Como Determinar com Precisão a Contagem de Camadas de PCB

Placas de circuito impresso (PCBs) consistem de uma a múltiplas camadas de materiais dielétricos e condutivos. Quando unidas em placas, essas camadas transportam circuitos que alimentam uma vasta gama de eletrônicos domésticos, como relógios despertadores, eletrodomésticos de cozinha, materiais de escritório, computadores e dispositivos móveis.

PCBs também são usados em uma vasta gama de ferramentas e máquinas industriais, bem como dispositivos médicos, computadores governamentais e sistemas de armazenamento, e equipamentos aeroespaciais. O número de camadas e dimensões de uma placa específica determinam a distribuição de energia de um PCB.

O que São PCBs Multicamadas?

Camadas de PCB são o fator determinante na potência e capacidade de uma placa de circuito impresso. Muitas vezes as pessoas se perguntam se um PCB de uma camada será suficiente, ou se é melhor optar por um PCB de duas ou quatro camadas — dica: não existe PCB de três camadas — ou algo na faixa multicamada.

Embora o número de camadas dependa amplamente do seu orçamento e necessidades funcionais em uma placa PCB, isso leva à pergunta — o que exatamente são PCBs multicamadas? Basicamente, "multicamada" refere-se a qualquer coisa com mais de duas camadas, como um PCB de 4 camadas ou algo na faixa de 6 camadas a 12 ou mais.

5 Perguntas para Decidir o Número de Camadas em PCBs Multicamadas

Ao considerar quantas camadas seriam ideais em um pedido de PCBs, você precisa considerar os fatores que tornam uma multicamada favorável a uma de camada única ou dupla, e vice-versa.

1. Como meu PCB será usado?

Ao calcular as necessidades de um PCB, considere os tipos de máquinas e dispositivos em que seus PCBs serão usados e as demandas que essas máquinas/dispositivos colocarão no circuito da placa. Esses PCBs serão usados em eletrônicos complexos de alta tecnologia ou em itens mais simples com funções mínimas?

2. Qual frequência de operação é necessária?

Ao levar essas questões em conta, considere o que você precisará em termos de frequência de operação. Seus parâmetros determinam as funções e capacidade de um PCB. Para maior velocidade e capacidade operacional, PCBs multicamadas são essenciais.

3. Qual é meu orçamento para o projeto?

Outras coisas a considerar são os custos de fabricação de PCBs de camada única e dupla versus multicamadas. Se você deseja ter a maior capacidade possível na tecnologia de placas de circuito atuais, precisará pagar pelos altos custos de fabricação envolvidos.

4. Com que rapidez preciso dos PCBs?

Lead time — o tempo que leva para fabricar um conjunto de PCBs de camada única vs. múltiplas camadas — também é algo a considerar ao pedir um grande lote de placas de circuito impresso. O lead time para placas de uma e duas camadas pode variar de 8 a 14 dias, dependendo do tamanho da área da placa. Novamente, se você estiver disposto a pagar mais ou menos, o lead time pode ser tão curto quanto cinco dias ou tão longo quanto um mês.

O lead time aumentará, por tamanho de placa, com cada camada que você adicionar ao pedido. PCBs na faixa de quatro a 20 camadas podem ter lead time de 12 a 32 dias, dependendo se você deseja que as placas tenham dimensões pequenas ou grandes.

5. Qual densidade e camadas de sinal são necessárias?

O número de camadas de PCB também depende da densidade de pinos e camadas de sinal. Conforme indicado no gráfico abaixo, uma densidade de pinos de 1,0 exigirá 2 camadas de sinal, e o número de camadas necessárias aumenta à medida que a densidade de pinos diminui. Com densidade de pinos de 0,2 ou menos, você precisará de PCBs com pelo menos 10 camadas.

Densidade de Pinos	Número de Camadas de Sinal	Número de Camadas de PCB Multicamada
>1,0	2	2
0,6-1,0	2	4
0,4-0,6	4	6
0,3-0,4	6	8
0,2-0,3	8	12
<0,2	10	>14

PCBs de Camada Única

Um PCB de camada única consiste em uma camada laminada e soldada de material dielétrico condutivo. Como um componente inicial de equipamentos eletrônicos, o PCB de camada única tem sido usado desde o final dos anos 1950. Mesmo hoje, apesar de seu primitivismo relativo pelos padrões modernos em eletrônicos domésticos, o PCB de camada única permanece comum em todo o mundo.

A construção de um PCB de camada única é simples, consistindo em um dielétrico termicamente condutivo coberto primeiro com um laminado de cobre e finalizado com uma soldamask. Ilustrações do PCB de camada única geralmente mostram três tiras de cor para representar a camada e suas duas coberturas — cinza para o dielétrico em si, marrom para o laminado de cobre e verde para a soldamask.

