Como o material de PCB de alta condutividade térmica resolverá o problema da dissipação de calor

As PCB, também conhecidas como placas de circuito impresso, são estruturas em camadas feitas de folhas de cobre ensanduichadas entre camadas de vidro-epóxi. Estas camadas servem de suporte mecânico e elétrico para os componentes. As folhas de cobre de alta condutividade servem de circuito condutor na placa de circuito impresso, enquanto a camada de vidro-epóxi serve de substrato não condutor.

Material de PCB de elevada condutividade térmica

A condutividade térmica é a capacidade de um material transferir calor para fora de um dispositivo. Quanto mais baixa for a condutividade térmica, menos eficiente é o dispositivo. Materiais de alta condutividade térmica podem eliminar a necessidade de vias e produzir uma distribuição de temperatura mais uniforme. Isso também reduz o risco de expansão volumétrica localizada, que pode levar a pontos quentes perto de componentes de alta corrente.

Uma placa de circuito impresso típica de um computador pessoal pode ser constituída por dois planos de cobre e duas camadas de traços exteriores. A sua espessura é de cerca de 70 um e a sua condutividade térmica é de 17,4 W/mK. O resultado é que a PCB típica não é um condutor de calor eficiente.

Moedas de cobre

As moedas de cobre são pequenas peças de cobre incorporadas na placa de circuito impresso. São colocadas por baixo do componente que produz mais calor. A sua elevada condutividade térmica permite-lhes transferir o calor do componente quente para um dissipador de calor. Podem ser fabricadas em diferentes formas e tamanhos para se adaptarem às áreas pretendidas e podem ser metalizadas para garantir uma ligação estanque.

Vidro-epóxi

O problema da dissipação de calor está a tornar-se mais importante na eletrónica. O excesso de calor pode levar a um fraco desempenho e a uma falha prematura. Atualmente, as opções de dissipação de calor são limitadas, especialmente em ambientes extremos. Uma das soluções para este problema é a utilização de material PCB epóxi de vidro de alta temperatura, ou HDI-PCB. Este material é capaz de resolver este problema por ter uma condutividade térmica mais de duzentas vezes melhor do que o composto FR4.

A resina epóxi de vidro tem uma excelente resistência ao calor e à chama. Tem uma elevada temperatura de transição vítrea e uma elevada condutividade térmica. Pode servir como uma camada isolante e uma camada de dissipação de calor. Pode ser fabricada por impregnação ou revestimento. A condutividade térmica do PCB de epóxi de vidro melhora o desempenho e a estabilidade dos componentes electrónicos.

PCBs com núcleo metálico

Os fabricantes de placas de circuito impresso com núcleo metálico introduziram novos substratos de placas que podem suportar temperaturas elevadas. Isto permite-lhes aplicar seletivamente camadas de cobre mais espessas que têm uma condutividade térmica mais elevada. Este tipo de placa de circuito impresso permite uma melhor dissipação do calor e pode ser utilizado para padrões de circuitos finos e embalagens de chips de alta densidade.

Para além de oferecerem uma maior condutividade térmica, as PCB metálicas são também dimensionalmente estáveis. As PCB com núcleo metálico de alumínio têm uma alteração de tamanho de 2,5-3% quando aquecidas, o que as torna ideais para aplicações de alta potência. As suas propriedades de baixa expansão térmica também as tornam adequadas para uma elevada potência de comutação. O metal mais comummente utilizado para uma PCB com núcleo metálico é o alumínio, que é barato e reciclável. A sua elevada condutividade térmica permite um processo de arrefecimento rápido.

Outro problema associado à dissipação de calor é o risco de calor excessivo. O calor gerado pelos componentes que geram calor deve ser removido da placa, caso contrário a placa de circuito impresso não terá o melhor desempenho possível. Felizmente, existem atualmente novas opções para resolver este problema. As PCB com núcleo metálico de elevada condutividade térmica são um novo tipo de solução térmica que pode ultrapassar estes problemas.

