Avanço Tecnológico: Uma Análise das Tendências Tecnológicas que Estão Revolucionando a Indústria de PCBs

Fatores-chave que moldam o futuro da indústria de PCBs:

• Tecnologias em avanço continuam a estimular novas oportunidades de crescimento
• Avanços crescentes em eletrônicos de consumo impulsionam a complexidade dos PCBs
• Continuada miniaturização de dispositivos eletrônicos
• Manutenção preditiva aprimorada com o uso de IA
• Aplicação ampliada de PCBs no setor automotivo

Os PCBs complexos, mas pequenos e multicamadas de hoje, percorreram um longo caminho desde seus designs e funcionalidades originais, inventados no início do século e patenteados por Paul Eisler em 1943. Desde então, processos de fabricação mais sofisticados e softwares de design também possibilitaram maiores eficiências na produção e redução de custos. Por exemplo, apenas uma década atrás, HDI, FPGAs e microvias eram exclusivos para os designs mais caros, mas hoje eles são facilmente acessíveis em todo o mundo.

No cerne do jogo de inovação eletrônica, a indústria de PCBs deve acompanhar o ritmo das mudanças, amadurecendo e desenvolvendo-se em resposta às tecnologias dependentes de PCBs à medida que avançam e à mudança na demanda dos consumidores. À medida que os consumidores exigem dispositivos mais rápidos e finos e tanto indivíduos quanto indústrias buscam funcionalidades refinadas, os principais designers de PCBs estão sob intensa pressão para acompanhar. Um exemplo é como as transmissões de alta frequência necessárias para o 5G agora exigem o uso de PCBs de sinal misto complexos, que podem ser muito difíceis de projetar sem as ferramentas de design de PCBs adequadas .

Vamos dar uma olhada mais aprofundada na tecnologia e nas tendências que estão revolucionando a indústria de PCBs.

Tendências Impulsionando Tendências: IA, IoT e Conectividade 5G

Espera-se que o mercado global de IoT cresça de US$ 399,41 bilhões em 2022 para US$ 1057,55 bilhões até 2027.

A IA convergente, a conectividade 5G e a Internet das Coisas (IoT) têm sido um impulso para a mudança, alimentando o crescimento e avanços na fabricação de PCBs.

Proporcionando acesso a velocidades de rede de até 20 Gbps, espera-se que o 5G funcione dez vezes mais rápido do que as redes LTE atuais e 20 vezes mais rápido do que o 4G com baixa latência (de um milissegundo, oferecendo essencialmente tempo real), e alta confiabilidade de até 99,9999 por cento. Isso afeta grandemente a operação de dispositivos IoT, permitindo que gadgets de todos os tipos, incluindo sensores e máquinas, comuniquem-se e compartilhem dados mais rapidamente do que nunca, revolucionando como vivemos e, mais especialmente, como trabalhamos.

Onde o Wi-Fi ficou aquém no passado, o 5G torna possíveis comunicações críticas em tempo real, tornando-se um diferencial de fabricação e um pré-requisito essencial para as fábricas inteligentes do futuro.

Contudo, à medida que os sistemas 5G são implementados globalmente, suas capacidades de alta velocidade continuam a representar um desafio no que diz respeito ao projeto e fabricação de placas de circuito impresso (PCBs). Para garantir a integridade do sinal, por exemplo, os projetistas devem considerar fatores como largura, comprimento do traçado, roteamento, terminação e blindagem. Outro problema, a interferência eletromagnética, pode ser reduzida por meio de filtragem, blindagem, aterramento e layout.

Para atender às necessidades das aplicações 5G e obter alta densidade de circuito com baixa perda de sinal, em vez da tradicional abordagem de gravação subtrativa, os fabricantes de PCB estão utilizando a técnica de processo semi-aditivo modificado (MSAP). Nessa técnica, onde quer que o fotossensível não esteja presente, uma camada fina de cobre é aplicada ao laminado. Empregando fotolitografia para alcançar gravação de alta precisão com pouca perda na força do sinal, o cobre entre os condutores é removido.

