Design de PCB multicamadas

Isso se deve ao seu design robusto, recursos multifuncionais e robustos.

Mas, para obter a melhor placa de circuito impresso multicamada, você deve entender todos os detalhes intrincados desses PCBs.

É exatamente isso que este guia explora – desde uma definição básica, vantagens, desvantagens, classificação, dicas de projeto, fornecimento de componentes, fornecimento de materiais e prototipagem até o processo de montagem, entre outras coisas.

Vamos começar:

O que é PCB multicamada?

As placas de circuito impresso podem ser categorizadas com base no número de camadas de materiais condutores de que são feitas. Com base nisso, geralmente categorizamos os PCBs como camada única, camada dupla ou multicamada.

Por muito tempo, existiam apenas PCBs de camada simples e dupla. No entanto, houve mudanças na indústria eletrônica que exigiram PCBs mais complexos.

As opções disponíveis tinham restrições de projeto que as tornavam indesejáveis ​​para os avanços mais sofisticados da eletrônica. Isso exigiu o novo design com várias camadas.

Um PCB multicamada é uma placa de circuito impresso que possui mais de duas camadas de camadas de folha de cobre condutora.

Essas placas são laminadas e coladas entre camadas de materiais de isolamento térmico. Qualquer PCB que tenha três ou mais camadas de material condutor, portanto, se enquadra nesta categoria.

Um PCB multicamada, portanto, reúne dois ou mais PCB de dupla camada, ou uma combinação de placas de circuito de camada dupla e única. A principal razão para isso é geralmente aumentar a área de superfície para a fiação.

As PCBs multicamadas são geralmente rígidas, pois é muito difícil obter muitas camadas em um formato de PCB flexível.

Através da, como vias cegas e enterradas, são usadas para obter conexões elétricas entre as camadas.

O arranjo é tal que duas camadas são colocadas na superfície para conectar a PCB com o ambiente externo.

Geralmente, as camadas dos PCBs vêm em números pares. Isso ocorre principalmente porque os números ímpares são propensos a problemas como deformação.

O número de camadas geralmente depende da aplicação, mas geralmente varia entre quatro e doze camadas.

Essencialmente, você encontrará a maioria dos aplicativos que exigem entre quatro e oito camadas. No entanto, aplicativos como smartphones usam principalmente doze camadas.

Existem, no entanto, aplicações únicas que requerem PCBs com muitas camadas. Você encontrará, portanto, PCBs com até 100 camadas, mas essas são muito raras porque possuem apenas algumas áreas de aplicação.

PCBs de camada única vs multicamadas

PCBs multicamadas e PCBs de camada única têm várias diferenças óbvias, desde o design até a funcionalidade. No entanto, eles também apresentam algumas semelhanças, principalmente nos materiais utilizados na fabricação.

Para ajudá-lo a decidir sobre a melhor opção para suas necessidades específicas, vamos comparar brevemente os dois. Basearemos nossa comparação em fatores como peso, tamanho, custo e densidade de montagem da placa.

·Tamanho

PCBs de camada única são maiores em comparação com PCBs multicamadas. Isso ocorre porque eles precisam de uma área de superfície maior para acomodar qualquer necessidade de circuitos aprimorados.

Os PCBs multicamadas, por outro lado, atendem às necessidades de maior área de superfície pelas camadas adicionais.

PCBs multicamadas de alta capacidade podem, portanto, caber em pequenos dispositivos como smartphones. PCBs de camada única de alta capacidade exigiriam produtos muito grandes para acomodá-los.

·Peso

Alcançar aplicações elétricas complexas com PCBs de camada única significaria muito volume. Isso ocorre porque você precisará usar muitos conectores e outros componentes para vincular os PCBs individuais.

Uma solução de PCB multicamada muito leve pode atingir o mesmo nível de desempenho. Isso ocorre porque eles não precisam de interconexões complexas, pois tudo está em uma placa compacta.

· Densidade de Montagem

Em PCBs de camada única, a montagem é puramente dependente da área da superfície da placa de circuito.

PCBs multicamadas, no entanto, atingem maior densidade por meio de camadas. Isso também garante maior funcionalidade para um PCB menor.

·Funcionalidade de design

Com base nas diferenças acima, os PCBs multicamadas têm uma funcionalidade superior em comparação com os PCBs de camada única.

Isso também é auxiliado pela incorporação de outros fatores, como recursos de impedância controlada e melhor blindagem EMI.

·Custo

O custo de projetar e fabricar PCBs multicamadas supera em muito o dos PCBs de camada única. Isso se deve especialmente à tecnologia sofisticada envolvida e ao alto nível de especialização que ela exige.

No entanto, em uso, os PCBs multicamadas geralmente tendem a ser mais baratos de manusear em termos de fiação e transporte. Eles também são mais duráveis ​​e fáceis de manter, portanto, possivelmente menos caros a longo prazo.

Portanto, você precisará essencialmente fazer as seguintes perguntas para decidir se deve optar por PCBs de camada única ou multicamadas:

• A durabilidade é um problema? Se assim for, é melhor você ir para PCB multicamada
• Qual é o seu orçamento? Se você está trabalhando com um orçamento modesto, o PCB de camada única é o melhor
• Quão complexa é a sua necessidade de funcionalidade? Se você estiver visando eletrônicos sofisticados, precisará de várias camadas
• Qual tamanho de placa você está segmentando? Com PCB multicamadas, você pode ter maior funcionalidade com tamanhos de placa muito pequenos.
• Com que rapidez você precisa do PCB? PCBs multicamadas requerem maior tempo de espera e, portanto, podem não ser a melhor opção se você precisar das placas rapidamente

Benefícios do PCB multicamada

Como já mencionamos na definição de PCBs multicamadas, esses PCBs são projetados para melhor desempenho do que seus antecessores.