Substratos FR4

As placas de circuito impresso são estruturas em camadas feitas de folhas de cobre e polímeros reforçados com vidro. Suportam e ligam componentes electrónicos. O cobre cria um circuito condutor dentro da PCB, enquanto a camada de vidro-epóxi actua como um substrato não condutor.

Os componentes de alta potência são melhor colocados perto do centro da placa de circuito impresso, em vez de nas extremidades. Isto deve-se ao facto de o calor se acumular perto das extremidades e se dispersar. Além disso, o calor dos componentes de alta potência deve ser colocado longe de dispositivos sensíveis, e o calor deve ser canalizado através da PCB.

O material de PCB de elevada condutividade térmica é a melhor solução para a dissipação de calor, permitindo uma rápida transferência de calor e evitando a acumulação de calor. As PCB de alta tecnologia utilizam uma base de cobre, alumínio ou cerâmica como material de substrato. Isto resolverá os problemas de dissipação de calor e tornará as PCB mais duradouras.

Coisas a saber antes de encomendar um projecto de PCB

Se vai encomendar um projecto de PCB, há alguns aspectos que deve ter em conta. Por exemplo, deve verificar duas vezes os seus traços antes de encomendar. Além disso, deve certificar-se de que a lista técnica e o ficheiro de perfuração correspondem. Além disso, deve escolher o material correcto.

Duplo controlo dos traços

Ao encomendar PCBs a um fabricante de PCBs, é crucial verificar novamente os traços e o espaçamento na sua placa. A espessura e a largura dos traços no seu projecto determinarão a quantidade de corrente que pode fluir através do circuito. Pode utilizar uma calculadora de largura de traço online para encontrar a largura de traço ideal. Isto reduzirá as hipóteses de quebra das ligações.

Verificação da lista técnica

O primeiro passo para encomendar componentes para PCB é verificar a lista técnica. Esta ajudará a evitar números de componentes em falta ou incorrectos. A utilização da lista técnica também é benéfica quando se trata de obter peças. A descrição do componente ajudará o comprador e a empresa de montagem a encontrar uma peça de substituição adequada. Isto também os ajudará a confirmar que as peças têm o NMP correcto.

É importante verificar a lista técnica antes de enviar o projecto de placa de circuito impresso a um fabricante. Isto porque mesmo um pequeno erro pode causar problemas durante o processo de montagem da placa de circuito impresso. Deve também manter um registo de todas as alterações feitas à lista técnica e rotulá-las claramente. A versão mais actualizada da lista técnica é a que deve ser utilizada.

Quando tiver a lista técnica, precisa de saber o custo do componente que está a encomendar. É importante saber exactamente quanto vai pagar. O preço dos seus componentes deve corresponder à lista técnica do seu projecto de PCB. Caso contrário, poderá ter de substituir os componentes ou mesmo alterar o projecto.

Verificar o ficheiro de perfuração

Pode verificar facilmente o seu ficheiro de perfuração antes de encomendar o seu projecto de PCB a uma empresa de fabrico de PCB. No entanto, há alguns aspectos importantes que deve ter em conta antes de efectuar uma encomenda. O primeiro passo é certificar-se de que o ficheiro está no formato correcto. Pode utilizar um visualizador de ficheiros gerber para verificar o seu ficheiro.

Um ficheiro de perfuração é um ficheiro secundário que explica onde os furos devem ser feitos na placa de circuito impresso. Este ficheiro deve ser enviado juntamente com os ficheiros Gerber. Se o seu ficheiro de perfuração não especificar as localizações ou tamanhos dos furos, a sua encomenda de PCB falhará a auditoria.

O ficheiro de perfuração também deve conter uma lista de ferramentas. Esta lista indica as ferramentas necessárias para cada furo do componente. A lista de ferramentas deve ser incorporada no ficheiro de perfuração ou enviada como um ficheiro de texto separado. O facto de não fornecer esta lista de ferramentas no desenho de fabrico eliminará as verificações automáticas e resultará em mais erros no que diz respeito à introdução de dados.

