Material de PCB
Capacidades de fabricação de PCB
As placas de circuito impresso (PCBs) constituem a base da eletrônica moderna, desde smartphones até sistemas aeroespaciais. Embora os componentes nelas sejam o centro das atenções, o material de PCB em si determina de forma crítica o desempenho, a confiabilidade e a longevidade do sistema.
A seleção do material de PCB tem um efeito direto na integridade do sinal e no gerenciamento térmico, bem como na durabilidade. Seleções inadequadas de material de PCB podem resultar em degradação do sinal, falhas térmicas e até mesmo avarias. É por isso que um bom conhecimento dos materiais de PCB é fundamental para o sucesso do projeto eletrônico.
Este guia explicará a construção do material de PCB, os tipos comuns de materiais de PCB, suas principais propriedades e critérios de seleção, para garantir que você tome decisões eficazes para maximizar o desempenho do PCB e, ao mesmo tempo, gerenciar os custos.
Construção do Material de PCB: Compreensão das Camadas Principais
Uma PCB é composta por várias camadas importantes com materiais diferentes. O conhecimento de como essas camadas funcionam e interagem pode ajudá-lo a selecionar o material de PCB adequado para atender às suas especificações de desempenho, durabilidade e custo:
- Substrato: é a camada base, geralmente feita de materiais como FR-4, poliimida ou cerâmica. É usada para fornecer suporte mecânico, bem como isolamento elétrico.
- Camada de cobre: é uma fina folha de cobre em um PCB que fornece as vias condutoras elétricas, traços e planos para transportar corrente e transferir sinais entre componentes eletrônicos.
- Máscara de solda: esta camada é um revestimento protetor que cobre os traços de cobre para impedir a oxidação e evitar pontes de solda durante a montagem.
- Serigrafia: impressa na camada superior (e ocasionalmente na inferior), a serigrafia fornece etiquetas, logotipos e marcações dos componentes para auxiliar na montagem e no diagnóstico de problemas.
7 Tipos Comuns de Material de PCB
Existem muitos tipos de material de PCB disponíveis no mercado, e aqui vamos nos concentrar em alguns dos mais comuns:
- FR4
O FR4 é um dos materiais de substrato para PCB mais utilizados, composto por tecido de fibra de vidro ligado com resina epóxi resistente ao fogo. FR é a abreviação de retardante de chamas, e 4 é o grau ou tipo de material de PCB retardante de chamas.
Este é um material relativamente barato com boa resistência mecânica, inflamabilidade autoextinguível e baixa absorção de água. Sua temperatura de transição vítrea (Tg) varia de 130 °C a 180 °C, tornando-o adequado para uso na maioria das aplicações.
- Poliamida
A poliimida é um material de PCB altamente estável termicamente e tem uma Tg elevada (aproximadamente 250–260 °C), além de oferecer características elétricas superiores. Mas, em comparação com o FR4, absorve muito mais umidade e deve ser cozida antes da montagem. Este material de PCB tem flexibilidade mecânica e é comumente usado na maioria das placas de circuito flexíveis e rígidas-flexíveis.
- Rogers
Rogers é uma marca líder de laminados de PCB de alto desempenho, que é principalmente implantada em RF, micro-ondas e aplicações digitais de alta velocidade. Esse tipo de material de PCB tem bom desempenho em amplas frequências e é conhecido por suas constantes dielétricas estáveis e baixa perda. Os substratos Rogers estão disponíveis em diferentes formulações, embora sejam mais caros do que as alternativas FR-4, alguns deles são compatíveis com processos de PCB padrão (por exemplo, série RO4000).
- PTFE (Teflon)
O PTFE (Teflon) é um material de PCB de baixa perda e baixo Dk, adequado para PCBs de alta frequência e micro-ondas, como antenas 5G e amplificadores de RF. É resistente ao calor até 250 °C e resistente a produtos químicos, mas é tão macio que precisa de enchimentos para ganhar resistência. O PTFE também é caro e difícil de processar, exigindo tratamento de superfície especial e processos de perfuração para fabricar placas PCB confiáveis.
- Cerâmica
Materiais cerâmicos, como alumina e nitreto de alumínio, apresentam alta condutividade térmica, excelente isolamento elétrico e baixa expansão térmica. Eles são caros e sua complexidade de design é limitada, mas são adequados para iluminação LED, energia RF, aeroespacial e eletrônica militar, onde a dissipação de calor e a robustez mecânica são de suma importância.
- Metal
As placas de circuito com núcleo de metal geralmente usam alumínio ou cobre como materiais de substrato de PCB, pois proporcionam excelente dissipação de calor e resistência mecânica. Portanto, esses materiais são adequados para aplicações de alta potência, como iluminação LED e conversores de energia. Embora não sejam adequados em multicamadas complexas, eles funcionam bem no gerenciamento térmico, onde o FR-4 não é eficaz.
- CEM
Os materiais compostos de epóxi (CEM-1, CEM-3) são materiais de substrato de PCB de baixo custo, que consistem em papel ou fibra de vidro reforçada com resina epóxi ou fenólica. Embora não sejam tão capazes quanto o FR-4, que tem uma constante dielétrica e absorção de umidade maiores, eles são uma opção acessível para placas simples de um lado e eletrônicos de consumo básicos.
