Nossas vidas são cercadas por vários dispositivos eletrônicos e, ao desmontá-los, frequentemente encontramos placas verdes conhecidas como PCBs (placas de circuito impresso). Elas são usadas em quase todos os produtos e acessórios eletrônicos, como dispositivos aeroespaciais, equipamentos médicos, celulares, computadores, etc. Como os PCBs são amplamente usados em todos os lugares, o quanto você sabe sobre eles? Este é o guia definitivo para iniciantes aprenderem o que são placas de circuito impresso, como são feitas e suas aplicações comuns.
O que é um PCB? Por que ele é útil?
As placas de circuito impresso são placas fabricadas com materiais não condutores, com trilhas condutoras gravadas ou impressas na superfície da camada condutora para permitir o funcionamento dos componentes eletrônicos montados. A camada não condutora é geralmente feita de FR4 e poliimida , com propriedades de isolamento, impermeabilização e estabilidade. A camada condutora é geralmente feita de cobre com alta condutividade elétrica.
A invenção do PCB ajudou a resolver os problemas de circuitos complexos, volumosos e frágeis. Assim, os circuitos podem ser reunidos em uma placa de circuito e isso os torna compactos, eficientes e menos suscetíveis a quebras. A fabricação de PCB segue procedimentos que permitem a produção em massa, garantindo desempenho e qualidade consistentes.
A História e Evolução do PCB
Estágio de iniciação: 1850-1900
Com a popularização da eletricidade, o surgimento dos telefones e das lâmpadas lançaram as bases para o desenvolvimento tecnológico das placas de circuito impresso.
Estágio de desenvolvimento: 1900-1950
Um grande número de telefones nos Estados Unidos exigia que as pessoas mudassem as conexões telefônicas. Em 1903, Albert Hanson, da Alemanha, patenteou o primeiro dispositivo tipo PCB para uso em sistemas telefônicos.
Em 1925, Charles Ducas imprimiu um circuito em um substrato isolado e então construiu os condutores usados para fiação usando galvanoplastia. Isso significa que a placa de circuito impresso realmente nasceu.
Em 1941, o inventor Eisler introduziu o conceito de placa de circuito impresso, que usava folha de cobre em uma base de vidro não condutora. É considerada a primeira placa de circuito impresso moderna.
Estágio de rápido desenvolvimento: 1950-2000
Os americanos desejavam explorar o espaço após a Segunda Guerra Mundial. Placas de circuito impresso tornaram possível explorar o espaço. Placas de circuito impresso são leves, consomem menos energia e são mais eficientes ao executar tarefas muito complexas.
Estágio de maturidade: 2000 e depois
Desde os anos 2000, rápidos avanços tecnológicos impulsionaram a evolução das placas de circuito impresso. Elas estão se tornando mais complexas, menores e mais leves, tornando-as amplamente utilizadas em uma variedade de indústrias, incluindo casas inteligentes, carros autônomos e inteligência artificial.
4 Camadas Fundamentais do PCB
PCB é composto de pelo menos as quatro camadas a seguir. Se PCBs têm mais funções, mais camadas são necessárias.
Camada de substrato
A camada de substrato é a estrutura básica da placa de circuito impresso, que serve tanto para isolamento quanto para resistência física. Geralmente é feita de FR-4 ou algum outro material rígido isolante de baixo custo. O FR-4 é preferido devido à sua eficiência e facilidade de produção em massa barata. Além disso, também é possível usar substratos do tipo flexível (geralmente plástico) para fins de dobra e encadernação, dependendo do cenário de caso de uso fornecido.
Camada de cobre
A camada condutora geralmente se refere a uma fina folha de cobre que é ligada ao substrato. Em uma placa de circuito impresso, a camada de cobre é um traço condutor, que serve ao propósito de transmissão de sinal eletrônico.
Camada de máscara de solda
Geralmente, a camada de máscara de solda não é condutora e é usada para revestir o PCB, o que dá à placa uma cor verde, outras cores também são possíveis. A camada de máscara de solda fica em cima do cobre e isola o cobre de tocar outros elementos.
Camada Silkscreen
A camada de serigrafia é a última camada da placa de circuito que pode permitir que letras, números e símbolos sejam adicionados à placa. É fácil para os usuários identificarem e compreenderem diferentes recursos e componentes na placa.
Como é fabricado um PCB: Visão geral passo a passo
Etapa 1: comece com o design
Os designers usam software de design de PCB para projetar a aparência e a funcionalidade das placas de circuito, incluindo camadas de rastreamento, componentes e outras informações relevantes.
Etapa 2: Crie um filme
Usando uma impressora especial, imprima o design do PCB.
Etapa 3: Imprima as camadas
Nesta etapa, camadas de cobre são ligadas às laterais do substrato e imprimem o design da placa de circuito impresso em uma camada de cobre. Adicione filme fotossensível (fotorresistente) ao painel.
Etapa 4: gravar o excesso de cobre
O excesso de cobre é removido com uma solução química, e o cobre necessário é protegido contra corrosão com um fotorresistente endurecido.
