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PCBs (placas de circuito impresso) constituem a base dos dispositivos eletrônicos contemporâneos, desde dispositivos portáteis, como celulares, até tecnologias avançadas de naves espaciais. São essenciais para conectar componentes eletrônicos e fornecer uma plataforma estável para sua operação. A fabricação de PCBs é um processo complexo com várias etapas complexas, e cada etapa é crucial e requer atenção meticulosa aos detalhes para garantir placas de circuito impresso sem defeitos. O processo começa com as fases de projeto e revisão, utilizando desenho assistido por computador (CAD) ferramentas para Projeto de placa de circuito PCB, e prossegue até a fabricação da placa. Para aumentar a eficiência e reduzir o risco de erro humano, técnicas guiadas por computador e acionadas por máquina são implementadas para evitar circuitos incompletos ou curtos-circuitos. Para garantir a alta qualidade, as placas passam por testes rigorosos em várias etapas da fabricação, incluindo o teste final como placas completas, antes de serem embaladas e enviadas para entrega.
Processo de fabricação de PCB - passo a passo
Etapa 1: Projete o PCB
O primeiro passo para a fabricação de qualquer PCB é elaborar o projeto. A fabricação e o projeto de PCB sempre começam com algum tipo de plano. O projetista elabora um projeto para a PCB que atende a todos os requisitos necessários. Uma vez que o projeto para a PCB é codificado pelo software, todos os diferentes aspectos e partes do projeto são verificados novamente para garantir que não haja erros.
Após a conclusão da inspeção pelo projetista, o projeto finalizado do PCB é enviado para uma fábrica de PCB para que possa ser construído. Após a chegada, o plano de projeto do PCB é realizado com uma segunda verificação pelo fabricante, conhecida como Design para Fabricação (DFM) Verificação. Uma verificação adequada do DFM confirma que o projeto do PCB atende, pelo menos, às tolerâncias exigidas para a fabricação.
Etapa 2: Imprimir projeto de PCB
Após todas as verificações serem concluídas com sucesso, o Design PCB podem ser impressos. Diferentemente de outros projetos, como desenhos arquitetônicos, os projetos de PCB não são impressos em uma folha de papel comum de 8.5 x 11. Em vez disso, é utilizada uma impressora especial, conhecida como impressora plotter. Uma impressora plotter revela um "filme" da PCB. É essencialmente um negativo fotográfico da própria placa.
As camadas internas do PCB são caracterizadas por duas cores de tinta:
Tinta transparente: indica as áreas não condutoras do PCB, como a base de fibra de vidro.
Tinta preta: usada para circuitos e trilhas de cobre do PCB
Nas camadas externas do design do PCB, essa tendência é invertida: tinta preta também se refere às áreas onde o cobre será removido e tinta transparente se refere à linha de caminhos de cobre.
Cada camada de PCB e a máscara de solda que a acompanha recebem seu próprio filme, então um simples PCB de duas camadas São necessárias quatro folhas: uma para cada camada e uma para a máscara de solda que a acompanha. Após a impressão do filme, elas são alinhadas e um furo, conhecido como furo de registro, é perfurado através delas. O furo de registro serve como guia para alinhar os filmes posteriormente no processo.
Etapa 3: Imprima o cobre para as camadas internas
Esta etapa é o primeiro passo do processo em que o Fabricante de PCB começa a desenvolver o PCB. Após a impressão do design do PCB em um pedaço de laminado, o cobre é pré-colado a esse mesmo pedaço de laminado, o que auxilia na estrutura do PCB. O cobre é então impresso para revelar o projeto original.
Em seguida, o painel laminado é revestido por um tipo de película fotossensível chamada resina. A resina é composta por uma camada de produtos químicos fotorreativos que endurecem após serem expostos à luz ultravioleta. A resina permite que os técnicos obtenham uma correspondência perfeita entre as fotos da planta e o que está impresso na resina.
Quando a resina e o laminado são alinhados usando os furos anteriores, eles recebem um jato de luz ultravioleta. A luz ultravioleta atravessa as partes translúcidas do filme, endurecendo a resina. Isso indica áreas de cobre que devem ser mantidas como caminhos. Em contraste, a tinta preta impede que a luz atinja as áreas que não devem endurecer, permitindo que sejam removidas posteriormente.
Após a preparação da placa, ela é lavada com uma solução alcalina para remover qualquer resíduo de fotorresistência. Em seguida, a placa é lavada sob pressão para remover qualquer resíduo remanescente na superfície e deixada para secar. Após o processo de secagem, a única camada de fotorresistência que deve permanecer na placa de circuito impresso é a camada de cobre que permanece como parte da placa quando ela é finalmente removida. Um técnico examina as placas de circuito impresso para garantir que não haja erros. Se não houver erros, passa-se para a próxima etapa.