Eles, portanto, trazem diversos benefícios, principalmente no desempenho. Vamos, portanto, explorar esses benefícios.

i.Construção Leve

O desempenho de vários PCBs de camada dupla é consolidado em um PCB multicamada. Isso elimina a necessidade de vários conectores, reduzindo assim o peso e aumentando a mobilidade.

ii.Tamanho

A capacidade de alcançar o desempenho de muitos PCBs de camada dupla em um único PCB significa componentes eletrônicos menores, mas poderosos. Isso levou a gadgets pequenos, mas muito sofisticados, como tablets e smartphones

iii. Durabilidade

PCBs multicamadas são mais duráveis ​​devido ao seu design - eles têm várias camadas de isolamento entre as camadas. Isso leva a uma placa muito fortemente ligada, em vez de várias soltas.

iv. Qualidade melhorada

Esses PCBs são mais confiáveis ​​e de melhor qualidade do que os PCBs de camada dupla. Isto é especialmente devido ao planejamento e fabricação complexos e elaborados envolvidos.

v. Melhor funcionalidade e potência

A incorporação de uma alta densidade de camadas em um PCB permite alto desempenho dos PCBs. As placas são mais conectivas, com propriedades elétricas inatas que levam a uma melhor velocidade para PCBs de íons pequenos.

vi. Oferece Ponto Único de Conexão

Sendo uma unidade única, as PCBs multicamadas apresentam um único ponto de conexão, facilitando o projeto do produto final. O fabricante só precisa incluir um ponto de conexão, o que geralmente é mais desejável para a maioria dos usuários finais de produtos eletrônicos

Devido a esses benefícios, os PCBs multicamadas estão rapidamente ultrapassando os PCBs de dupla camada. Isso ocorre principalmente porque os PCBs de alto desempenho, mas menores e mais leves, ajudam a economizar espaço e têm melhor portabilidade.

Desvantagens dos PCBs multicamadas

Embora esses PCBs tenham várias vantagens que os tornam mais desejáveis, eles também apresentam algumas desvantagens.

Veremos agora algumas das características que podem tornar os PCBs multicamadas pouco atraentes para certas aplicações.

Eles incluem:

 i.Disponibilidade Limitada

Existem muito poucos fabricantes com a capacidade de produzir PCBs multicamadas. Isso se deve principalmente ao maquinário caro que a produção de PCBs multicamadas requer.

Complexidade do processo de produção

PCBs multicamadas são mais complexos e geralmente envolvem um processo de produção complicado e delicado. Qualquer pequeno erro no processo pode comprometer o desempenho da PCB, por isso é preciso muito cuidado.

ii. Tempos de produção mais longos

As taxas de rotatividade ao produzir PCBs multicamadas são muito baixas. Isto é devido à complexidade dos PCBs. Isso pode ser um grande desafio ao lidar com muitos pedidos ao mesmo tempo.

iii. O processo de design é muito técnico

O processo de projetar PCBs multicamadas sozinho é muito complexo e leva muito tempo. São necessárias habilidades extremas para projetar interconexões perfeitas entre camadas e mitigar a diafonia e a impedância ao mesmo tempo.

iv. Eles são caros

O nível de habilidades necessárias, o maquinário caro e o processo de produção longo e complicado tornam esses PCBs muito caros.

O processo é tão complexo que os retrabalhos são quase impossíveis em caso de erros durante a produção. Isso leva a muitas perdas porque essas placas são transformadas em sucata.

Por causa do custo, os PCBs multicamadas permaneceram menos populares, apesar de todos os pontos fortes que eles têm

No entanto, onde o tamanho pequeno e o alto desempenho são necessários, você não pode prescindir de PCBs multicamadas.

É altamente provável que opções de produção mais baratas sejam realizadas e as empresas se aventurem mais em PCBs multicamadas. Com base nos benefícios que analisamos anteriormente, é realmente um empreendimento digno para os cientistas investirem nisso.

Se isso acontecer, os PCBs de camada simples e dupla começarão a desaparecer lentamente, embora possam não desaparecer completamente.

Tipos de placas de circuito impresso multicamadas

Alguns dos tipos mais comuns de placas de circuito impresso multicamadas incluem:

PCBs rígidos multicamadas

PCB multicamada rígido é um PCB que não pode ser dobrado ou torcido. Isto porque tem um reforço FR4 que lhe confere a rigidez.

O material base para estes PCBs rígidos geralmente é um substrato rígido para garantir que a placa seja rígida e forte.

Em termos simples, um PCB multicamada rígido é uma placa de circuito impresso multicamada cuja forma não pode mudar após a instalação. Geralmente tem uma vida útil muito longa e é a opção mais forte dos tipos de PCB multicamadas

Este é o PCB multicamada mais utilizado devido à sua resistência e vida útil. Uma placa-mãe de computador é um exemplo de um PCB multicamada rígido. É usado na RAM, GPU e CPU no computador

Um PCB rígido multicamada pode ter até mais de 12 camadas.

PCBs multicamadas flexíveis

Esses são circuitos flexíveis com três ou mais camadas de condutores.

Os PCBs multicamadas Flex são feitos combinando vários circuitos de um ou dois lados. Os engenheiros conseguem isso usando conexões complexas, blindagem e tecnologias de montagem em superfície usando um design multicamada.

As camadas são, na maioria dos casos, conectadas por meio de furos passantes chapeados.

Eles podem ter camadas que são continuamente laminadas, mas nem sempre é esse o caso. Se você precisa de flexibilidade máxima, a laminação contínua não é apropriada.

Isso ocorre porque a laminação contínua geralmente leva ao aumento da rigidez com cada camada adicional. Para conseguir isso, as áreas para flexão ou flexão não são coladas.

O número de camadas geralmente determina o quão difícil é fabricar esses PCBs. Isso se deve à necessidade de incorporar cada vez mais camadas isolantes e adesivas.

Alcançar o isolamento adequado, mantendo a flexibilidade, requer maquinário avançado que apenas algumas empresas possuem.

Os PCBs multicamadas flexíveis vêm com o benefício de reduzir ainda mais o tamanho e o peso do pacote. Isso ocorre porque os circuitos flexíveis usam substratos dielétricos muito finos.

Isso proporciona um design simplificado; portanto, não há necessidade de placas rígidas volumosas. Isso é o que torna esses PCBs cada vez mais desejáveis.

As outras vantagens gerais de PCBs multicamadas flexíveis incluem:

• Redução de erros de montagem
• Redução do tempo e dos custos de montagem
• Liberdade de Design
• Flexibilidade durante a instalação
• Aplicações de alta densidade
• Fluxo de ar aprimorado
• Dissipação de calor aumentada
• Maior confiabilidade do sistema
• Substituição de fio ponto a ponto
• Confiabilidade e durabilidade
• Rotas repetíveis
• Geometria de Circuito Simplificada

Devido a essas vantagens, os PCBs multicamadas flexíveis são amplamente utilizados em indústrias como a aeroespacial, onde a redução de peso é uma necessidade.

