DFM 101: Materiais PCB

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Introdução Um dos maiores desafios enfrentados pelos projetistas de PCB é entender os direcionadores de custo no processo de fabricação de PCB. Este artigo é o primeiro de uma série que discutirá esses direcionadores de custo (do ponto de vista do fabricante de PCB) e as decisões de projeto que afetarão a confiabilidade do produto.

DFM O design para fabricação (DFM) é definido como a prática de projetar placas de circuito impresso que atendam não apenas às capacidades do processo de fabricação de montagem do cliente, mas também às capacidades do processo de fabricação da placa com o menor custo possível. Embora não substituam o envolvimento inicial do projeto com o fabricante de PCB, esses artigos fornecerão diretrizes que o ajudarão a "projetar para o sucesso".

Materiais Multicamadas Padrão A maioria dos PCBs são fabricados com dielétricos de vidro epóxi (FR-4) e folha de cobre. Os PCBs são construídos a partir de três tipos básicos de materiais: folha de cobre, pré-impregnados e núcleos.

Figura 1: Um exemplo de material epóxi de vidro totalmente curado com cobre laminado em ambos os lados.

Materiais de alta frequência (RF/Microondas) Projetos de alta frequência (1 GHz e superior) requerem materiais com constantes dielétricas e fatores de dissipação rigorosamente controlados. Os materiais FR-4 normalmente usados ​​para PCBs não possuem as características controladas desejadas. Os materiais de substrato usados ​​para aplicações de alta frequência foram originalmente baseados em formulações de resina PTFE que possuem as propriedades desejadas, ou seja, constante dielétrica controlada para ±0,04 e fator de dissipação para 0,0004. Esses valores podem variar um pouco dependendo do tipo de material e fornecedor. Hoje, existem vários materiais no mercado que não contêm PTFE, mas ainda possuem valores controlados que podem ser usados ​​para aplicações de alta frequência.

Tipos de materiais Existem três tipos básicos de materiais: vidro não tecido, vidro tecido e preenchido. As designações de especificação militar são GR (não tecido) e GT, GX e GY (tecido). O material preenchido não tem designação.

Os materiais não tecidos contêm uma dispersão de microfibras de vidro no substrato. Estes são tipicamente materiais com baixas constantes dielétricas (2,20-2,35). Eles funcionam muito bem nas frequências mais altas, pois o fator de dissipação é baixo.

Tipos de folha de cobre Estão disponíveis dois tipos de folha de cobre colada; eletrodepositado (ED) e laminado recozido (RA). A diferença entre essas folhas é o processo de fabricação e o tratamento na parte traseira para aumentar a adesão da colagem.

1. O cobre eletrodepositado (ED) é feito por galvanoplastia de cobre em um tambor rotativo que resulta em uma estrutura de grãos orientada verticalmente (Figura 2). Em frente à superfície do tambor, o revestimento de cobre é áspero, quase como "dentes", e aprimorado por tratamento adicional. Os dentes fornecem maior resistência ao descascamento, mas podem aumentar as perdas do condutor em alta frequência devido à profundidade dos dentes.

Figura 2: Cobre eletrodepositado feito por galvanoplastia em um tambor rotativo.

2. O cobre recozido laminado (RA) é feito rolando um lingote em folhas muito finas. A estrutura do grão é orientada horizontalmente. A laminação causa tensão na folha e deve ser recozida a quente para remover a tensão. O cobre recozido laminado tem o mesmo acabamento em cada lado, o que requer dentes criados artificialmente na parte traseira. Esses dentes têm cerca de metade da profundidade do cobre eletrodepositado. Isso faz com que o cobre recozido laminado tenha cerca de metade da resistência ao descascamento do cobre eletrodepositado. Isso significa que o cobre recozido laminado tem melhor desempenho em frequências acima de 13 GHz.

Figura 3: O cobre laminado recozido (RA) é feito rolando um lingote em folhas muito finas.

A resistência ao descascamento é a quantidade de força, em libras por polegada, que deve ser aplicada para fazer com que uma faixa de 1 polegada de largura da folha de cobre se descasque do substrato. Os valores típicos para cobre de 1 onça eletrodepositado (ED) são 9–11 libras por polegada e cobre recozido laminado (RA) de 1 onça é de 4–6 libras por polegada. À medida que os traços do circuito se tornam mais estreitos, a resistência ao descascamento é reduzida. Portanto, mais cuidado é necessário para soldar e unir a traços estreitos.