Etapa 5: Alinhamento e laminação
Alinhe e lamine todas as camadas juntas. A partir desta etapa, erros nas camadas internas não podem ser corrigidos. Portanto, é importante executar AOI (inspeção óptica automatizada) para confirmar que não há erros.
Etapa 6: Exercício
Faça furos para galvanoplastia. É usado para conectar componentes e conectar camadas de cobre.
Etapa 7: Chapeamento
O processo de galvanoplastia é fundir diferentes camadas de um PCB por meio de produtos químicos. Após uma limpeza completa, uma fina camada de cobre é depositada na superfície durante o processo de galvanoplastia, e o cobre também entra no furo perfurado mais recentemente.
Etapa 8: Camada externa resistente
Uma fotorresistência é aplicada a um painel para gerar imagens da camada externa de uma placa de circuito impresso, de forma semelhante à forma como a camada interna é gerada.
Etapa 9: Segundo revestimento
Uma camada de revestimento de cobre também é necessária. Começando com o revestimento de cobre anterior, uma camada de estanho é aplicada para evitar a corrosão de qualquer cobre desejado.
Etapa 10: gravação final do excesso de cobre
O cobre indesejado é removido com uma solução química, e o estanho protege o cobre necessário nesta etapa.
Etapa 11: Revestimento de máscara de solda
Após a placa ser limpa, a máscara de solda é coberta em ambos os lados e irradiada com uma luz UV. A luz ultravioleta passa pelo filme fotográfico da máscara de solda, e a parte não endurecida é removida.
Etapa 12: Acabamento de superfície
Revestimento de ouro ou prata é aplicado às placas de circuito para evitar a oxidação das pastilhas de cobre e fornecer uma superfície lisa para soldar componentes.
Etapa 13: Serigrafia
A placa de circuito recebe gravações de jato de tinta em sua superfície, que são usadas para indicar informações relevantes. O PCB finalmente entra no estágio final de revestimento e cura.
Etapa 14: Teste Elétrico
Por fim, execute testes elétricos no PCB. Isso serve principalmente para detectar se as funções da placa de circuito podem ser usadas normalmente.
Tipos comuns de placas de circuito impresso
PCBs de camada única
PCB de lado único, um lado é a camada de cobre condutora e o outro lado é para componentes eletrônicos. Este tipo de placa de circuito impresso é barato, rápido de produzir e simples de projetar.
PCB de camada dupla
Um PCB de dupla face é um substrato com camadas de cobre condutoras em ambos os lados, e os componentes em ambos os lados são conectados por furos. Ele tem aplicações mais amplas e pode implementar circuitos mais sofisticados. Ele funciona bem com sistemas eletrônicos avançados.
PCBs multicamadas
PCBs multicamadas são feitos de três ou mais camadas condutoras separadas por um número correspondente de substratos e então laminadas juntas. Como PCBs multicamadas têm mais camadas, elas podem servir a mais componentes e circuitos complexos em uma área menor. Devido ao seu excelente desempenho, é popularmente usado em sistemas aeroespaciais, sistemas de defesa e dispositivos médicos.
PCBs flexíveis
O substrato dos PCBs Flex é flexível, geralmente poliamida, e pode ser simples, duplo ou até mesmo multicamadas. A vantagem das placas de circuito impresso Flex é que elas podem ser dobradas no formato desejado sem danificar os fios e podem economizar espaço. Essas placas são adequadas para aplicações de formato irregular ou resistentes à vibração, como eletrônicos vestíveis.
PCBs rígidos
Os substratos de PCBs rígidos não são dobráveis, são dobráveis e podem ser de camada única, dupla ou multicamadas. Essas placas não podem ser modificadas depois de fabricadas. Elas são econômicas e mais duráveis do que outras placas de circuito. É fácil de reparar e manter. PCBs rígidos são comumente usados em produtos do dia a dia, como computadores e celulares, bem como em grandes dispositivos médicos não portáteis.
PCBs Rigid-Flex
O PCB rígido-flexível tem vantagens tanto da placa de circuito rígido quanto da placa de circuito flexível. Ele não é apenas flexível, mas também resistente, permitindo a formação de circuitos dobrados ou continuamente curvados. Eles alcançam maior desempenho espacial por meio do design 3D, que pode ser usado em situações em que há requisitos especiais de espaço e peso, especialmente nos campos médico e aeroespacial.
PCBs com suporte de alumínio
PCBs com suporte de alumínio consistem em uma base de metal e laminado coberto com folha de cobre. Eles são adequados para aplicações de alta potência onde a construção de alumínio ajuda a dissipar o calor e resfriar os componentes eletrônicos.
Coisas que precisam ser consideradas ao escolher um PCB
Já que há vários tipos de PCBs, como fazemos a seleção adequada? Os seguintes aspectos são os pontos cruciais a serem considerados ao selecionar placas de circuito impresso adequadas.