PCBs multicamadas rígido-flexíveis

Este é um tipo de PCB multicamada que combina as tecnologias de placas de circuito rígidas e flexíveis. Consiste em uma ou mais placas de circuito multicamadas rígidas que são conectadas a uma placa de circuito flexível.

A vantagem deste tipo de PCB é que ele traz a força do PCB multicamada rígido e a flexibilidade do PCB flexível em uma unidade. Isso significa que o espaço ocupado pela placa é minimizado dobrando a parte flexível da placa.

No entanto, quanto mais camadas da seção flexível, mais rígida ela se torna. Isso significa que você pode não ter muitas camadas disso se sua principal preocupação for a flexibilidade do conselho.

Os PCBs multicamadas rígidos e flexíveis são amplamente utilizados, especialmente onde o espaço e o peso são um problema, enquanto o desempenho também deve ser mantido alto.

Uma dessas áreas de aplicação é na indústria aeroespacial.

Materiais para PCBs Multicamadas

Os materiais usados ​​no processo de laminação de PCB multicamadas incluem o núcleo da camada interna, prepreg (que é tecido de vidro com epóxi) e folhas de folha de cobre.

No entanto, sempre que a palavra material é mencionada na fabricação de PCB, ela é mais usada para se referir ao material base da placa.

A escolha do material para PCB geralmente depende de muitos fatores. No entanto, os materiais são classificados principalmente com base na inflamabilidade, estabilidade em alta temperatura e absorção de umidade da placa.

Isso, infelizmente, ignora parâmetros como resistividade e constante dielétrica do material.

A classificação para materiais laminados geralmente é baseada na resistência à chama do material (FR). O material menos resistente ao fogo é classificado como FR-1, enquanto o mais resistente ao fogo é o FR-5, conforme descrito nesta tabela.

Devido às suas fortes características, a maioria dos fabricantes usa o FR-4 para PCBs. O FR-2 também é usado em alguns casos, mas não é adequado para PCBs multicamadas.

Outra razão pela qual FR-4 é usado principalmente porque muitos fabricantes e fornecedores já definiram suas ferramentas para isso. Pode ser caro mudar isso para acomodar as outras opções.

Ao fabricar PCBs multicamadas para aplicações de frequência muito alta, pode ser melhor considerar o substrato de placa de Teflon ou cerâmica. No entanto, quanto mais exótica for sua escolha de material de substrato, mais ele custará.

Na hora de escolher o material da placa, um fator a ser observado é a absorção de umidade do material.

Isso ocorre porque afeta as características de desempenho, como resistência da superfície e vazamento dielétrico. Também afeta a estabilidade do material e a quebra e arqueamento de alta tensão.

Lembre-se, PCBs multicamadas são muito caros e você não quer acabar com placas que não durarão.

As temperaturas de operação também devem ser uma consideração importante. Na maioria dos casos, PCBs multicamadas são usados ​​em aplicações de alta temperatura.

As temperaturas às vezes podem ficar muito altas, especialmente se a placa estiver posicionada perto de outro circuito que gere muito calor. Por isso, você deve optar por um material com a melhor temperatura de operação para a aplicação desejada.

Dicas de design de PCB multicamadas

Ao projetar sua PCB multicamada, algumas dicas sempre são úteis. Se você não seguir estes, é provável que acabe com problemas como um desequilíbrio na carga ao pressionar as placas.

Desenhos assimétricos ou desenhos envolvendo camadas de diferentes espessuras geralmente levam a torção/arco.

Para evitar tais problemas no projeto de PCB multicamadas, a área central de foco geralmente é o empilhamento. As decisões que você toma em sua pilha de camadas devem ser guiadas por considerações sobre funcionalidade, fabricação e implantação.

As dicas a seguir ajudarão você a obter o melhor quando se trata de projetar sua placa de circuito impresso multicamada.

1. Otimize o tamanho do conselho

Sempre comece definindo o tamanho do seu quadro, pois isso orientará sua seleção nos outros atributos. Para determinar o melhor tamanho de placa, você precisará considerar o seguinte:

• O número de componentes a serem acomodados na placa
• O tamanho dos componentes
• Local - onde você pretende montar a placa e
• A tolerância do fabricante do contrato para espaçamento, folgas e furos

2.Otimize seu design de camada

O design de suas camadas deve depender dos tipos de sinal. Por exemplo, você pode usar a seguinte equação para determinar o número de camadas que você precisará:

Se for usada impedância fixa ou controlada, você também deve considerar seus requisitos de impedância.

3.Otimize sua escolha de vias

Sua seleção de vias, sejam elas cegas, passantes, enterradas ou via em almofada, afeta a complexidade de fabricação e, portanto, a qualidade do PCB. Você deve, portanto, garantir que sua escolha funcione melhor para suas necessidades de funcionalidade.

4. Seleção de Materiais

Selecione o melhor material para cada camada do seu PCB, dependendo de suas necessidades de funcionalidade. No entanto, você deve garantir que as camadas de sinal e a distribuição de planos na pilha sejam simétricas. Eles devem suportar boa integridade de sinal.

5.Otimizar a fabricação da placa

Depois de ter trabalhado no projeto, você precisa escolher o melhor fabricante de contrato. Isso ajudará a garantir a precisão. Você também precisa escolher as melhores opções de mascaramento de solda e parâmetros de rastreamento, entre outras diretrizes do DFM.

Fornecimento de componentes de PCB multicamadas

Ao pensar em projetar e fabricar sua PCB multicamada, lembre-se de que precisará componentes da placa de circuito impresso.

A placa não pode funcionar sozinha sem adicionar os componentes e outras partes, cada uma desempenhando uma função específica.

Você provavelmente não será capaz de produzir todos os componentes de que precisa. Você deve, portanto, começar a preparar e adquirir esses componentes com antecedência suficiente.

