DFM na Seleção de Materiais para PCB

Cada projeto deve começar com a seleção dos materiais que aparecerão no empilhamento da PCB, bem como a organização das camadas no empilhamento para suportar o layout e o roteamento. Esta seção do nosso curso intensivo sobre fabricação de PCB e DFM foca na seleção dos materiais certos para o seu design de PCB. Os materiais devem ser selecionados considerando os requisitos de design específicos descritos em suas especificações.

Para a brevidade do novo designer, focaremos principalmente no FR-4, pois esta é a classe de materiais mais comumente usada para o design de PCB.

Processo Básico de Seleção de Materiais

Antes de selecionar materiais, é importante notar que seu fabricante precisa tê-los em estoque antes de você decidir incluí-los em seu design. Se o seu design requer tipos específicos de materiais, e você tem requisitos específicos para estes em seu empilhamento de PCB, você deve contatar seu fabricante e verificar se eles têm esses materiais em estoque ou uma alternativa compatível. Nem todos os fabricantes possuem todos os materiais possíveis, e eles podem não ter um processo que seja compatível com cada material. Além disso, você não pode sempre misturar e combinar qualquer material no empilhamento como quiser. É importante contatar um fabricante para orientação para garantir que o design que você cria será fabricável em processos padrão.

A IPC definiu requisitos de compatibilidade de materiais nas normas IPC-4101 e IPC-4103. Essas normas exigem que os fabricantes de laminados criem "folhas de corte" que listam propriedades específicas dos materiais e requisitos de processamento. Os fabricantes de laminados projetarão seus materiais para se conformarem a uma dessas folhas de corte. Isso permite que um fabricante saiba imediatamente quando dois materiais serão compatíveis e podem ser substituídos um pelo outro.

• Saiba mais sobre as folhas de corte da IPC e as normas IPC-4101/IPC-4103

Ao projetar uma PCB, existem várias escolhas de materiais a considerar com base nas suas necessidades de design únicas. Antes de selecionar um material, é recomendado definir primeiro as funcionalidades e requisitos de confiabilidade que sua placa deve atender. Veja o fluxograma abaixo para um processo típico de seleção de materiais.

Propriedades dos Materiais de PCB em Detalhe

As propriedades materiais relevantes para PCBs se dividem em três categorias:

• Elétricos
• Térmicos
• Mecânicos

Os materiais elétricos são onde a maioria dos projetistas se concentra, pois frequentemente estão tentando atingir um alvo de impedância específico (para designs de alta velocidade), alvo de perda de sinal ou potência (para designs de alta frequência), tensão de ruptura (para designs de alta tensão), ou alguma combinação destes. Os materiais elétricos são importantes, mas para considerações de DFM (Design para Fabricação), as propriedades mecânicas e térmicas precisam ser conhecidas pelo seu fabricante para que eles possam acomodar estas no processo de fabricação.

A casa de fabricação que produzirá sua placa de circuito gravada precisa saber como implementar sua seleção de materiais em seu processo. Se você selecionar seus próprios materiais, é por isso que é melhor se você contatar diretamente sua casa de fabricação e pedir que eles avaliem seu empilhamento. No caso de eles não poderem fabricar o empilhamento como você o projetou, eles podem frequentemente sugerir um conjunto de materiais alternativo, um empilhamento alternativo, ou eles podem frequentemente fornecer um empilhamento padronizado.

• Saiba mais sobre como especificar os requisitos de empilhamento para uma casa de fabricação

As propriedades mais críticas a considerar para requisitos elétricos são a resistência elétrica, constante dielétrica e resistência à umidade. Consulte a tabela a seguir para uma lista de alguns dos materiais mais comuns e seus valores de propriedades associados. Lembre-se de consultar o seu fabricante para obter dados mais específicos sobre propriedades elétricas se você tiver um requisito especial, como um design de alta tensão ou um design de alta frequência.

Para alguns designs que exigem alta confiabilidade, o agente de cura e o conteúdo de resina são outros dois fatores importantes. Isso é particularmente verdadeiro para designs de alta tensão que não têm espaço suficiente para um grande espaçamento entre condutores no layout da PCB. Os dois agentes de cura comuns usados em materiais laminados de PCB são DICY e agentes de cura à base de fenol. Fenólicos são preferíveis em um layout de alta tensão, pois o agente de cura é conhecido por produzir um material rígido que pode resistir à falha por filamento anódico condutivo (CAF). Se você tem um design especial, não custa obter a recomendação do seu fabricante sobre qual sistema de material usar para garantir a confiabilidade.