Devido ao seu design simples, PCBs de camada única são fáceis de fabricar em grandes quantidades e são, portanto, os mais econômicos de todas as placas de circuito impresso. Embora a camada única seja um componente tecnológico limitado pelos padrões contemporâneos, ainda fornece aos fabricantes os seguintes benefícios:

• Design simples que a maioria dos fabricantes pode entender facilmente
• Pouco complicado, e portanto improvável de apresentar problemas de produção
• Acessível e conveniente para produção em grandes quantidades

Hoje, PCBs de camada única são fabricados com espessura de laminado de cobre variando de 1 a 20 onças. PCBs de camada única são projetados para operar em uma faixa de temperatura entre 130 e 230 graus Celsius.

Em décadas anteriores, PCBs de camada única eram usados na maioria dos dispositivos elétricos. Hoje, a maioria dos eletrônicos domésticos de alta tecnologia migrou para PCBs multicamadas, otimizados para uma gama mais complexa de demandas. No entanto, o PCB de camada única ainda é comum em alguns dos dispositivos mais simples em salas de estar, cozinhas e escritórios, incluindo:

• Calculadoras — Algumas das calculadoras mais básicas funcionam com PCBs de camada única.
• Rádios — Alguns rádios, como rádios-despertadores de baixo preço de lojas de suprimentos gerais, frequentemente usam PCBs de camada única.
• Cafeteiras — Eletrodomésticos de café frequentemente usam PCBs de camada única.

O PCB de camada única também é comum em sensores, luzes LED, impressoras, câmeras de vigilância e circuitos de temporização.

PCBs de Duas Camadas

O PCB de duas camadas é o próximo passo na tecnologia de placas de circuito impresso. Com sua capacidade maior, o PCB de duas camadas — alternadamente chamado de PCB de camada dupla — pode suportar uma gama mais ampla de dispositivos eletrônicos contemporâneos do que o PCB de uma camada. Ao mesmo tempo, PCBs de duas camadas são muito menos complicados do ponto de vista de fabricação do que as várias placas de circuito impresso multinível no mercado atual. Como tal, a de duas camadas é a opção de PCB mais amplamente usada.

Um PCB de duas camadas é muito parecido com um de uma camada, mas com uma metade inferior invertida, em imagem espelhada. Com o PCB de duas camadas, a camada dielétrica é mais espessa que na de camada única. Além disso, o dielétrico é laminado com cobre nos lados superior e inferior. Além disso, a laminação é coberta com soldamask tanto no topo quanto na base.

Ilustrações do PCB de duas camadas geralmente parecem um sanduíche de três camadas, com uma camada cinza grossa no meio representando o dielétrico, tiras marrons gêmeas acima e abaixo representando o cobre e finas tiras verdes ao longo do topo e base representando a soldamask.

Graças aos seus lados superior e inferior iguais, o PCB de duas camadas permite mais trilhas de roteamento. Os benefícios do PCB de duas camadas incluem:

• Flexibilidade de design que o torna adequado para uma ampla gama de dispositivos
• Circuitos densos que o tornam adequado para uma gama de aplicações modernas
• Construção de baixo custo, o que o torna conveniente para produção em massa
• Design simples, que o torna mais fácil para fabricantes ao redor do mundo entenderem
• Pequeno tamanho, que permite que caiba em uma variedade de dispositivos

PCBs de duas camadas são aplicáveis a uma vasta gama de dispositivos eletrônicos simples e mais complexos. Exemplos de dispositivos fabricados em massa que contêm PCBs de duas camadas incluem:

• Unidades HVAC — Sistemas residenciais de aquecimento e resfriamento de várias marcas contêm placas de circuito impresso de camada dupla.
• Amplificadores — O PCB de duas camadas equipou as unidades de amplificação usadas por vários músicos.
• Impressoras — Uma variedade de periféricos de computador dependem de PCBs de duas camadas.

O PCB de duas camadas também tem sido usado em relés de controle, fontes de alimentação, iluminação LED, reatores de linha, equipamentos de teste e máquinas de venda automática.

PCBs de Quatro Camadas

Uma placa de quatro camadas consiste em um conjunto mais complexo de camadas do que o PCB de uma ou duas camadas. Enquanto tanto o PCB de camada única quanto o de camada dupla contêm uma única fileira de material dielétrico, o PCB de quatro camadas contém várias. Como em todas as placas de circuito impresso multinível, o PCB de quatro camadas inclui várias camadas de material condutivo e cobre entre as soldamasks superior e inferior.