Armado com o seu lista de materiais (BOM), certifique-se de fazer o pedido exatamente como indicado nele. Sua lista técnica completa contém principalmente as seguintes informações:

• O número de componentes e materiais necessários
• Códigos (designadores de referência) usados ​​para identificar peças individuais
• As especificações para os componentes e materiais, em unidades como farads e ohms
• Pegada, que é a localização/posição de cada componente na placa PCB protótipo
• Número da peça do fabricante

Ao escolher os componentes, as seguintes considerações devem orientá-lo

• Ajuste de função: o componente será capaz de fazer exatamente o que você deseja que ele faça?
• Disponibilidade: Está disponível (na forma especificada) em quantidades adequadas agora de pelo menos um fornecedor on-line considerável?
• Qualidade: O componente é durável o suficiente
• Preço: Esta não deve ser a primeira consideração. No entanto, com os outros pontos atendidos, você está obtendo uma opção razoavelmente acessível?
• Credibilidade do fabricante: Esta será uma consideração muito importante se você quiser obter os melhores componentes.

Lembre-se de que PCBs multicamadas são muito caros e você não quer perder nem uma única placa por causa de problemas com o componente. A credibilidade do fornecedor é, portanto, uma consideração muito crítica.

Há quanto tempo a empresa existe?

Você já trabalhou com eles antes? Se não, você tem certeza de que eles estão fazendo peças com alto valor para o dinheiro?

Em resumo, verifique os seguintes atributos na empresa:

• Confiabilidade
• Custos de envio e tempo
• Garantia
• Avanço tecnológico do fornecedor
• Profissionalismo

Além disso, veja as avaliações de clientes anteriores. No entanto, nem sempre são absolutamente confiáveis ​​e devem ser verificados juntamente com outros atributos

Processo de design de PCB multicamadas

Já vimos algumas dicas essenciais ao projetar PCBs multicamadas. Neste capítulo, veremos agora o processo passo a passo de projetar uma PCB multicamada.

Antes de chegarmos a isso, vamos destacar algumas considerações importantes para cuidar.

Camadas de plano negativo: Estas são as camadas que você usa para fazer planos de energia e terra no layout de sua PCB multicamada.

Sempre configure as formas da pegada do pad com as folgas corretas do plano negativo. A falha em fazer isso geralmente leva a um curto.

Formatos de pad nas camadas de sinal internas: Alguns pads usam formatos de pad diferentes nas camadas externas do que nas camadas internas.

Você precisará, portanto, configurar sua biblioteca para PCB multicamadas para garantir que você obtenha as formas de pad desejadas.

Peças de desenho: certifique-se de modificar logotipos, tabelas e visualizações de PCB para se adequar às suas placas multicamadas.

Com essas considerações críticas bem cuidadas, podemos agora prosseguir para examinar o processo real de projeto de PCBs multicamadas.

É importante reconhecer que existem diferentes softwares que podem ser usados ​​para projetar PCBs multicamadas. Com base em suas preferências e antecedentes; você pode usar ORCAD, ENGLE CAD e KICAD entre as muitas opções de software disponíveis.

Neste guia, no entanto, veremos o design de PCB multicamadas usando o KiCad. Ao fazer isso, as etapas usuais de design de PCB usando suportes KiCad. Para todos os PCBs, esse processo geralmente envolve duas etapas simples, que são resumidas:

• Fazendo o diagrama esquemático, e
• Projetando o layout

Antes de chegarmos lá, no entanto, vejamos alguns procedimentos especiais ao lidar com PCBs multicamadas.

Etapa 1. Selecione o número de camadas

Após abrir o software, escolha o número de camadas que deseja que sua PCB tenha. Para fazer isso, clique na guia "Regras de design" e depois em "Configuração de camadas".

Na janela que aparece, selecione o número de camadas que você deseja que seu PCB tenha. É aqui que você também atribui as camadas de sinal, energia e terra.

Você pode achar necessário ter mais camadas se precisar de mais interconexões para reduzir o espaço

Etapa 2. Edite o design da PCB

Selecione a camada de trabalho usando a guia “Visíveis” localizada no lado direito da janela.

Para definir o tipo de via (cega, enterrada ou passante), clique com o botão direito e selecione via. Selecione a camada que você deseja que a via alcance.

Tenha cuidado ao conectar a via, pois nem todas as trilhas podem ser conectadas às vias.

Nota:

Se você precisar de muitas conexões de aterramento e alimentação, será necessário atribuir camadas separadas para aterramento e alimentação para evitar confusão.

Tendo cuidado disso, o procedimento usual para projetar PCBs pode tomar forma da seguinte forma:

1)Fazendo o diagrama esquemático

Chamado Eeschema, é aqui que você cria o esquema elétrico que descreve o circuito pretendido.

Para desenhar o esquema, você selecionará símbolos da biblioteca e os adicionará à folha de esquema. Use o editor de biblioteca de esquemas para criar qualquer componente que não exista na biblioteca.

Em seguida, você precisará executar uma verificação regular das regras elétricas para detectar defeitos.

Há duas coisas para cuidar antes de prosseguir deste ponto para o novo Pcb:

1. Primeiro, associe os componentes em “Eeschema” com footprints
2. Crie um arquivo netlist com as informações que o Pcbnew usará para configurar a folha de layout.

2)Projetando o layout

Aqui, você usa uma netlist gerada a partir do Eeschema para desenvolver o layout. Envolve posicionar as pegadas na folha e conectá-las.

Execute uma verificação de regras de design para detectar defeitos na placa. Fique atento a quaisquer vestígios que estejam muito próximos das almofadas, pegadas sobrepostas e qualquer outra falha.

Por fim, exporte as informações do layout para um arquivo gerber, que será utilizado pelo fabricante para fabricar a PCB.

Tecnologia usada no projeto de placas de circuito impresso multicamadas

Algumas das tecnologias mais comuns que você precisará ao projetar PCB multicamada incluem o seguinte:

· Software de design de PCB multicamadas

Como já mencionamos na seção de design de PCB multicamadas, Software de design PCB é uma parte essencial do processo de design.

Ele ajuda você a gerar a estrutura da conexão mecânica e de fiação do PCB a partir da netlist.

Ele ajuda você a colocar essa estrutura de conexão em multicamadas e a gerar arquivos de projeto auxiliados por computador. Este CAD é essencial na fabricação do PCB.

Existem várias opções de software de design de PCB que você pode usar para projetar seu PCB multicamada. No entanto, alguns poucos são usados ​​mais amplamente do que outros, principalmente por causa de sua interface mais simples, entre outros motivos.