Tipos de Folha de Cobre

Existem vários tipos de folha de cobre usados em laminados de placas de circuito impresso. O mais comum é a folha de cobre eletrodepositada (ED) devido à sua facilidade de fabricação e aplicação em um laminado de PCB. A maioria dos materiais utilizará esse tipo de cobre. O tipo de cobre usado em um laminado não é algo que você, como designer, pode simplesmente misturar e combinar com diferentes laminados. Ao selecionar laminados, esse laminado quase sempre virá com um único tipo de cobre, e você não poderá substituí-lo por nenhuma alternativa.

Uma exceção é com alguns materiais baseados em PTFE para PCBs de alta frequência. Os fornecedores desses materiais sabem que seus conjuntos de materiais são geralmente usados em designs de alta frequência, então eles tendem a oferecer várias opções com diferentes tipos de cobre. O outro tipo padrão de cobre usado nesses materiais é conhecido como cobre laminado-annealed (RA), embora laminados para PCBs de alta frequência também possam ter cobre tratado superficialmente que possui um perfil muito liso.

• Aprenda mais sobre os tipos de cobre em materiais laminados de PCB

Os fabricantes geralmente oferecerão vários tipos de folha para você escolher, sendo os mais comuns o eletrodepositado e o laminado. Placas rígidas geralmente usam folha de cobre eletrodepositada, enquanto placas rígido-flexíveis usam folha de cobre laminado.

Peso do Cobre

O cobre é colocado em laminados de PCB em uma espessura específica, mas isso é frequentemente especificado como um peso do cobre em oz./sq. ft. Os valores típicos de peso do cobre encontrados na maioria das placas de circuito são de 0,5 ou 1 oz./sq. ft. Se um peso de cobre mais pesado for necessário, sua casa de fabricação de placas de circuito precisará ter materiais com cobre mais espesso disponível, ou precisará usar um processo de galvanização que deposite cobre até a espessura requerida.

O peso do cobre afetará a fabricação, mas também afetará a temperatura de equilíbrio da PCB, dependendo da quantidade de corrente transportada por uma trilha. Como as trilhas de cobre têm alguma resistência DC, elas produzirão alguma perda de potência que será convertida em calor. O resultado é que uma trilha mais larga será capaz de ter uma capacidade de transporte de corrente maior.

Assim como um exemplo, o par de gráficos abaixo pode ser usado como referência para entender a capacidade de condução de corrente das camadas internas para espessuras comuns de cobre e níveis de temperatura acima do ambiente. Esses gráficos assumem uma trilha em um laminado padrão de grau FR-4 sem outro cobre por perto. Cada linha no gráfico superior corresponde a um aumento de temperatura acima do valor ambiente que se espera observar para cada par de área de trilha e valores de corrente vistos ao longo dos eixos x e y.

Dois exemplos são traçados que ilustram como usar esta imagem:

• Curva vermelha: Esta curva indica que uma trilha de aproximadamente 140 mil de largura fabricada com cobre de 1 oz./sq. ft. esperaria ver um aumento de temperatura de aproximadamente 10 graus se ela conduzisse 3 A.
• Curva vermelha: Esta curva indica que uma trilha projetada para conduzir 1 A de corrente experimentará um aumento de temperatura de cerca de 30 graus se fabricada com 0.5 oz./sq. ft. com largura de trilha de aproximadamente 40 mils.

Há algo importante a ser notado aqui: esses gráficos tendem a ser muito conservadores e podem prever uma temperatura acima do que você esperaria ver na placa durante sua operação. Note que a colocação de uma camada de plano de cobre abaixo do traço relevante, ou um preenchimento de cobre ao redor do traço, ajudará a reduzir a temperatura do traço e da placa como um todo. Esta é uma das múltiplas exigências de layout de PCB que afetarão sua capacidade de fabricar um PCB.

• Vá para a Parte 3: DFM no Seu Layout de PCB

Quando você estiver pronto para iniciar seu design e quiser garantir que atenda a todas as exigências de DFM, use os recursos de design e layout no Altium Designer®. Uma vez que seu design esteja pronto para uma revisão de design completa e fabricação, sua equipe pode compartilhar e colaborar em tempo real através da plataforma Altium 365™. As equipes de design podem usar o Altium 365 para compartilhar dados de fabricação, arquivos de projeto e revisões de design através de uma plataforma segura na nuvem e no Altium Designer.

Apenas arranhamos a superfície do que é possível com o Altium Designer no Altium 365. Comece seu teste gratuito do Altium Designer + Altium 365 hoje.