Miniaturização e Outros Avanços Crescentes em Eletrônicos de Consumo

A onipresença das PCBs em nossas vidas pessoais persiste à medida que os consumidores começam a incorporar cada vez mais novas tecnologias em seu dia a dia, agora monitorando e controlando tarefas comuns do cotidiano, como ligar as luzes ou ajustar o ar-condicionado para uma fresca temperatura de 78 graus Fahrenheit por meio de um simples comando de voz.

De smartwatches que monitoram tudo, desde seus passos até sua ingestão calórica, até dispositivos inteligentes que controlam as luzes da sua sala de estar, a demanda por eletrônicos de consumo disparou, impulsionando avanços tecnológicos em tudo, desde consoles de jogos, smartphones e casas inteligentes até dispositivos de Realidade Virtual (VR) e Realidade Aumentada (AR).

Para atender à demanda impulsionada pela tendência à miniaturização e habilitar funcionalidades como monitoramento da frequência cardíaca em repouso em um smartwatch, os fabricantes de PCB estão aprimorando funcionalidades e capacidades por meio da utilização de materiais avançados em placas de circuito, como polímeros de cristal líquido, cobre revestido de resina e fibras de vidro.

IA para Manutenção Preditiva Aprimorada

Embora o uso de IA para controle de qualidade e produção mais rigorosos já seja bastante prevalente em outros setores há algum tempo, ainda é relativamente incomum na fabricação de PCB. A IA pode ajudar a melhorar a saída e a qualidade do produto, projetando circuitos e fabricando de forma mais rápida e consistente do que os métodos tradicionais.

Sistemas Avançados de Inspeção Óptica Automatizada (AOI) baseados em Inteligência Artificial com ML podem ser usados para detectar defeitos, como componentes faltantes e juntas de solda quebradas, reduzindo falsos alarmes e atrasos na linha de produção ao capturar imagens 2D/3D e usar algoritmos de reconhecimento de padrões para comparar as imagens capturadas com um ponto de referência dado.

Ao detectar falhas mais rapidamente, um sistema AOI pode ajudar a melhorar as eficiências da linha de fabricação, alertar os operadores sobre possíveis problemas antes que eles se tornem problemas reais, acelerar o retrabalho e, assim, reduzir os custos gerais de produção.

Com o auxílio da IA, as máquinas de solda podem ser altamente eficientes na soldagem de circuitos integrados de passo fino (ICs), um processo crítico na fabricação de pequenos componentes elétricos onde um bico de alta temperatura é usado para soldar minúsculos componentes elétricos à placa.

Os vastos volumes de dados coletados por sistemas impulsionados por IA durante as operações devem ser aproveitados ao máximo, avaliados cuidadosamente para identificar áreas de melhoria e produzir PCBs de forma mais eficaz e confiável. Para melhorar a manutenção preditiva no processo de fabricação de PCBs, sensores inteligentes podem ser usados para capturar dados importantes que são então analisados para identificar áreas do processo mais propensas a erros, ajudando a reduzir o tempo de inatividade da linha de montagem e evitar possíveis perdas.

Os vastos volumes de dados coletados por sistemas impulsionados por IA durante as operações devem ser aproveitados ao máximo e cuidadosamente avaliados para identificar áreas de melhoria, otimizar operações e produzir PCBs de forma mais eficaz e confiável.

Para melhorar a manutenção preditiva no processo de fabricação de PCBs, sensores inteligentes podem ser usados para capturar dados importantes que são então analisados para identificar áreas do processo mais propensas a erros, ajudando a reduzir o tempo de inatividade da linha de montagem e evitar possíveis perdas.

Ampliação da aplicação de PCBs no setor automotivo

Projetado para crescer a uma CAGR de 7,7% entre 2023 e 2031, o tamanho do mercado global de PCBs automotivos estava avaliado em $13,2 bilhões em 2022 e espera-se que alcance $25,6 bilhões até 2031.

Conforme relatado pela Transparency Market Research, o aumento da demanda de mercado por automóveis de próxima geração e a crescente adoção da Mobilidade 4.0 são antecipados para impulsionar o crescimento da indústria de PCBs automotivos. O objetivo da Mobilidade 4.0 é desenvolver sistemas de transporte inteligentes, eficientes e sustentáveis com o uso de tecnologias de ponta como o IoT e IA mencionados anteriormente, bem como veículos autônomos.