Sempre opte por softwares de design que sejam fáceis de usar e que tenham sido testados e comprovados, produzindo os resultados desejados.

A seguir estão alguns dos softwares comumente usados ​​ao projetar PCB multicamadas.

• Águia
• KiCAD
• Altium Designer
• Ou CAD
• FácilEDA, entre muitos outros softwares de placas de circuito impresso multicamadas disponíveis no mercado.

· Projeto para fabricação (DFM)

A DFM visa projetar peças e componentes de produtos para facilitar a produção. O objetivo é obter bons produtos a custos mais baixos. Trata-se, portanto, de simplificar, otimizar e refinar o design do produto.

O DFM deve ser feito com antecedência suficiente, antes de começar a trabalhar com ferramentas.

Todas as partes interessadas devem ser incluídas no DFM. Os projetistas, engenheiros, fabricantes contratados, fornecedores de materiais e construtores de moldes devem estar todos envolvidos. Isso evitará possíveis problemas com o design.

Os seguintes princípios devem sempre orientar o DFM

• Extração
• Material
• Design
• Meio Ambiente
• Teste de conformidade

Design assistido por computador para placa de circuito impresso multicamada

Como já vimos, o CAD é muito importante na fabricação de um PCB. Envolve o uso de um software de computador na geração, modificação e otimização de parte ou partes do PCB.

Isso aumenta a precisão e a exatidão e ajuda a integrar o contorno do projeto com a BOM.

Benefícios do CAD

• Torna a automação precisa e direta e a modelagem de processos (Mechanical Design Automation)
• Permite a fabricação assistida por computador
• Aumenta a precisão na análise dimensional
• Fornece uma margem de erro muito baixa entre as peças

Processo de prototipagem de PCB multicamadas

A prototipagem é uma parte essencial do seu processo de fabricação de PCB. Isso ajudará você a evitar desperdícios e gastos desnecessários.

PCBs multicamadas são muito caros, então você não quer perder nem mesmo alguns por causa de simples erros de fabricação.

Você poderá testar seu protótipo e fazer ajustes quando necessário. Dessa forma, você só comissiona a produção em massa dos PCBs quando estiver satisfeito com as qualidades.

O processo de prototipagem de PCB multicamada segue as seguintes etapas - dividi todo o processo em três etapas principais: Projeto, Fabricação e Montagem.

Observe que temos explicações mais detalhadas de algumas dessas etapas em outras seções deste guia. Vamos, portanto, apenas dar um breve destaque sobre eles neste momento.

Um design

Etapa 1: projetando seu protótipo de PCB

Esta é a base do seu processo de prototipagem de PCB multicamadas.

O procedimento para projetar sua PCB é descrito na seção Multilayer PCB Design deste guia. Siga este procedimento para criar o design do seu protótipo de PCB usando um software de sua escolha.

Nota:

Se você estiver construindo um protótipo de PCB personalizado, poderá comprar protoboards e perfboards que geralmente estão disponíveis online.

Essas placas costumam ter algumas partes já feitas, como os furos na placa. Eles são, portanto, economizadores de tempo para usar se você deseja criar um protótipo personalizado.

Etapa 2: criar lista de materiais (BOM)

Um BOM é uma lista de todos os componentes e materiais necessários para produzir o protótipo da placa PCB.

Já vimos o conteúdo do BOM na seção “fornecimento de componentes” deste guia.

Usando a BOM, o engenheiro de layout e o engenheiro de componentes reunirão os componentes e materiais corretos.

Etapa 3: projetar rotas de PCB

Levando em consideração fatores como níveis de potência e sensibilidade ao ruído, conecte os traços na placa. Você deve fazer isso com base nas informações contidas no gerber obtido na fase de projeto.

Nota:

Realize verificações regulares em seu protótipo em cada estágio para que você possa corrigir quaisquer erros com antecedência suficiente. Os problemas a serem verificados incluem pontos de calor e inconsistências de temperatura.

Outras verificações incluem Verificação elétrica (ERC) e Layout versus esquema (LVS) e verificação de antena. Você só deve prosseguir para a próxima etapa depois que seu protótipo tiver passado nesses testes.

B.Fabricação

Uma vez feito o design, crie um filme fotográfico do PCB protótipo para cada camada e máscara de solda.

As etapas a seguir constituem o processo de fabricação do protótipo de PCB Multicamada. Vou explicá-los em detalhes em nosso próximo capítulo. Por isso, vou enumerá-los, com apenas alguns esclarecimentos quando necessário.

Eles incluem:

Etapa 4: Imprimindo camadas internas

Aqui, você começará a imprimir as camadas internas da placa de circuito impresso multicamada.

Etapa 5: alinhando camadas

Alinhe a camada interna, a folha de cobre e o pré-impregnado com precisão, depois combine-os para obter um painel laminado

Etapa 6: Perfuração de Furos

O ponto principal aqui é garantir a precisão ao fazer os furos. A precisão é uma obrigação!

Etapa 7: Revestimento de cobre

Isso é para fornecer uma superfície para galvanoplastia na superfície e nos orifícios.

A partir daqui, outro processo incluirá o seguinte:

• Imagem da camada externa
• Chapeamento de cobre e estanho
• Gravura final
• Aplicando máscara de solda
• Aplicação de acabamento superficial
• Processo de serigrafia
• Corte da placa

Este é o último passo na fabricação da placa. A partir daqui, sua placa está pronta para montagem.

Antes de começar a montar seu protótipo de placa PCB multicamada, você deve primeiro garantir que tenha todos os componentes.

A lista de materiais (BOM) que você criou anteriormente deve orientá-lo no fornecimento dos componentes. Certifique-se de cumprir todas as especificações do componente conforme contidas na BOM.

Agora você está pronto para começar a montar seu protótipo de PCB multicamadas.

C. Montagem

Estêncil de pasta de solda

Comece aplicando uma pasta de solda na placa. A pasta de solda se mistura com um fluxo para permitir que a solda derreta e se ligue à superfície da placa.

Colocar um estêncil de aço inoxidável na superfície do protótipo garante que a solda só vá para as posições dos componentes. A solda se espalha uniformemente sobre a área aberta.

