O material base de uma placa de circuito impresso (PCB) é a camada isolante (o dielétrico) que sustenta o cobre. Ele define quanta calor a placa suporta, com que velocidade os sinais percorrem a placa, quão bem ela conduz o calor para fora e se ela dobra. A maioria das placas usa o mesmo material; você só precisa de outro por um motivo.
O que é um laminado
Uma placa rígida começa como um laminado: uma folha de material isolante com folha de cobre colada em um ou nos dois lados. O isolante em geral é fibra de vidro tecida embebida em resina e curada. As camadas de uma placa multicamada são unidas por prepreg, tecido de vidro com resina parcialmente curada que derrete e cola durante a laminação. Três números descrevem um laminado para a maioria dos fins:
- Folha de cobre, colada à face.
- Resina: a resina epóxi curada que mantém tudo unido e isola.
- Tecido de vidro: os ovais são feixes de fibra cortados transversalmente, o fio ondulado corre ao longo. Ele dá resistência e uma espessura estável.
- Cobre na outra face. Um núcleo tem folha nos dois lados, e o padrão de cobre é gravado a partir dela depois.
- Tg (temperatura de transição vítrea). A temperatura na qual a resina passa de rígida para macia. Acima da Tg, a placa se expande muito mais rápido e tensiona furos e metalização.
- Dk (constante dielétrica) e Df (fator de dissipação). Quão fortemente o material afeta os sinais elétricos e quanta energia do sinal ele absorve. Eles importam em altas frequências e para impedância controlada.
- Condutividade térmica. Quão bem o calor flui através do dielétrico.
FR-4
FR-4 é o nome comum do laminado epóxi reforçado com vidro com um aditivo retardante de chama. Ele é barato, resistente, fácil de processar e suficiente para a maioria dos eletrônicos. Seu Dk é tipicamente cerca de 4 a 4,6, dependendo do teor de resina e da frequência, e varia de lote para lote e entre fabricantes, por isso um projetista que precisa de um valor preciso o pede a partir do empilhamento (stack-up).
O FR-4 existe em tipos, principalmente pela Tg:
| Tipo | Tg típica | Uso |
|---|---|---|
| Padrão | cerca de 130 a 140 °C | Placas simples, um ou dois ciclos de soldagem |
| Tg média | cerca de 150 °C | Soldagem sem chumbo, mais camadas |
| Tg alta | 170 °C e acima | Muitas camadas, placas espessas, refluxo repetido, temperatura de operação mais alta |
A solda sem chumbo derrete a uma temperatura mais alta que a solda estanho-chumbo, e a placa passa pelo forno na temperatura mais alta, às vezes duas vezes. Placas com muitas camadas, placas espessas e placas que serão retrabalhadas se beneficiam de uma Tg mais alta. Um número relacionado, Td (temperatura de decomposição), diz quando a resina começa a perder massa, e é outro motivo para escolher um tipo melhor para serviço exigente.
Acima da sua Tg, a resina amolece e a placa se expande muito mais rápido. O desenho compara dois tipos.
- A Tg de um tipo mais baixo: acima desta temperatura, a placa cresce muito mais rápido.
- A Tg de um tipo mais alto: a placa permanece rígida até uma temperatura mais alta.
Outras variantes de FR-4 são vendidas: versões sem halogênio para mercados que as pedem e tipos com melhor resistência a filamentos anódicos condutivos (uma falha lenta dentro da placa). Peça-as quando o seu produto precisar delas.
Placas de núcleo metálico (alumínio e cobre)
Uma placa de núcleo metálico cola uma fina camada de circuito de cobre, através de uma fina camada isolante, a uma base metálica, em geral alumínio e às vezes cobre. O objetivo é o calor: a camada isolante é feita para conduzir calor muito melhor que o FR-4, e o metal o espalha. Usuários típicos são iluminação LED e conversão de potência.
O que saber:
- A maioria é de face única; versões de dupla face e multicamada existem e custam mais.
- A condutividade térmica da camada dielétrica varia muito entre tipos, por isso vale pedir o número na folha de dados.
