Deve Usar FR4 Grosso ou Fino para o Substrato da Sua PCB?

Se você já fez uma torta com seus filhos, sabe que a espessura da massa é importante. Muito fina, e a torta se desfaz em uma bagunça de recheio. Muito grossa, e você pode muito bem estar mastigando um pão. Acertar a espessura é o que faz uma torta valer a pena ser comida.

Embora os materiais de substrato de PCB sejam não condutores e não conduzam corrente, a espessura do seu substrato de PCB FR4 determina a resistência estrutural da placa, mas também afeta a integridade de potência e sinal. Seu trabalho como designer é combinar o conjunto certo de laminados para o empilhamento de modo que a placa tenha a espessura desejada, e você não será capaz de alcançar qualquer espessura que deseje em seu PCB. Se você não tem certeza de qual espessura deve usar em sua placa e quão grosso ou fino pode conseguir, leia estas diretrizes sobre a espessura do FR4.

Considerações de Design sobre a Espessura do FR4

A espessura padrão das PCBs é de 1,57 mm. Alguns fabricantes podem acomodar outras espessuras específicas de 0,78 mm ou 2,36 mm. Quando dizemos "grosso" ou "fino" FR4, estamos geralmente comparando com a espessura padrão de 1,57 mm. Contanto que o processo do seu fabricante possa lidar com isso, você pode escolher qualquer espessura que desejar para suas PCBs combinando as espessuras disponíveis de núcleo e laminado prepreg na sua pilha de PCB.

Antes de começar a selecionar laminados e projetar sua pilha de camadas, pense nos seguintes aspectos do seu design que estão relacionados à espessura da placa:

Fator de Forma

Sua PCB tem um requisito estrito de fator de forma, ou precisa caber em uma caixa muito fina? Alguns designs requerem uma placa mais espessa para suportar componentes mais pesados, resistir a ambientes mecanicamente ásperos ou se encaixar em seus suportes mecânicos (backplanes de alta velocidade para sistemas embarcados militares e aeroespaciais são um exemplo). Essas restrições podem limitar a espessura da sua placa a valores específicos.

Componentes e Conexões de Borda

O dispositivo terá componentes que exigem que a placa de circuito impresso tenha uma espessura específica de PCB? Componentes como conectores de borda e componentes through-hole mais volumosos, como transformadores de alta corrente, exigem que o empilhamento do PCB tenha a espessura correta. Algumas folhas de dados de componentes e notas de aplicação podem indicar uma espessura mínima de PCB para um componente específico por uma variedade de razões, e estas devem ser consideradas ao projetar o empilhamento do PCB.

Um exemplo de componente onde isso é importante é um conector de borda SMA, que é mostrado abaixo. Neste conector, os raios superior e inferior no corpo do conector são projetados para acomodar PCBs de aproximadamente 60-70 mil de espessura. Você não pode ultrapassar esse valor se quiser usar esse tipo específico de conector, caso em que teria que usar um estilo de SMA montado em furo. Você pode ir abaixo desse valor, mas então perde parte da força mecânica associada a este estilo de conector de borda, que é um dos seus principais benefícios.

SMAs são um dos estilos mais conhecidos de conectores de borda, mas existem outros estilos que se montam na borda como dispositivos de montagem em superfície, ou eles usam um recorte usinado que permite a montagem por pressão. Provavelmente um dos conectores mais comuns no mundo, os conectores USB, são um exemplo primordial do último tipo de conector que depende de uma espessura específica da PCB.

A imagem abaixo mostra uma pegada de PCB para um conector USB com seus furos usinados mostrados para montagem. Esses furos são padronizados e serão mostrados no desenho mecânico para um conector USB montado na borda de uma PCB. As abas que se encaixam através desses furos ajudarão a manter o componente no lugar ao longo da borda da PCB.

O último tipo de conexão de montagem na borda que pode ser usado em uma PCB é com dedos de ouro ao longo da borda da PCB. Essas placas serão montadas em um conector de slot que faz contato com os dedos de ouro ao longo da borda da placa, e esses conectores requerem que a espessura total da placa esteja dentro de uma faixa específica. A maioria dos projetistas estará familiarizada com os dedos de ouro ao longo dos módulos de RAM, cartões PCIe, daughtercards, drives de estado sólido e conectores de slot chave.