O stack-up de PCB de 4 camadas consiste nas seguintes camadas:

• Quatro tiras de cobre condutivo
• Três camadas dielétricas internas — dois prepreg e um core
• Camadas dielétricas de soldamask gêmeas no topo e base

No design de PCB de 4 camadas, as 4 tiras de cobre são divididas internamente por 3 dielétricos internos e seladas no topo e base por soldamask. Geralmente, regras de design de PCB de 4 camadas são ilustradas com 9 tiras e 3 cores — marrom para cobre, cinza para core e prepregs e verde para soldamask.

Embora ilustrações comuns de design de PCB de quatro camadas pareçam indicar que as camadas de prepreg e core consistem do mesmo material, o primeiro não é totalmente curado e, portanto, é mais macio que o core. Durante o processo de fabricação, calor e pressão são aplicados ao stack-up de quatro camadas, fazendo com que o prepreg e o core derretam e unam as camadas.

PCBs de quatro camadas são vantajosos para fabricantes em várias frentes, pois estas e outras placas de circuito impresso multicamadas fornecem os seguintes benefícios:

• Durabilidade — O PCB de quatro camadas é mais forte que placas de uma e duas camadas.
• Tamanho compacto — O design pequeno do PCB de quatro camadas cabe em uma vasta gama de dispositivos.
• Flexibilidade — O PCB de quatro camadas pode funcionar em numerosos tipos de eletrônicos, tanto simples quanto complexos.
• Seguro — Com alinhamento adequado de camadas de potência e ground, o PCB de quatro camadas protege contra interferência eletromagnética.
• Leve — Dispositivos equipados com PCBs de quatro camadas têm menos necessidade de fiação interna, e portanto frequentemente pesam menos.

Embora a produção de placas multinível exija maior expertise, qualquer custo adicional de PCB de quatro camadas é recuperado dez vezes pelo maior valor dos produtos que o de quatro camadas pode suportar mecanicamente. Alguns dos dispositivos modernos mais essenciais que apresentam PCBs de quatro camadas incluem:

• Sistemas de satélite — PCBs multinível equiparam os satélites orbitais que permitiram comunicação em escala global.
• Dispositivos portáteis — Telefones e tablets são frequentemente equipados com PCBs de quatro camadas.
• Equipamentos de sonda espacial — Placas de circuito impresso multicamadas alimentaram dispositivos de exploração espacial que nos permitiram ver longe na galáxia.

PCBs de quatro camadas também são comuns em equipamentos de raio-X, servidores de arquivos, aceleradores atômicos, tecnologia de tomografia computadorizada e sistemas de detecção nuclear. Mais do que PCBs de uma e duas camadas, placas de circuito de quatro camadas também podem ser benéficas em processos onde crosstalk é um problema.

PCBs de Seis Camadas

O PCB de seis camadas é onde a tecnologia de placas de circuito realmente começa a entrar nos aspectos mais avançados da eletrônica atual. Com o PCB de seis camadas, fabricantes podem alimentar uma gama de produtos tecnológicos comerciais, dispositivos de saúde e máquinas industriais.

O stack-up de PCB de seis camadas é semelhante ao de quatro camadas, mas com duas camadas extras de cobre e duas fileiras adicionais de material dielétrico. No stack-up de seis camadas, a segunda e quarta fileiras dielétricas são rotuladas como "core", e a primeira, terceira e quinta são prepreg. Das seis fileiras condutivas de cobre, a segunda e quinta são planas e o resto são de sinal.

Desde seu desenvolvimento, PCBs de 6 camadas têm sido um benefício para a indústria eletrônica. Com sua vasta superioridade tecnológica sobre placas de camada única e dupla, permitiram que fabricantes trouxessem uma série de dispositivos inovadores ao público. Algumas das principais vantagens de PCBs de seis camadas incluem:

• Resistência — O PCB de seis camadas é mais espesso e, portanto, mais forte que seus predecessores de camadas mais finas.
• Compactação — Com seis camadas, placas desta espessura têm maior capacidade tecnológica e, portanto, consomem menos largura.
• Alta capacidade — PCBs com seis ou mais camadas fornecem aos dispositivos eletrônicos potência ideal e reduzem muito a possibilidade de crosstalk e interferência eletromagnética.

Placas de circuito impresso multinível de seis camadas ou mais permitiram que a tecnologia de computadores crescesse em saltos nos últimos dois decênios. PCBs deste nível avançaram os seguintes eletrônicos:

• Computadores — PCBs de 6 camadas ajudaram a impulsionar a rápida evolução de computadores pessoais, que se tornaram mais compactos, leves e rápidos.
• Armazenamento de dados — A alta capacidade de PCBs de seis camadas tornou dispositivos de armazenamento de dados cada vez mais eficientes na última década.
• Sistemas de alarme de incêndio — Com placas de circuito de 6 camadas ou mais, sistemas de alarme tornaram-se cada vez mais precisos na detecção de perigo real no momento em que surge.