Etapa 4: Evite o cobre desnecessário
A próxima etapa no processo de fabricação de PCBs é a remoção do cobre indesejado. Assim como a solução alcalina mencionada anteriormente, outro produto químico potente é usado para corroer o cobre que não está coberto pelo fotorresistente. Uma vez removido o cobre desprotegido, o fotorresistente endurecido também precisa ser removido.
Observação: quando se trata de remover o cobre indesejado do seu PCB, placas mais pesadas podem exigir mais exposição ao solvente ou mais solvente de cobre.
Etapa 5: Inspeção e alinhamento de camadas
Após a limpeza individual das camadas da placa de circuito impresso (PCB), elas estão prontas para uma inspeção óptica e alinhamento de camadas. Os furos feitos anteriormente são usados para alinhar as camadas externa e interna. Um técnico posiciona as camadas em um tipo de punção, conhecido como punção óptica, para alinhá-las. Em seguida, a punção óptica insere um pino através dos furos para organizar as camadas da placa de circuito impresso.
Após a perfuração óptica, outra máquina realiza uma inspeção óptica para garantir que não haja falhas. Essa inspeção óptica é extremamente importante porque, uma vez que as camadas são unidas, quaisquer erros existentes não podem ser corrigidos. Para confirmar a ausência de falhas, a máquina AOI compara a placa de circuito impresso a ser inspecionada com o projeto Gerber Estendido, que serve como modelo do fabricante.
Depois que o PCB passa pela inspeção — ou seja, nem o técnico nem a máquina AOI encontraram defeitos — ele passa para as últimas etapas da fabricação do PCB.
Etapa 6: Laminar as camadas do PCB
Nesta fase do processo de fabricação de PCB, as camadas de PCB estão todas juntas, aguardando a laminação. Uma vez confirmada a ausência de defeitos, as camadas estão prontas para serem fundidas. O processo de laminação de PCB é realizado em duas etapas: a etapa de laminação e a etapa de laminação.
Do lado de fora da placa de circuito impresso, há peças de fibra de vidro pré-revestidas/impregnadas com resina epóxi. A peça original do substrato também é coberta por uma fina camada de folha de cobre que agora contém as gravuras para os traços de cobre. Assim que as camadas externa e interna estiverem prontas, é hora de uni-las.
A inserção dessas camadas é feita por meio de grampos metálicos em uma mesa de prensagem especial. Cada camada é encaixada na mesa usando um pino especial. O técnico responsável pelo processo de laminação começa aplicando uma camada de resina epóxi pré-revestida, conhecida como pré-impregnada ou pré-impregnada, na bacia de alinhamento da mesa. Uma camada individual do substrato é colocada sobre a resina pré-impregnada, seguida por uma camada de folha de cobre. A folha de cobre é, por sua vez, seguida por mais folhas de resina pré-impregnada, que são finalizadas com uma peça e uma última peça de cobre, conhecida como placa de prensagem.
Uma vez que a placa de prensagem de cobre esteja no lugar, a pilha está pronta para ser prensada. O técnico a leva para uma prensa mecânica e pressiona as camadas juntas. Como parte desse processo, pinos são então perfurados através da pilha de camadas para garantir que estejam fixadas corretamente.
Se as camadas forem fixadas corretamente, a pilha de PCB é levada para a próxima prensa, uma prensa de laminação. A prensa de laminação utiliza um par de placas aquecidas para aplicar pressão e calor à pilha de camadas. O calor das placas geralmente derrete o epóxi dentro do pré-impregnado. Isso e a pressão da prensa se combinam para fundir a pilha de camadas de PCB.
Quando as camadas do PCB são pressionadas, é preciso descompactar um pouco. O técnico precisa remover os pinos e a placa de pressão superior, o que lhe permite remover o PCB propriamente dito.
Etapa 7: Perfuração
Antes do processo de perfuração, uma máquina de raio X é usada para localizar os pontos de perfuração. Em seguida, furos de guia/registro são perfurados para proteger a pilha de PCB antes da perfuração de furos mais precisos. Quando chega a hora de perfurar esses furos, uma furadeira guiada por computador é usada para fazer os furos, usando o arquivo do projeto como guia.
Uma vez concluída a perfuração, qualquer excesso de cobre que tenha sobrado nas bordas é limado.
Passo 8: Revestimento de PCB
Após a perfuração, o painel está pronto para ser galvanizado. O processo de galvanização utiliza um produto químico para fundir todas as diferentes camadas da placa de circuito impresso (PCB). Após uma limpeza completa, a placa de circuito impresso é banhada em uma série de produtos químicos. Parte desse processo de galvanização reveste o painel com uma camada de cobre com espessura de µm, que é depositada sobre a camada superior e nos furos recém-perfurados. Antes de os furos serem completamente preenchidos com cobre, eles servem apenas para expor o substrato de fibra de vidro que compõe o interior do painel. O banho desses furos em cobre cobre as paredes dos furos perfurados anteriormente.