Escolher os materiais correctos

A escolha dos materiais certos para o seu projecto de PCB é essencial. As propriedades físicas dos materiais da placa de circuito impresso podem afectar significativamente o desempenho da placa. Por exemplo, uma constante dieléctrica mais baixa significa dieléctricos mais finos e menor espessura da placa, enquanto uma constante dieléctrica mais elevada conduz a perdas mais elevadas. Esta informação ajudá-lo-á a restringir a sua selecção de materiais para PCB e a encontrar aqueles que proporcionam o desempenho necessário.

De seguida, deve determinar o número de camadas de encaminhamento na sua placa de circuito impresso. Para um desenho simples de PCB, pode haver apenas uma ou duas camadas, enquanto um desenho moderadamente complexo pode precisar de quatro a seis camadas. Os projectos mais complicados podem necessitar de oito camadas ou mais. O número de camadas afectará directamente o custo do seu projecto de PCB.

Como saber o acabamento da superfície a partir da cor do PCB

Se está a pensar como saber o acabamento da superfície de uma placa de circuito impresso, não é o único. A cor de uma placa de circuito impresso pode revelar o acabamento da sua superfície. Poderá também ver uma designação de cor chamada ENIG ou ouro duro, prata ou vermelho claro. Independentemente do que vir, deve certificar-se de que a placa de circuito impresso é revestida para proteger a superfície.

ENIG

O acabamento de superfície ENIG é um dos acabamentos mais populares para PCBs. É feito através da combinação de ouro e níquel. O ouro ajuda a proteger a camada de níquel da oxidação e o níquel actua como uma barreira de difusão. A camada de ouro tem uma baixa resistência de contacto e é normalmente uma camada fina. A espessura da camada de ouro deve ser compatível com os requisitos da placa de circuitos. Este acabamento de superfície ajuda a prolongar a vida útil da placa de circuitos. Tem também um excelente desempenho elétrico e melhora a condução eléctrica entre os componentes da placa de circuito impresso.

O acabamento de superfície ENIG tem um custo mais elevado, mas uma elevada taxa de sucesso. É resistente a múltiplos ciclos térmicos e apresenta boa soldabilidade e ligação de fios. É composto por duas camadas metálicas: uma camada de níquel protege a camada de cobre de base contra a corrosão e uma camada de ouro actua como uma camada anticorrosiva para o níquel. O ENIG é adequado para dispositivos que exigem elevados níveis de soldabilidade e tolerâncias apertadas. O ENIG também é isento de chumbo.

Ouro duro

O ouro duro é um acabamento de superfície de PCB dispendioso. É um acabamento durável e de alta qualidade, frequentemente reservado para componentes que sofrem um elevado nível de desgaste. O ouro duro é normalmente aplicado aos conectores de extremidade. A sua principal utilização é proporcionar uma superfície durável para componentes que são frequentemente accionados, tais como contactos de bateria ou contactos de teclado.

O ouro eletrolítico duro é uma camada revestida a ouro sobre uma camada de barreira de níquel. É o mais durável dos dois e é normalmente aplicado em áreas susceptíveis de desgaste. No entanto, este acabamento de superfície é muito caro e tem um baixo fator de soldabilidade.

Prata

Dependendo da composição da PCB, esta pode ser produzida com diferentes cores e acabamentos. As três cores mais comuns para superfícies de PCB são prata, ouro e vermelho claro. As PCB com um acabamento de superfície dourado são normalmente as mais caras, enquanto as com um acabamento prateado são mais baratas. O circuito na placa de circuito impresso é feito principalmente de cobre puro. Uma vez que o cobre oxida facilmente quando exposto ao ar, é muito importante proteger a camada exterior da placa de circuito impresso com um revestimento protetor.

Os acabamentos de superfície prateados podem ser aplicados utilizando duas técnicas diferentes. A primeira técnica é a imersão, na qual a placa é mergulhada numa solução que contém iões de ouro. Os iões de ouro presentes na placa reagem com o níquel e formam uma película que cobre a superfície. A espessura da camada de ouro deve ser controlada para que o cobre e o níquel possam permanecer soldáveis e o cobre seja protegido das moléculas de oxigénio.