Os consumidores desejam opções de transporte eficazes e práticas que possam ser individualizadas, características oferecidas por automóveis de próxima geração. Além disso, estimulando o mercado, para ajudar a promover a sustentabilidade e a redução de combustíveis fósseis, governos estão promovendo a adoção de veículos elétricos e híbridos por meio de incentivos e subsídios.

Impressão 3D de PCBs

Nos últimos dez anos, a tecnologia de impressão 3D amadureceu de um meio para prototipagem para uma técnica que permite a produção em massa, agora utilizada em muitas indústrias, incluindo a fabricação de PCBs. A impressão 3D usa a fabricação aditiva para construir objetos. Substratos podem ser impressos camada por camada com tinta líquida, depois adicionados a partes que contêm funcionalidades elétricas. O processo pode ser usado para fazer placas de PCB com características e capacidades únicas anteriormente impossíveis através de processos convencionais.

À medida que a impressão 3D limita o erro humano, reduz o desperdício e elimina a necessidade de moldes, ferramentas e equipamentos caros, é uma ótima maneira de reduzir custos, diminuir o consumo de energia e melhorar a eficiência, permitindo ao mesmo tempo o design personalizado.

Outros benefícios adicionais incluem:

• Prototipagem e testes rápidos, permitindo acelerar a produção de placas e possibilitando a personalização e fabricação sob demanda.
• No design de placas de circuito impresso (PCBs), a impressão 3D oferece mais espaço para criatividade e flexibilidade, permitindo formas e estruturas complexas e possibilitando a incorporação de múltiplos componentes e funções em uma única placa de PCB.
• A impressão 3D ajuda a minimizar a pegada ambiental da produção de PCBs, permitindo o uso de materiais biodegradáveis ou recicláveis e reduzindo a quantidade de produtos químicos perigosos e substâncias em comparação com a fabricação convencional de PCBs.

PCBs Biodegradáveis

Para ajudar a minimizar o impacto das PCBs em nosso planeta, os fabricantes devem trabalhar em colaboração para promover métodos sustentáveis, reduzir o lixo eletrônico não degradável e minimizar substâncias perigosas no ambiente.

A dependência da indústria pelo silício levou os fabricantes de PCBs a buscar alternativas mais sustentáveis, impulsionando uma tendência para PCBs orgânicas ou biodegradáveis. PCBs biodegradáveis evitam o uso de materiais não biodegradáveis como químicos, metais e plásticos e, portanto, podem se decompor naturalmente quando expostos a condições propícias como calor, umidade, luz ou microorganismos.

Não apenas as PCBs biodegradáveis são mais ecológicas, reduzindo o consumo de energia e recursos naturais através do uso de materiais renováveis e recicláveis, mas também reduzem custos através do uso de materiais mais baratos e abundantes. Alguns dos componentes que podem ser usados em PCBs biodegradáveis e parcialmente biodegradáveis incluem bio-compostos livres de químicos feitos de fibras de celulose natural extraídas de resíduos agrícolas e coprodutos como glúten de trigo, caules de banana ou penas de galinha.

Fontes de Energia Renovável

A energia renovável produzirá 35% da eletricidade global até 2025: Relatório de Mercado de Eletricidade 2023 da Agência Internacional de Energia (IEA) Electricity Market Report 2023.

A tendência de sustentabilidade por trás da mudança para PCBs biodegradáveis impulsiona ainda mais o crescimento da indústria à medida que nossa dependência de combustíveis fósseis se torna cada vez maior, impactando progressivamente nosso ambiente e forçando a priorização da pesquisa e desenvolvimento de fontes de energia renováveis. Isso resultou em um aumento da demanda por PCBs usadas em fontes de energia renováveis como sistemas de controle de turbinas eólicas, inversores solares e sistemas de armazenamento de energia.

A necessidade de PCBs de complexidade cada vez maior continuará a expandir. O que é considerado tecnologia de ponta hoje rapidamente se tornará comum amanhã. Para acompanhar as tendências projetadas, os principais fabricantes devem se preparar e posicionar-se para suportar estruturas maiores e o uso de diferentes materiais. Isso pode levar a requisitos para novas matérias-primas, linhas de produção atualizadas, novas máquinas e, claro, alinhar-se com os parceiros certos.