PCBs de seis camadas também têm sido usados em transmissão de telefone celular, receptores de fibra óptica, monitores cardíacos, controles industriais e tecnologia GPS.

PCBs Multicamadas Complexos

À medida que as placas de circuito impresso multicamadas aumentam na contagem de camadas além dos números quatro e seis, mais camadas de cobre condutivo e material dielétrico são adicionadas ao stack-up.

Por exemplo, um PCB de oito camadas contém quatro planas e quatro camadas de cobre de sinal — oito no total — unidas por sete fileiras internas de material dielétrico. O stack-up de oito camadas é selado no topo e base com uma soldamask dielétrica. Basicamente, o stack-up de PCB de oito camadas é muito parecido com o de seis camadas, mas com pares adicionais de colunas de cobre e prepreg.

A tendência continua com o PCB de 10 camadas, que adiciona duas camadas mais de cobre para um total de seis de sinal e quatro planas de cobre — 10 no total. Unindo o cobre no stack-up de PCB de 10 camadas estão nove colunas de material dielétrico — cinco prepreg e quatro core. Stacks de PCB de 10 camadas são selados, como todos os outros, com soldamask dielétrica no topo e base.

Quando você chega ao stack-up de PCB de 12 camadas, tem uma placa com 4 planas e 8 camadas condutivas de sinal, unidas por 6 de sinal e 5 colunas de core de material dielétrico. Stacks de PCB de 12 camadas são selados com soldamask dielétrica. Em geral, ilustrações de PCB multicamada representam as camadas e materiais de união com as seguintes cores — marrom para cobre de sinal/plana, cinza para material dielétrico prepreg/core, e verde para soldamask superior/inferior.

PCBs multicamadas das variedades de oito, 10 e 12 camadas são benéficos em numerosos dispositivos de alta tecnologia e sistemas de computador. Nas últimas décadas, o desenvolvimento de placas de circuito impresso multicamadas levou ao rápido avanço da tecnologia de computadores — dos sistemas kHz do passado às máquinas GHz de hoje.

Máquinas e dispositivos em uma gama de setores — comercial, industrial, médico, governamental, aeroespacial — continuam a crescer em velocidade, capacidade, compactação e facilidade de uso, graças aos rápidos desenvolvimentos proporcionados pelos PCBs multicamadas cada vez mais complexos de hoje.

Distribuição de Camadas

A maneira mais fácil de pensar em uma placa de circuito impresso é imaginar as camadas como uma lasanha onde materiais condutivos e dielétricos se unem dentro de uma soldamask. Placas de quatro camadas, por exemplo, geralmente consistem de camadas espaçadas uniformemente com planas no centro. Embora isso possa fazer a placa parecer simétrica, não necessariamente tem os efeitos mais desejáveis quando se trata de compatibilidade eletromagnética.

Outro arranjo que pode gerar efeitos indesejáveis é parear de perto as duas planas no meio, enquanto a camada de sinal e planas envolvem grandes dielétricos. Embora esse arranjo permita o armazenamento de carga elétrica no inter-plano, pode causar transmissão de sinal indesejada e efeitos eletromagnéticos. Por essas razões, os especialistas atuais no campo de PCB geralmente optam por placas de pelo menos quatro camadas, em vez de duas.

Para melhorar a compatibilidade eletromagnética de uma placa de quatro camadas, as planas e camadas de sinal devem ser espaçadas o mais próximo possível. Além disso, o core entre o plano de ground e potência deve ser grande. Este arranjo reduzirá a possibilidade de transmissões de sinal indesejadas entre as trilhas e manterá a oposição entre circuitos e correntes em níveis aceitáveis.

Uma faixa ideal de oposição entre circuito e corrente estaria na casa de 50 a 60 ohms. Lembre-se, quando a impedância é baixa, a corrente consumida aumenta, o que é um efeito indesejável. Alta impedância gerará maiores quantidades de interferência eletromagnética e tornará a placa mais vulnerável a interferência externa.

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O mundo de hoje está equipado com dispositivos eletrônicos de todos os tipos que oferecem inúmeras características que não seriam tecnologicamente imagináveis mesmo 50 anos atrás. Muitos desses desenvolvimentos são devidos às capacidades proporcionadas por PCBs. PCBs tornam possível que dispositivos convenientemente compactos realizem uma gama de tarefas complexas, muitas das quais podem ser acionadas remotamente.

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