Quando você finalmente remove o estêncil, a pasta de solda permanece apenas nas partes desejadas da placa.

Escolhendo e Colocando

Use uma máquina de coleta e colocação para colocar componentes SMD no protótipo de PCB.

Soldadura por refluxo

Uma esteira transportadora transporta o protótipo de PCB através de um forno de refluxo. O forno possui aquecedores que aquecerão a placa a cerca de 480 0F. Isso derreterá a pasta de solda.

A placa é então resfriada, solidificando a pasta de solda derretida. Isso gruda os SMDs na placa.

Se você estiver fazendo um protótipo com componentes em ambos os lados, faça o refluxo primeiro de um lado e depois passe para o outro.

Inspecionando o protótipo de PCB

Nesta fase, você deve verificar seu protótipo quanto a conexões ruins ou curtos elétricos. Estes geralmente resultam dos movimentos enquanto a prancha está na esteira.

As verificações nesta fase incluem verificações manuais, inspeção por raios X e AOI.

Inserindo Componentes de Passagem

Se o seu protótipo foi projetado para ter componentes passantes, este é o estágio para montá-los. Insira os fios dos componentes nos orifícios de passagem designados e use solda manual ou solda por onda.

Se a placa for de dois lados, você precisará usar solda manual, especialmente para o segundo lado. A solda por onda não é uma boa opção neste caso.

Teste de Funcionalidade

Aqui, você simulará as condições reais às quais o protótipo será submetido.

Teste de protótipo de PCB

Fique atento a quaisquer anomalias no protótipo uma última vez antes de comissionar a fabricação real. Procure por quaisquer chances de polaridade invertida, cruzamentos de roteamento, componentes ausentes ou danificados ou qualquer outro problema.

Se possível, teste o protótipo no produto que a PCB final deve alimentar. Se você tiver vários protótipos, teste-os nas mesmas condições e escolha o melhor.

Fabricação de placas de circuito impresso multicamadas

O primeiro passo na fabricação de PCB multicamadas é a escolha do núcleo da camada interna (material laminado fino) da espessura desejada.

Lembre-se, a espessura pode estar em qualquer lugar entre 0.038” a 0.005” de espessura. O número de núcleos depende do design da placa.

§ Revestimento Resistente a Filme Seco do Material do Núcleo da Camada Interna

Aplique um filme sensível à luz/resistente para imagens fotográficas aplicando calor nas superfícies metálicas do núcleo. O uso de luz amarela ajuda a evitar a exposição inadvertida da resistência.

Isso ocorre porque o filme é sensível à luz ultravioleta. Os filtros removerão o comprimento de onda da luz que afetaria o revestimento do resist.

§Ferramentas de Fotos ou Arte

Use os dados do gerber para traçar um filme que descreva os traços e almofadas do design da placa pretendida. A arte deve incluir a máscara de solda e a legenda, bem como os recursos de cobre.

O filme é usado para colocar uma imagem na resistência

§Exponha a Imagem

Em seguida, exponha os painéis à luz ultravioleta de alta intensidade que passa pelo filme. As áreas limpas deixarão passar a luz para polimerizar o filme resistente. Isso cria uma imagem do padrão do circuito.

§Desenvolva a Imagem

Processe o núcleo exposto através de uma solução química/revelador para remover o resist das áreas não polimerizadas.

§Gravando a camada interna

Remova quimicamente o cobre do núcleo nas áreas não cobertas pelo filme seco resist. O resultado é um padrão que combina com o do filme. Em áreas onde o cobre é gravado, a superfície do laminado do núcleo permanece exposta.

§Retirando a resistência

Remova quimicamente a película seca do painel. Isso deixa o cobre no painel.

Os traços, almofadas, o plano de terra e outros recursos de design permanecem expostos.

§Inspeção Óptica Automatizada (AOI)

Inspecione as camadas internas para quaisquer problemas de design. Isso é feito usando os dados dos arquivos gerber. Se houver inconsistências mínimas, reparos mínimos podem ser feitos. Todos os departamentos relevantes dependerão dos resultados da inspeção para corrigir quaisquer problemas de processo.

§Revestimento de Óxido

Em seguida, trate quimicamente os painéis. Isso é para ajudar a melhorar a adesão da superfície de cobre. Você pode usar química orgânica ou outros tipos de química. Métodos mecânicos também podem ser usados. A cor obtida geralmente varia de acordo com o método utilizado.

Construção Multicamadas

Para este processo, você precisa de folha de cobre, pré-impregnados e os núcleos da camada interna.

Folha de cobre - geralmente vem em folhas de ½ oz. e 1 oz por pé quadrado ou 0.007" e 000134" de espessura nominal

Folha de ligação pré-impregnada (Prepreg) - é o que mantém os núcleos juntos.

Nos capítulos anteriores, aprendemos que o pré-impregnado mais utilizado é o FR4. Este é um tecido de fibra de vidro pré-impregnado com resina epóxi.

Durante a laminação, esta resina derrete por pressão e calor e flui através das características de cobre e do laminado exposto no núcleo. À medida que esfria, ele une as camadas da folha e do núcleo.

Painéis Laminados - durante o processo de laminação, a camada interna, a folha de cobre e o prepreg são unidos sob calor e pressão.

Isso às vezes é feito no vácuo. O resultado é um painel que possui muitas camadas de cobre em seu interior. Ele também tem a folha do lado de fora.

Uma vez obtido o painel laminado, o processo é basicamente semelhante ao da construção de PCB de dupla camada. Ele leva os seguintes passos.

§Perfuração Primária

Faça furos na pilha de painéis em um padrão adequado ao posicionamento do componente pretendido. Os furos são geralmente perfurados 5 mils maiores do que os tamanhos de furos passantes revestidos acabados pretendidos, porque eles serão revestidos de cobre.

Os furos devem ser o mais precisos possível. Os fabricantes de PCB usam localizadores de raios-X para localizar os furos certos e a perfuração é computadorizada.

§Rebarbar

Esta é a remoção das rebarbas (bordas levantadas do metal) que cercam os furos. Essas rebarbas geralmente ocorrem durante o processo de perfuração.

Além disso, quaisquer detritos que possam ter permanecido no furo perfurado são removidos neste ponto.

§Desmamar

Este processo é específico para PCBs multicamadas. É a remoção química do fino revestimento de resina das conexões da camada interna.

