2. Aplicação de filme: O design do PCB é impresso em filmes usando imagem direta a laser, que fornecem fotonegativos do layout da placa. Estes filmes são aplicados às camadas de material e usados como guia para cada processo de fabricação.
3. Gravação de cobre (Copper etching): Usando vários métodos, o cobre indesejado ou em excesso é gravado ou removido para criar trilhas (traces) e pads. Este processo geralmente envolve múltiplas rodadas de limpeza para remover material em excesso e produtos químicos indesejados.
4. Empilhamento de camadas e laminação (Layer stack-up and lamination): Se a placa for uma placa multicamadas, as camadas internas e externas são alinhadas uma com a outra após o processo de gravação de cobre. Isso geralmente é realizado usando furos de alinhamento na própria placa. Após inspecionar as camadas, um prepreg à base de epóxi é colocado entre cada camada, e a placa é laminada junto aplicando calor — o calor derrete o epóxi e adere as camadas juntas.
5. Perfuração (Drilling): Após as camadas da placa terem sido laminadas juntas, uma broca é usada para criar furos através da placa. Estes furos são usados para furos de montagem, furos passantes (through-holes) e vias.
6. Metalização (Plating): Uma vez que a perfuração está completa, a placa é metalizada com uma camada de cobre com espessura de mícron, que reveste o interior dos furos perfurados, criando furos passantes metalizados. Isso geralmente é seguido por mais gravação e remoção de cobre na camada externa da placa.
7. Aplicação de máscara de solda (Solder mask application): Após as camadas de cobre estarem completas, os painéis são limpos e cobertos com máscara de solda. A máscara de solda dá ao PCB sua cor verde característica. A máscara de solda isola trilhas de cobre de contato acidental com outros materiais condutivos que poderiam criar problemas funcionais e ajuda durante a montagem para que a solda seja aplicada apenas nos locais corretos. Uma vez aplicada, áreas indesejadas da máscara de solda são removidas, e o PCB é colocado em um forno para curar a camada de máscara de solda.
8. Serigrafia (Silkscreen): Se necessário ou não, o próximo passo é a aplicação da serigrafia, após o qual a placa passa pela etapa final de cura. Sobre a camada de máscara de solda, é onde a camada de serigrafia é aplicada. A serigrafia é geralmente branca e adiciona letras, números e símbolos ao PCB. Esta camada de serigrafia ajuda a auxiliar com tipo e localização de componentes durante a montagem do PCB.
9. Acabamento de superfície (Surface finishing): Após a máscara de solda e serigrafia serem curadas, o PCB pode ser metalizado com ouro ou prata ou outro acabamento de superfície para garantir proteção e funcionalidade.

Após as placas completarem estes passos, elas tipicamente passam por testes de confiabilidade elétrica para garantir que são funcionais. Depois disso, se as placas foram produzidas em painel, são cortadas, inspecionadas e reparadas conforme necessário.

Como a Fabricação se Encaixa no Processo Geral de Manufatura

Fabricação é apenas um passo no processo de manufatura de PCB. Para entender completamente a importância da fabricação de placa de circuito impresso, é importante saber onde ela se encontra no ciclo.

O processo de manufatura de PCB se enquadra em três estágios gerais, descritos em mais detalhes abaixo:

1. Desenvolvimento de PCB (PCB development): Desenvolvimento de PCB é o estágio inicial do processo de manufatura. Essencialmente, é onde o design do PCB é conceituado, modificado e finalizado. Desenvolvimento de PCB geralmente inclui múltiplas rodadas de design, prototipagem e testes, especialmente para designs mais complexos.
2. Manufatura de PCB (PCB manufacturing): Após o design do PCB ser finalizado no estágio de desenvolvimento, o PCB passa para o processo de manufatura. Manufatura envolve dois passos — fabricação e montagem. Fabricação produz o design da placa, enquanto montagem aplica componentes à superfície da placa. No final deste processo, as placas estão completas.
3. Avaliação de PCB (PCB evaluation): O estágio final do processo de manufatura é uma avaliação. Isso inclui uma rodada final de testes após o processo de manufatura estar completo. Este estágio de teste avalia a capacidade da placa montada de performar como pretendido e elimina placas que falham nos testes. Em alguns casos, testes podem revelar que a placa requer um ajuste de design, e o ciclo recomeça. Se as placas passarem nos testes, elas passam por uma inspeção final para quaisquer defeitos antes de serem enviadas.

Por Que a Fabricação de PCB é Importante

Fabricação de PCB é uma atividade terceirizada realizada por um fabricante terceirizado usando os designs fornecidos por seus clientes. Fabricação é importante de entender porque fabricantes só veem o design, não o desempenho pretendido para seu design. Se designers não mantêm o processo de fabricação e limitações em mente durante o processo de design, placas fabricadas podem ser impactadas nas seguintes áreas:

• Fabricabilidade (Manufacturability): Escolhas de design impactam a fabricabilidade de PCBs. Designs de placas precisam levar em conta as propriedades do material da placa e permitir folga adequada entre elementos de superfície. Se a placa precisar ser produzida em painéis, isso também deve impactar o design final. Designs que negligenciam estes fatores podem ser impossíveis de fabricar sem redesigns.
• Taxa de rendimento (Yield rate): Em algumas circunstâncias, placas podem ser fabricadas com sucesso usando o design existente. No entanto, certas escolhas de design podem resultar em problemas de fabricação que tornam múltiplas placas inutilizáveis — por exemplo, esticar os limites de tolerância do seu equipamento de fabricação.
• Confiabilidade (Reliability): A maioria das placas é regulada sob especificações da indústria, que ditam um nível requerido de confiabilidade de desempenho. Falhar em seguir requisitos da indústria no design pode resultar em placas não confiáveis ou não funcionais.

A melhor maneira de evitar estes problemas é considerar o processo de fabricação de PCB durante o ciclo de design. Você pode fazer isso utilizando regras de design para fabricação (DFM) e verificando as capacidades do seu fabricante de PCB durante o ciclo de design. Quando você faz parceria com um fabricante de PCB de alta qualidade, pode trabalhar de perto com eles para ajudar a otimizar seu design para o processo de fabricação de PCB.

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