Materiais
Placas de PCB são geralmente feitas de FR4 (resina epóxi reforçada com vidro) por causa do bom isolamento e durabilidade. Se as placas tiverem requisitos especiais, outros substratos podem ser selecionados.
Camadas
Placas de camada única carregam menos conjuntos, placas de dupla face permitem mais componentes e multicamadas são usadas para circuitos eletrônicos complexos.
Dimensões:
O tamanho da placa depende do tamanho do dispositivo, há espaço suficiente para todos os componentes sem ficar muito lotado.
Consideração de custo
Quando escolhemos materiais, o custo é um aspecto importante a ser avaliado. Fatores como complexidade do design, número de camadas e materiais especiais afetam o preço.
As 6 principais aplicações do PCB
PCB tem uma escala muito grande de aplicação em muitas indústrias e áreas. Aqui, apresentamos principalmente 6 aplicações comuns:
Aplicação LED
LEDs são um tipo importante de iluminação devido ao seu tamanho compacto, longa vida útil e alta eficiência energética. PCBs e tecnologia LED trabalham juntos para transferir calor para longe da lâmpada e aumentar a vida útil do LED. Placas de circuito impresso usadas em LEDs, geralmente feitas de alumínio, têm forte condutividade térmica.
Aplicação médica
Com o avanço da tecnologia PCB, mais e mais placas de circuito estão sendo usadas na indústria médica. Placas de circuito impresso são componentes importantes em dispositivos usados para diagnóstico, monitoramento, tratamento e muito mais. Em aplicações médicas, esses são produtos relacionados à saúde que precisam atender aos requisitos de repetibilidade e confiabilidade.
Aplicação de eletrônicos de consumo
Os produtos que usamos frequentemente em nossas vidas diárias, como celulares, computadores, eletrodomésticos e outros eletrônicos de consumo, todos exigem o suporte de placas de circuito impresso para funcionar corretamente. Mais e mais placas de circuito impresso são adicionadas aos produtos, e nossa vida diária também é inseparável delas.
Aplicação automotiva
No passado, placas de circuito impresso eram usadas apenas para interruptores de faróis e limpadores de para-brisas em automóveis. Agora, as montadoras estão usando cada vez mais componentes eletrônicos nos carros, como sistemas de entretenimento e navegação, sistemas de controle e sensores.
Aplicação aeroespacial
A indústria aeroespacial também usa um grande número de placas de circuito impresso, mas os materiais usados para fabricar placas de circuito precisam ser capazes de suportar vibrações, temperaturas extremas e outros ambientes severos. Essas placas de circuito impresso são comumente usadas em fontes de alimentação, dispositivos de monitoramento e equipamentos de comunicação.
aplicação militar
Os militares fazem uso extensivo de placas de circuito impresso, que você pode encontrar em equipamentos de comunicação, computadores, veículos e armas de fogo. Os militares estão frequentemente na vanguarda da tecnologia, e alguns dos usos mais avançados de placas de circuito impresso também são para aplicações militares e de defesa.
As últimas tendências na fabricação de placas de circuito impresso
impressão 3D
Uma nova tendência na fabricação de placas de circuito impresso é o uso da impressão 3D. Ela pode produzir placas de circuito de alta complexidade com pouco desperdício, tempo e custo em comparação com outros métodos. A impressão 3D reduz o tempo necessário para concluir a fabricação de produtos para que os produtos sejam levados ao mercado mais cedo. Também é uma solução desejável para a produção em massa personalizada de PCBs.
Inteligência artificial (AI)
A IA se desenvolveu gradualmente em todas as esferas da vida. Na fabricação de PCB, a IA pode ajudar a melhorar a qualidade e encurtar o tempo de produção, aumentando o grau de automação na fabricação. Os fabricantes podem usar a IA para analisar dados em cada etapa do processo e otimizar todo o processo.
IoT em PCBs
O desenvolvimento da Internet das Coisas também promoveu ainda mais o desenvolvimento da indústria de placas de circuito impresso. Os fabricantes têm projetado placas de circuito menores e mais potentes para se adaptarem a produtos menores. Esses produtos são menores, mais flexíveis e, ao mesmo tempo, oferecem maior desempenho.
Desenvolvimento sustentável
Com o impulso global para a fabricação verde, a fabricação sustentável de placas de circuito impresso é um ponto-chave para o futuro da fabricação. Alguns dos materiais convencionais que são usados na fabricação de placas de circuito incluem metais e produtos químicos que são perigosos para o meio ambiente e não são facilmente reciclados. Pesquisa e inovação em materiais recicláveis para fabricação de PCB é um ponto-chave de inovação para o futuro.
Conclusão
PCBs são feitos de rotas de cobre condutoras gravadas em um substrato isolante. Eles evoluíram ao longo dos anos e agora as placas são complexas e de alto desempenho. Elas são adequadas para diferentes dispositivos eletrônicos de alta tecnologia. Assim, placas de circuito avançadas podem impulsionar o desenvolvimento da indústria eletrônica. No futuro, os PCBs também precisam acompanhar os desenvolvimentos tecnológicos e atualizá-los adequadamente.