Essa camada geralmente acontece devido ao calor e movimento das brocas ao fazer os furos. Este processo ajuda a melhorar a conectividade elétrica

§Deposição de Cobre

Nesta fase, uma fina camada de cobre é depositada quimicamente em toda a superfície exposta do painel. Isso inclui as paredes dos furos.

Isso criará uma base metálica para galvanoplastia de cobre na superfície e nos orifícios.

§Revestimento Resistente a Filme Seco da Camada Externa

Aqui, você usa o mesmo filme usado nas camadas internas para revestir toda a superfície das camadas externas. Isso deve cobrir até mesmo os furos perfurados.

§Exposição e Desenvolvimento da Camada Externa

Exponha o painel usando o mesmo procedimento dos núcleos da camada interna. A luz passará por áreas claras no filme, endurecendo assim a resistência. Ele cria uma imagem do padrão do circuito.

§ Chapeamento Padrão de Cobre

Em seguida, o cobre é galvanizado na superfície exposta até uma espessura de cerca de 0.001”.

§Revestimento de estanho

Em seguida, o estanho é aplicado em toda a superfície de cobre exposta. O estanho atuará como uma resistência à corrosão para manter os traços de cobre, as almofadas dos orifícios e as paredes durante a gravação da camada externa.

§O “SES”

Estas são três etapas correlatas e subsequentes de strip-etch-strip.

• Resist Strip - O próximo passo é remover o dry film resist do painel. O revestimento de estanho permanece inalterado. Todos os orifícios que foram cobertos com resist ficam abertos e não são chapeados.
• Gravura-Este processo remove o cobre de todas as peças que não possuem estanhagem. O estanho protege o cobre sob ele da corrosão.
• Tin Strip - o estanho cumpriu seu papel. É, portanto, removido quimicamente, deixando o cobre

§Aplicação de Máscara de Solda

Limpeza-O primeiro passo aqui é limpar as almofadas de superfície de cobre expostas, traços e orifícios passantes. Aqui, a superfície é esfregada com pedra-pomes. Isso ajuda a melhorar a adesão da máscara e a remover a contaminação da superfície

Aplicação de máscara de solda - a aplicação de uma tinta à base de epóxi fotossensível reveste completamente o painel. Em seguida é secar o painel, mas sem cura final. O painel é então exposto a uma fonte de luz por meio de uma ferramenta de filme. Por fim, o painel é desenvolvido, expondo assim as almofadas e furos de cobre definidos pela obra de arte.

Curar a máscara de solda - isso é feito assando em um forno, embora alguns fabricantes usem fontes de calor infravermelho.

§Serigrafia

Nesta fase, a tinta é serigrafada em um ou ambos os lados da placa, dependendo dos requisitos do cliente. Depois disso, os painéis passam por cozimento para curar a tinta

§ Nivelamento de solda de ar quente

Isso envolve o revestimento dos painéis com fluxo e, em seguida, mergulhá-los completamente em um banho de solda derretida. A solda cobrirá todas as superfícies metálicas expostas.

Ao remover o painel da solda, direcione o ar quente em ambos os lados do painel. Isso removerá qualquer excesso de solda dos orifícios e suavizará a superfície das almofadas

§Derrota

Use uma máquina CNC ou roteador para cortar as placas no tamanho. Você também pode marcar as placas e quebrá-las facilmente após a montagem.

Em seguida é verificar as placas quanto à limpeza, rebarbas e outros requisitos.

§Teste Elétrico e Inspeção Final

Teste as placas quanto a aberturas e disparos em seus circuitos. Sempre que possível, repare os curtos e execute um teste de verificação.

Depois disso, inspecione visualmente as placas. Confirme se eles estão de acordo com os requisitos do cliente e as especificações do setor. Além disso, verifique as dimensões físicas e os tamanhos dos furos

§Embalagem e Envio

O último passo é contar e encolher as tábuas boas, prontas para embarque.

Processo de montagem de PCB multicamadas

Estamos agora na última fase, de onde terminamos com um PCB completo. Nesta fase, você adicionará componentes montando e soldando-os na PCB.

Antes de entrarmos no processo de montagem do PCB, no entanto, você precisará realizar uma verificação do DFM. Lembra do DFM?

Já falamos sobre isso nas seções anteriores deste guia.

A verificação do DFM visa descobrir se existem recursos problemáticos no PCB.

Você, portanto, examinará todas as especificações de design do PCB para ver se há algum recurso ausente ou feito incorretamente.

Um exemplo de tais problemas é deixar pouco espaço inadequado entre os componentes, o que pode levar a curtos.

As verificações de DFM são, portanto, muito cruciais para reduzir custos. Isso porque ajuda você a perceber os problemas com antecedência suficiente, reduzindo assim o número de refugos.

Quando terminar com isso, agora você pode prosseguir para o processo real de montagem de PCB.

Existem dois métodos principais que são usados ​​para montar PCBs. Estes são:

§Tecnologia de montagem em superfície para PCB multicamada

Isso envolve a colocação de componentes de montagem em superfície usando uma máquina de pegar e colocar e, em seguida, usar solda de refluxo para colá-los na placa.

Componentes de montagem em superfície são aqueles componentes que não possuem cabos e não usam furos passantes. Eles são montados em um lado da placa e não podem penetrar no outro lado.

O conjunto de montagem em superfície geralmente é altamente mecanizado.

§Através da tecnologia de furo para PCB multicamada

Este método é usado para montar componentes de furos passantes na placa. Os componentes de orifícios passantes têm fios que são inseridos nos orifícios da placa. Esses cabos são então soldados usando solda manual ou por onda.

A maioria dos PCBs geralmente tem PCBs de montagem em superfície e furos passantes. Eles, portanto, precisam de uma combinação desses dois métodos para sua montagem. A técnica utilizada é chamada de montagem mista de PCB.

Vejamos, portanto, o processo de montagem de PCB multicamadas passo a passo.

Etapa 1: estêncil de pasta de solda

Como o nome sugere, este é o estágio em que você aplica pasta de solda nas partes designadas da placa.

Estas são as peças onde você pretende montar e soldar os componentes. Usar um estêncil ajuda a bloquear a superfície não intencional para que ela não receba a pasta de solda.