- O alumínio se expande de forma diferente das peças nele, o que pode tensionar peças cerâmicas grandes e juntas de solda sob ciclos de temperatura.
- Perfurar e fresar uma placa metálica é mais lento e a placa é mais pesada. Pergunte sobre os limites.
Laminados de alta frequência (Rogers, PTFE e outros)
Em frequências de rádio e micro-ondas, o FR-4 padrão perde sinal demais, e seu Dk varia demais. Laminados especiais têm Dk mais baixo e mais estável e Df muito menor. Eles se dividem em dois grupos: à base de PTFE (tipo Teflon) e hidrocarboneto com carga cerâmica ou materiais semelhantes. A Rogers Corporation é um fabricante conhecido; outros fabricantes vendem equivalentes. Os valores de Dk vão de cerca de 2 a 10 entre as famílias, por isso a escolha segue o projeto.
Pontos práticos:
- Eles são mais caros por área que o FR-4.
- Eles podem precisar de processamento especial, pois o PTFE é macio e escorregadio.
- Muitos projetos usam um híbrido: uma fina camada de alta frequência para a parte de rádio e FR-4 para o resto, o que reduz o custo, mas precisa de um empilhamento (stack-up) que funcione para a fábrica.
- Pergunte à fábrica quais marcas e espessuras ela pode fornecer antes de projetar a placa em torno de um deles.
Você raramente precisa deles abaixo de 1 GHz. Entre 1 e alguns gigahertz, um projeto cuidadoso em FR-4 funciona para muitos produtos; acima disso, ou quando as perdas importam, um laminado melhor passa a ser a escolha adequada.
Placas flexíveis e rígido-flexíveis
Uma placa flexível é feita em filme de poliimida, não em fibra de vidro. Ela dobra, e pode ser dobrada uma vez para caber, ou dobrada repetidamente em uma parte móvel. Os dois usos são diferentes: uma dobra feita uma vez é uma dobra estática, dobras repetidas são dobras dinâmicas, e as regras de projeto (tipo de cobre, raio de dobra, roteamento das trilhas) não são as mesmas. O rígido-flexível combina trechos rígidos e conexões flexíveis em uma única peça.
Pontos a lembrar:
- O flexível precisa de um raio de dobra que depende da sua espessura; os projetistas usam um múltiplo da espessura total, com múltiplos maiores para mais camadas e para uso dinâmico.
- Reforços (material rígido extra colado atrás das áreas de conectores) são adicionados onde as peças são montadas ou onde um conector se encaixa.
- Flexível e rígido-flexível custam muito mais por área que o FR-4.
- O flexível absorve umidade e deve ser seco antes da montagem.
- FR-4: cobre, um núcleo rígido de tecido de vidro em resina (as listras), cobre.
- Núcleo metálico: um circuito de cobre, uma fina camada isolante, depois uma base metálica espessa.
- Flexível: um filme fino com cobre nele. Ele dobra em vez de ficar plano.
- O calor de uma peça em uma placa de núcleo metálico desce pelo isolante fino até a base.
Como escolher
- Comece com FR-4. Escolha a Tg a partir do processo de soldagem e do número de camadas.
- Escolha um núcleo metálico quando o calor de algumas peças for o problema, e conduza o calor para fora através da placa.
- Escolha um laminado de alta frequência quando as perdas ou um Dk estável definirem o desempenho, em geral para rádio.
- Escolha o flexível quando o produto se move ou precisa caber em uma forma que uma placa rígida não consegue.
- Na dúvida, pergunte à fábrica antes de projetar a placa em torno de um material.
Como isso aparece quando você pede aqui
Os materiais, as espessuras e os processos especiais oferecidos estão listados na página de capacidades de fabricação, e a lista em vigor é a lista que vale. A fábrica trabalha com substratos de FR-4, alumínio, cobre e flexíveis, e com materiais de Tg alta, sem halogênio e de alta frequência. Quais deles você pode pedir pelo site está definido na página de capacidades de fabricação, e um engenheiro confirma cada pedido. Empilhamentos (stack-up) e impedância são tratados em Peso do cobre, empilhamentos e impedância.