Vermelho claro

O acabamento da superfície de um PCB pode ser brilhante, não brilhante ou vermelho claro. Um acabamento não brilhante tende a ter um aspeto mais poroso, e um acabamento brilhante tende a ser refletor e semelhante a uma casca dura. O verde é a cor de PCB mais popular e é também uma das mais baratas. É importante limpar as PCB antes de as utilizar para evitar a oxidação.

Embora a cor da máscara de solda não seja um reflexo direto do desempenho do PCB, alguns fabricantes utilizam-na como uma ferramenta de design. A cor é ideal para PCBs que exigem visibilidade brilhante e contrastes nítidos. As PCB vermelhas são também atractivas quando combinadas com serigrafias.

Paládio eletrolítico

A utilização do acabamento superficial de paládio sem eletrólise nas suas placas de circuito impresso evita a formação de almofadas pretas na placa e tem muitas vantagens, incluindo uma excelente soldabilidade e ligação de fios de alumínio e prata. Este tipo de acabamento também tem um prazo de validade extremamente longo. No entanto, também é mais caro do que outros acabamentos e requer um prazo de entrega mais longo.

O processo de acabamento de superfícies de PCB do ENEPIG envolve várias etapas, cada uma das quais requer um controlo cuidadoso. Na primeira etapa, o cobre é ativado, seguindo-se a deposição de níquel e paládio electroless. Em seguida, a placa de circuito impresso passa por um procedimento de limpeza, para remover resíduos de oxidação e poeira da superfície.

HASL sem chumbo

Se está à procura de uma nova placa de circuito impresso, pode perguntar-se como distinguir os acabamentos de superfície HASL sem chumbo das placas de circuito impresso à base de chumbo. Embora o HASL tenha um aspeto atraente, não é ideal para componentes de montagem em superfície. Este tipo de acabamento não é plano e os componentes maiores, como as resistências, não se podem alinhar corretamente. O HASL sem chumbo, por outro lado, é plano e não utiliza solda à base de chumbo. Em vez disso, utiliza uma solda à base de cobre que está em conformidade com a RoHS.

O HASL oferece uma soldabilidade de alta qualidade e pode suportar vários ciclos térmicos. Foi outrora o padrão da indústria, mas a introdução das normas RoHS fez com que deixasse de estar em conformidade. Hoje em dia, o HASL sem chumbo é mais aceitável em termos de impacto ambiental, bem como de segurança, e é uma escolha mais eficiente para componentes electrónicos. Também está mais em conformidade com a diretiva RoHS.

Como fazer o processo de panelização da matriz de placas PCB

As matrizes de placas incorporadas podem ser revestidas com painéis para reduzir os custos de fabrico. Este artigo aborda as diferentes opções disponíveis, incluindo a utilização de uma máquina de corte a laser, uma serra ou uma fresadora. O primeiro passo é desenhar a placa por si só. O projeto deve incluir a tabela e as dimensões de todo o painel.

As matrizes de placas incorporadas podem ser colocadas em painéis para reduzir os custos de fabrico

A colocação de placas incorporadas em painéis permite-lhe reduzir o número de componentes individuais e o custo global de fabrico. Pode colocar as placas lado a lado até uma largura de placa de 4 polegadas e 7,5 polegadas. A colocação de painéis permite-lhe poupar espaço no seu local de fabrico e evitar operações de montagem dispendiosas e demoradas.

A colocação de painéis ajuda a proteger a integridade de uma placa de circuito impresso, permitindo aos fabricantes de placas de circuito impresso da China produzir várias placas de uma só vez. No entanto, a montagem de placas de circuito impresso deve ser feita com cuidado. O processo pode causar uma grande quantidade de poeira e as placas montadas podem precisar de limpeza adicional antes do envio. Além disso, os componentes salientes podem cair nas partes adjacentes. Se as saliências forem suficientemente pequenas, podem ser utilizados "orifícios de separação" em cada placa para evitar esta situação.