Um acessório mecânico garante que o PCB esteja na posição correta e, em seguida, um aplicador aplica a pasta de solda.

Em seguida, a máquina espalha a pasta no estêncil para que se espalhe uniformemente em todas as áreas que não são cobertas pelo estêncil. Ao remover o estêncil, a pasta de solda permanece apenas nas partes pretendidas.

 Passo 2: Escolha e coloque

Depois de aplicar a pasta na placa, você passará para colocar os componentes SMD nela. Existem dispositivos robóticos que ajudam a pegar e colocar esses componentes SMD com muita precisão. É por isso que hoje, eles substituíram em grande parte as pinças, que eram usadas antes.

Etapa 3: solda de refluxo

Este é o processo que ajuda a garantir que os componentes permaneçam em suas posições. Uma correia transportadora move o forno de refluxo onde a pasta de solda derrete.

Posteriormente, é resfriado para solidificar e manter firmes os componentes. (Eu expliquei o processo na seção “prototipagem”, então vou deixar por isso mesmo).

Etapa 4: Inspeção e Controle de Qualidade

É aqui que você inspeciona a placa quanto a quaisquer falhas que possam ter resultado de movimentos durante o processo de soldagem por refluxo.

Basicamente, a seguir estão os principais tipos de inspeção que você executará nesta fase

• Verificações manuais
• Inspeção Ótica Automática (AOI)
• Inspeção de raio x

Novamente, já me aprofundei nisso na seção de prototipagem. O procedimento é o mesmo para a montagem real e para a prototipagem.

Etapa 5: Inserção do componente do furo passante

A maioria dos PCBs multicamadas são projetados para incluir componentes de furos passantes revestidos. Se este for o caso, então este é o estágio para adicionar esses componentes à placa.

Depois de colocar os componentes na placa, com os fios bem posicionados nos orifícios, é hora de soldá-los.

A solda de refluxo não funciona aqui. Em vez disso, você pode optar por solda manual ou solda por onda, dependendo do tipo e tamanho dos componentes.

A soldagem manual é uma opção mais simples, mas é mais lenta em comparação com a soldagem por onda.

Portanto, é usado apenas onde a solda por onda não é ideal, como quando uma PCB possui componentes de furos passantes em ambos os lados. Neste caso, a solda por onda não é utilizada, pois pode interferir nos componentes já soldados no primeiro lado da placa.

Etapa 6: Inspeção Final e Teste Funcional

Esta é a etapa final, onde você testa a funcionalidade do PCB agora totalmente montado. Para fazer isso, você simulará as condições reais de trabalho em que se espera que o PCB funcione.

Enquanto isso, você monitorará o desempenho e tomará nota de qualquer anomalia.

Se houver um problema com qualquer uma das características da placa, essa PCB falhará no teste.

Dependendo do nível de falha e dos padrões da empresa, o PCB pode ser reciclado ou descartado.

Se os testes em andamento foram conduzidos com sucesso, as chances de falhas graves no teste final são mínimas. No entanto, o teste ainda é uma obrigação para ter certeza do produto final.

Usos de placas de circuito impresso multicamadas

Na seção de vantagens e desvantagens, vimos várias características positivas que os PCBs multicamadas têm sobre os PCBs de camada única. Tão verdadeiramente quanto você espera, isso foi um longo caminho para atrair muitas indústrias para optar por PCBs multicamadas.

Mais especificamente, a mobilidade e a funcionalidade que as PCBs multicamadas garantem atraíram muitos a optar por elas

Nesta seção, portanto, vamos examinar algumas dessas aplicações.

Produtos para o Consumidor

Pessoas de todo o mundo estão mudando rapidamente para produtos inteligentes, como smartphones, que permitem multitarefa com muita facilidade.

Para alcançar essa qualidade e permanecer portátil, esses dispositivos devem usar PCBs multicamadas.

Equipamento de telecomunicação

Durabilidade e funcionalidade são as duas características mais essenciais para equipamentos de telecomunicações. Por esta razão, PCBs multicamadas são preferidos para fazer dispositivos móveis ou torres ao ar livre para esta indústria.

Equipamento industrial

Aqui, novamente, o principal fator é a durabilidade. Os equipamentos industriais às vezes são submetidos a um manuseio brusco que não tolera fragilidade.

Por esse motivo, PCBs multicamadas são usados ​​para controles industriais que operam máquinas na indústria.

Equipamentos Médicos

Seja para diagnóstico ou tratamento, a mobilidade e a funcionalidade dos equipamentos médicos se destacam muito essenciais.

Como tal, PCBs multicamadas são amplamente utilizados neste setor, desde monitores cardíacos até equipamentos de tomografia computadorizada e muito mais.

Equipamento militar e de defesa

A indústria militar depende muito de circuitos de alta velocidade e design de engenharia altamente compacto. Eles têm que desenvolver eletrônicos que incorporam várias funções, mas ainda permitem um movimento fácil.

Isso só é possível com PCBs multicamadas

Indústria automobilística

A boa resistência ao calor, o tamanho reduzido e o alto desempenho dos PCBs multicamadas adaptam-se perfeitamente ao ambiente interno dos automóveis.

Por isso são amplamente utilizados na fabricação de computadores de bordo e sensores de motores, entre outros desta faixa.

Indústria aeroespacial

Esta é uma das indústrias mais sensíveis quando se trata de peso, tamanho, durabilidade e desempenho. A combinação desses atributos tornou os PCBs multicamadas os melhores para eletrônicos como os computadores do cockpit.

Computador Eletrônico

Na indústria de computadores, a portabilidade e o desempenho são tão importantes que superam principalmente as implicações de custo.

Os laptops, por exemplo, precisam de alto desempenho e fácil mobilidade. Eles, portanto, dependem de PCBs multicamadas para suas placas-mãe e outras peças.

Conclusão

O objetivo deste guia foi equipá-lo com uma compreensão robusta de PCBs multicamadas. Em um esforço para desenvolver essa compreensão, expliquei os conceitos e os processos da maneira mais adequada possível. A esse respeito, o guia deixa você bem posicionado para lidar com todos os problemas de PCB multicamadas.

Com esse entendimento, você também pode tomar decisões cruciais em todos os assuntos relacionados a esse tipo de PCBs.

Você é sempre bem-vindo aqui para mais desses guias informativos.