Impedância de Traço

A distância entre uma trilha e seu plano de referência mais próximo (em uma camada adjacente) determina a impedância da trilha, bem como o nível de perdas dielétricas em placas multicamadas. Optar por uma espessura de camada mais fina requer trilhas mais finas. Se você deseja projetar para uma largura de trilha específica, como para acomodar um conector específico ou pacote de CI, então você deve considerar a espessura de camada necessária para suportar a largura desejada.

Pode acontecer que a espessura de camada que você precisa não acabe alterando a espessura da placa, mas isso depende das espessuras de laminado de núcleo e prepreg disponíveis. É melhor verificar com sua casa de fabricação quais laminados eles têm disponíveis e projetar em torno dessas espessuras de laminado, em vez de definir uma espessura específica em seu projeto e esperar que essa espessura seja fabricável.

A ressalva a isso é se você pode acessar uma lista de produtos do fabricante do laminado. Alguns produtores de laminados fornecerão uma longa lista de seus núcleos e pré-impregnados disponíveis que incluem valores de espessura. Contanto que você esclareça isso com sua casa de fabricação, você certamente pode escolher e selecionar dessas listas para propor sua própria pilha de camadas. Apenas certifique-se de que seu fabricante tenha os materiais em estoque e as capacidades de processamento necessárias para apoiá-lo nesta abordagem. Um exemplo de lista que você pode encontrar de um fornecedor de laminado é mostrado abaixo; esta lista mostra uma seção transversal de dados de núcleo e pré-impregnado para materiais FR408 da Isola.

PCBs de Alta Velocidade/Alta Frequência

Se você está trabalhando com um dispositivo de alta velocidade, FR4 nem sempre é a melhor opção, e algum outro material de baixa perda pode ser desejável. Se o comprimento do link for curto, então as perdas serão dominadas pela perda de retorno no componente de carga, então laminados especiais de baixa perda não são tão importantes. Para links mais longos, a perda total será dominada pela perda de inserção, então usar um laminado com a menor perda ajudará a maximizar o comprimento do link.

Levar em conta esses pontos requer considerar os mesmos aspectos que na impedância de trilha. A espessura da camada é mais importante do que a espessura total da placa, mas a espessura total da placa ainda será determinada pela sua combinação de camadas. Se você planeja usar laminados grossos ou finos, pense em como a espessura da camada afeta as perdas. Para microstrips de alta velocidade, uma camada dielétrica mais espessa confinará mais linhas de campo no substrato, aumentando assim as perdas.

Expansão Térmica, Proporção de Aspecto de Vias e Fabricabilidade

O próximo ponto a considerar sobre a espessura da placa é em termos de fabricabilidade e confiabilidade, especificamente em relação à expansão térmica e vias. Todos os materiais se expandirão ao serem aquecidos a temperaturas mais altas, incluindo as vias em uma PCB. Isso é particularmente importante para vias passantes, que precisam ser perfuradas completamente através do empilhamento de camadas. Dependendo da espessura da placa e do tamanho do furo, você tem dois compromissos a considerar ao dimensionar vias:

• Razões de aspecto maiores podem ser mais difíceis de galvanizar, e uma placa mais espessa terá maior razão de aspecto para um dado tamanho de furo
• Um tamanho de furo maior é mais fácil de perfurar e galvanizar, mesmo se a placa for mais espessa
• Se a placa for muito espessa, você poderá aumentar os custos em alto volume devido ao desgaste da ferramenta
• O fabricante poderia alterar a força de lançamento no processo de galvanização pulsada para acomodar uma alta razão de aspecto

Vias passantes com altas razões de aspecto (10:1 ou maior) são suscetíveis a falhas sob ciclagem térmica perto do centro do cilindro da via devido à expansão térmica, se não forem galvanizadas corretamente. O fabricante que você usar deve ter experiência trabalhando com vias de alta razão de aspecto em seu processo de fabricação para garantir que você terá uma PCB confiável que não falhe sob ciclagem térmica. Antes de enviar uma placa espessa, certifique-se de que eles têm as capacidades para produzir suas vias com revestimento de parede suficiente para evitar falhas.

Obviamente, existem vários compromissos de design que devem ser considerados ao selecionar a espessura da PCB de uma placa FR4, a espessura padrão das camadas e o material do laminado. As ferramentas CAD e as funcionalidades de verificação de regras no Altium Designer^® facilitam o projeto do seu dispositivo em torno da espessura padrão FR4. Para saber mais, fale com um especialista da Altium Designer hoje.