Etapa 9: Imagem e revestimento da camada externa
No início do processo (Etapa 3), uma fotorresistência foi aplicada ao painel PCB. Agora, é hora de aplicar outra camada de fotorresistência. No entanto, desta vez, a fotorresistência é aplicada apenas na camada externa, pois ela ainda precisa ser submetida à formação de imagem. Depois que as camadas externas são revestidas com fotorresistência e submetidas à formação de imagem, elas são revestidas exatamente da mesma forma que as camadas internas da PCB foram revestidas na etapa anterior. No entanto, embora o processo seja o mesmo, as camadas externas recebem um revestimento de estanho para ajudar a proteger o cobre da camada externa.
Passo 10: A última gravação
Quando chega a hora de gravar a camada externa pela última vez, a proteção de estanho é usada para ajudar a proteger o cobre durante o processo de gravação. Qualquer cobre indesejado é removido usando o mesmo solvente de cobre mencionado anteriormente, com o estanho protegendo o cobre valioso da área de gravação.
Depois que todo o cobre indesejado for removido, as conexões do PCB estarão devidamente estabelecidas e ele estará pronto para o mascaramento de solda.
Etapa 11: Aplique a máscara de solda
Para deixar os painéis completamente prontos para a aplicação da máscara de solda, eles precisam ser limpos. Após a limpeza dos painéis de PCB, uma tinta epóxi é aplicada juntamente com uma película de máscara de solda. Em seguida, as placas são jateadas com luz ultravioleta para marcar certas partes da máscara de solda a serem removidas.
Depois que os pedaços desnecessários da máscara de solda forem completamente removidos, o PCB é colocado em um forno e aquecido para que a máscara de solda cure.
Etapa 12: Finalizar o PCB e a serigrafia
Como parte do processo de acabamento, o PCB é revestido com prata, ouro ou HASL para que os componentes possam ser soldados às almofadas criadas e proteger o cobre.
Após o revestimento de prata ou ouro, conforme necessário, o PCB é serigrafado. O processo de serigrafia imprime todas as informações ativas no PCB, como números de identificação da empresa, marcas do fabricante e etiquetas de advertência.
Depois que o PCB for revestido e serigrafado com as informações corretas, ele pode ser enviado para o estágio final de cura.
Etapa 13: Teste de confiabilidade de eletricidade
Após o revestimento e a cura da placa de circuito impresso (se necessário), um técnico realiza uma série de testes elétricos nas diferentes áreas da placa para garantir sua funcionalidade. Os principais testes realizados são os de isolamento e de continuidade do circuito. O teste de continuidade do circuito verifica se há interrupções na placa de circuito impresso, conhecidas como "aberturas". O teste de isolamento do circuito, por outro lado, verifica os valores de isolamento das várias partes da placa de circuito impresso para verificar se há curtos-circuitos. Embora os testes elétricos existam principalmente para garantir a funcionalidade, eles também servem para verificar a resistência do projeto inicial da placa de circuito impresso ao processo de fabricação.
Existem outros testes que podem ser usados para determinar se uma PCB está completamente funcional. Um dos poucos testes principais usados para isso é conhecido como teste da "cama de pregos". Durante esse teste, vários dispositivos de fixação de mola são fixados aos pontos de teste na placa de circuito. Os dispositivos de fixação de mola submetem os pontos de teste na placa de circuito a até 200 gramas de pressão para verificar a resistência da PCB ao contato de alta pressão em seus pontos de teste.
Se o PCB tiver passado completamente no teste de confiabilidade elétrica e em qualquer outro teste que o fabricante decidir implementar, ele pode passar para a próxima etapa: corte.
Etapa 14: Corte e Perfilamento
A etapa final do processo de fabricação de PCBs é o corte e a marcação da placa. Isso envolve o corte das diferentes PCBs do painel original. Há duas maneiras de cortar PCBs de seus painéis originais:
Usando uma ranhura em V, que corta um canal diagonal ao longo das laterais da placa
Usando uma fresadora ou máquina CNC, que corta pequenas abas ao redor das bordas do PCB.
De qualquer forma, seu PCB poderá se soltar facilmente do painel de construção.
Normalmente, os painéis de PCB têm conjuntos maiores ou placas individuais, se aplicável, marcadas e roteadas para que possam ser separadas da placa de construção após serem montadas.
Quando as placas são separadas da placa de construção, há uma fase de inspeção final da fabricação do PCB:
As placas são verificadas quanto à limpeza geral para garantir que não haja arestas vivas, rebarbas ou outros riscos de fabricação
Uma inspeção visual pode ser solicitada, se essencial, para garantir que as placas atendam às especificações da indústria e correspondam aos detalhes definidos nos dados: o técnico também pode usar a inspeção visual para verificar as dimensões físicas e os tamanhos dos furos do PCB, se necessário.
Ranhuras, chanfros, chanfros e escareadores são adicionados durante o processo de roteamento e fabricação, conforme necessário
Se possível, quaisquer curtos-circuitos são reparados — as placas em curto são então testadas novamente usando os mesmos testes de confiabilidade elétrica acima.
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