Para construir um painel usando várias PCBs, é necessário primeiro construir um painel com pilhas de camadas de PCB compatíveis. Isso pode ser feito selecionando PCBs que compartilham o mesmo arquivo de design de PCB e criando um painel com várias PCBs. Em seguida, é possível usar os comandos de painelização para criar um painel composto por uma ou várias PCBs.

Utilização de uma máquina de corte a laser

A utilização de uma máquina de corte a laser para despanelizar uma matriz de placas de circuito impresso elimina a necessidade de uma fresadora de placas de circuito impresso. Ao contrário de outros métodos de corte, o roteamento a laser não requer uma matriz mecânica e é adequado para PCBs com tolerâncias apertadas. Também pode cortar através de substratos de circuitos flexíveis e fibras de vidro.

Ao contrário de uma serra, uma máquina de corte a laser pode apainelar a uma matriz de placas PCB de forma rápida e eficiente. Os lasers são mais adequados para placas finas, e a espessura ideal para uma matriz de placas PCB é de um mm. No entanto, se a placa tiver componentes pendentes, o laser pode danificá-los. Além disso, a utilização de uma máquina de corte a laser para revestir uma matriz de placas PCB pode deixar uma aresta rugosa, o que pode exigir trabalho adicional.

O tamanho do painel é outro fator a considerar. Se a placa de circuito impresso for mais larga do que o comprimento da matriz, é mais eficiente empilhar placas. No entanto, esta estratégia tem um inconveniente: resultará numa inclinação excessiva durante a soldadura com máquina de furos passantes.

Utilizar uma serra

O processo de painelização envolve a remoção de PCBs individuais de um painel de placas de PCB. Isto pode ser feito manualmente ou com uma lâmina de serra. Em ambos os casos, o material laminado na parte superior e inferior da placa de circuito impresso é removido. O centro da placa de circuito impresso é deixado intacto para manter o formato da matriz da placa.

A forma mais comum e mais barata de colocar um conjunto de placas PCB em painéis é utilizando uma serra. Uma serra permite-lhe separar as placas individuais utilizando ranhuras em V. Este método permite-lhe separar as placas de forma fácil e rápida. É um método relativamente simples e a serra ajuda-o a cortar as placas com precisão.

Uma outra técnica para revestir uma matriz de placas de circuito impresso é a fresagem de separadores. Este processo fresa a placa de circuito ao longo dos contornos. Esta técnica preserva as pontes de material que mantêm a placa no lugar durante o processo de fabrico. No entanto, não é adequada para grandes transformadores ou outros componentes pesados. No entanto, reduz a carga colocada na placa de circuito impresso e pode reduzir o risco de lascar.

Utilizar um router

Se estiver a utilizar uma tupia para realizar o processo de painelização da matriz de placas PCB, esteja ciente dos riscos envolvidos. A primeira coisa que deve saber é que as tupias geram pó e vibração. Se os painéis forem muito espessos, deverá utilizar uma máquina de corte a laser. Em alternativa, pode utilizar uma ferramenta de lâmina de gancho. Este método é menos eficiente, mas muito mais barato.

Outro método de painelização é o encaminhamento de ranhuras em V, que utiliza separadores perfurados para manter os PCBs no lugar. Estes separadores podem ter de três a cinco orifícios. As vantagens deste método incluem flexibilidade e facilidade de despanelização. No entanto, este método não é recomendado para PCBs com formas irregulares ou pequenos orifícios.

Utilizar uma ferramenta de lâmina em forma de gancho

Quando se procede ao painelamento de uma matriz de placas PCB, é importante seguir o procedimento correto. A utilização da ferramenta errada pode resultar numa placa partida. Para evitar isto, é importante medir cuidadosamente a placa PCB e cortar cada painel à profundidade correcta. Além disso, certifique-se de que deixa um mínimo de 0,05 polegadas de espaço na extremidade de cada painel.

Existem muitos métodos diferentes de painelização. Alguns métodos são mais eficazes do que outros. Alguns métodos requerem a utilização de uma ferramenta de lâmina em forma de gancho, que é cara e ineficaz quando se trabalha com tábuas mais grossas. Outros métodos requerem a utilização de uma tupia de desnudamento, que pode causar poeiras e outros problemas.