Propriedades do material PCB: parâmetros críticos de desempenho
Ao escolher o material de PCB exato, muitos fatores devem ser considerados, pois eles têm efeito direto no desempenho, na capacidade de fabricação e no custo do seu produto. Os principais aspectos a serem considerados são os seguintes:
Constante dielétrica (DK): é um parâmetro que mede a capacidade de um material de armazenar energia elétrica. Valores mais baixos de DK ajudam a conduzir sinais rapidamente e minimizam a interferência, o que os torna perfeitos para aplicações de alta frequência que exigem sincronização de alta precisão.
Fator de dissipação (Df): quantifica as perdas dielétricas à medida que a energia elétrica se converte em calor. Valores mais baixos de Df significam melhor integridade do sinal, proporcionando perda mínima de energia, o que é fundamental para circuitos digitais e RF de alta velocidade.
Condutividade térmica (k): esta propriedade é usada para definir a eficácia da transferência de calor através do material. Quanto maior o valor, melhor a dissipação de calor. Isso ajuda a evitar danos térmicos e manter um desempenho consistente em aplicações de energia.
Temperatura de transição do vidro (Tg): Refere-se à temperatura na qual os materiais passam do estado rígido para o estado mole. Valores mais altos de Tg indicam estabilidade dimensional durante as operações de soldagem, mesmo em operações com temperaturas mais altas, sem empenamento e delaminação.
Coeficiente de expansão térmica (CTE): mede a mudança dimensional com variações de temperatura. Um CTE mais baixo produz menos tensão nas juntas de solda e nas conexões dos componentes, aumentando assim a confiabilidade através de ciclos térmicos em condições extremas.
Absorção de umidade: este parâmetro mostra a quantidade de água que um material absorve das condições ambientais. A absorção reduzida evita mudanças dimensionais e degradação elétrica das propriedades, bem como delaminação durante o processo de fabricação e operação.
Tabela comparativa de materiais para PCB
| Material | Dk (1 GHz) | Df (1 GHz) | Tg (°C) | Condutividade Térmica (W/m·K) |
| FR4 | 4,2–4,7 | 0,015–0,025 | 130–180 | 0,25–0,3 |
| Poliimida | 3,9–4,3 | 0,004–0,02 | 200–260 | 0,2–0,4 |
| Rogers | 3,0–3,5 | 0,003–0,004 | >280 | 0,62–1,0 |
| PTFE (Teflon) | 2,1–2,6 | 0,0005–0,002 | >260 | 0,25–0,5 |
| Cerâmica | 6–10 | ≤0,001–0,002 | >800 | 20–180 |
| Metal | 4,0–7,0 | 0,02–0,04 | ~130–180 | 1,0–5,0 |
| CEM-1 / CEM-3 | 4,5–5,0 | 0,03–0,05 | 110–130 | 0,2–0,3 |
Fatores a considerar ao selecionar materiais para placas de PCB
Ao escolher o material de PCB exato, muitos fatores devem ser considerados, pois eles têm efeito direto no desempenho, na capacidade de fabricação e no custo do seu produto. Os principais aspectos a serem considerados são os seguintes:
Resistência mecânica: os materiais da PCB devem suportar forças físicas durante a produção e a operação. Os fatores a serem considerados são flexibilidade ou rigidez, resistência à tração e número de camadas. Propriedades mecânicas adequadas garantem a confiabilidade e longa vida útil em aplicações desafiadoras.
Integridade do sinal elétrico: é uma preocupação primordial quando há transmissão de dados em alta velocidade. A integridade do sinal mal gerenciada pode resultar em efeitos indesejáveis, como diafonia, perda de sinal e interferências eletromagnéticas (EMI). A seleção de um material de PCB que forneça boa integridade de sinal tornará os sinais claros e precisos, o que minimiza as chances de perda de dados e erros de comunicação.
Custo dos materiais: O FR-4 é econômico, enquanto a poliimida e o PTFE são caros, embora tenham excelente desempenho. Considere o custo de propriedade a longo prazo — os custos adicionais de material iniciais podem ser compensados quando há maior confiabilidade, menores custos de manutenção e melhor desempenho em aplicações adversas.
Processo de fabricação: Ao selecionar materiais para PCB, também devemos considerar sua capacidade de fabricação. Por exemplo, o FR-4 é fácil de manusear e tem ampla disponibilidade, enquanto materiais especializados geralmente requerem procedimentos especiais. O uso do material certo resulta em produção eficiente, custos controlados e manutenção da qualidade.
Regulamentações e normas da indústria: Os materiais para PCB devem estar em conformidade com as principais normas, como IPC e RoHS, que regulam a qualidade, as questões ambientais e a segurança.
Esses requisitos dependem do setor e da região, e certificações específicas são necessárias para entrar no mercado. É fundamental selecionar materiais compatíveis que atendam aos padrões dos mercados-alvo.
Aplicações pretendidas: As demandas das aplicações são fatores importantes na seleção do material. Os eletrônicos de consumo usam FR-4 econômico, a indústria automotiva deseja poliimida de alta confiabilidade para estabilidade térmica e a indústria aeroespacial precisa de PTFE devido à sua temperatura de serviço extrema e baixa perda.
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A escolha do material de PCB é importante para o sucesso do projeto, pois uma seleção incorreta pode resultar em desempenho ineficiente, reprojetos dispendiosos e atrasos.
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