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LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 1 / 91
Circuito Impresso
PTC2527 EPUSP
Guido Stolfi
2017
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 2 / 91
Tpicos Abordados
Funes do Circuito Impresso
Caractersticas dos Substratos
Fabricao (Face Simples, Dupla, Multicamadas)
Propriedades dos Condutores
Regras de Projeto
Soldagem
Alternativas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 3 / 91
Circuito Impresso
Origens:
Patente: Paul Eisler, 1943
Final da dcada de 1940 (Aplicaes militares)
Meados da dcada de 1950 (Produtos de consumo, montagem automatizada)
Meados da dcada de 1960 (Componentes de Montagem Superficial SMD)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 4 / 91
Circuito Impresso
Funes Essenciais:
Suporte Mecnico dos Componentes Propriedades do Substrato
Conectividade Eltrica do Circuito Trilhas (cobre)
Ilhas (soldagem)
Furos de Transpasse (Ligao entre faces opostas)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 5 / 91
Circuito Impresso
Funes Secundrias: Dissipao de calor
Blindagem Eletrosttica
Elementos de Circuito Indutores
Microlinhas
Contatos
Identificao de Componentes p/ Montagem Serigrafia
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 6 / 91
Processos de Fabricao
Subtrativo: Corroso Seletiva de substrato previamente
metalizado
Aditivo: Deposio seletiva de condutor no substrato
Furo metalizado: Interligao (aditiva) entre 2 ou mais camadas
condutoras
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 7 / 91
Materiais para Substratos
Fenolite = Papel prensado, impregnado com resina fenlica Vantagens:
Baixo custo
Facilidade de usinagem (puncionamento)
Desvantagens: Baixa resistncia mecnica
Baixa resistncia trmica
Baixa resistncia umidade
Dilatao durante processamento
Propriedades dieltricas inferiores
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 8 / 91
Materiais para Substratos
Fibra de Vidro/Epxi (FR-4) = Manta de fibra de vidro tranada, impregnada com Resina Epxi Vantagens:
Boa estabilidade mecnica
Boa resistncia umidade
Boa resistncia trmica
Caractersticas dieltricas satisfatrias
Permite fabricao de circuitos multi-camadas
Desvantagens: Material abrasivo prejudica usinagem
Custo mais elevado que a Fenolite
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 9 / 91
Material: FR-4
Flame Resistant, Epxi + Fibra de Vidro
r = 4,2 tpico (3,8 a 4,4)
Coef. Dilatao linear = 12-15 ppm/OC
2 tipos de malhas de fibra de vidro; dimetro tpico das fibras de 3 a 10 m
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 10 / 91
Resina Epxi
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 11 / 91
Resina Epxi Multifuncional
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 12 / 91
Materiais para Substratos
Fibra de Vidro/Teflon (Duroid) = Manta de fibra de vidro tranada, impregnada com PTFE (Teflon )
Vantagens: Propriedades dieltricas excelentes em alta frequncia
Desvantagens: Custo elevado
Baixa aderncia ao cobre dificulta soldagem
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 13 / 91
Materiais para Substratos
Polister (Polietileno Tereftalato - PET; Mylar) = Utilizado para circuitos impressos flexveis
Vantagens: Baixo custo
Boa resistncia mecnica e qumica
Boas propriedades dieltricas
Desvantagens: Baixa resistncia trmica (soldagem difcil)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 14 / 91
Materiais para Substratos
Poliimida (Kapton) = Utilizado para circuitos impressos flexveis
Vantagens: Boa resistncia trmica
Boas propriedades dieltricas
Desvantagens: Custo mais elevado
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 15 / 91
Placas Compostas: Rigid-Flex
Camadas externas em FR-4
1 ou 2 camadas internas em PET ou Kapton
Furos metalizados interligam todas as camadas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 16 / 91
Placas Compostas: Substrato Metlico
Alumnio: Dissipao de calor (ex. Luminrias com LEDs)
Ferro: Circuitos magnticos (ex.: motores eltricos)
COBRE
FR-4
SUBSTRATOMETLICO
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 17 / 91
Fabricao do Circuito Impresso
Processo Serigrfico
Face simples
Processo Fotogrfico
Face Simples / Dupla
Multicamadas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 18 / 91
Processo Serigrfico
RODO
TINTA
TELA
SUBSTRATO
COBRE
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 19 / 91
Processo Fotogrfico
SUBSTRATO
COBRE
PHOTO-RESIST
FOTOLITO (DIAZO)
U.V.
Exposio
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 20 / 91
Processo Fotogrfico
COBRE
Aps revelao
Aps corroso
PHOTO-RESIST
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 21 / 91
Face Dupla com Furo Metalizado
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 22 / 91
Circuito Impresso Multicamadas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 23 / 91
Fabricao: Dupla Face, Furo Metalizado
COBRE17 a 70 um
SUBSTRATO~ 1.6 mm
SUBSTRATO
Material Base
Aps Furao
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 24 / 91
Dupla Face, Furo Metalizado
Aplicao de Pelcula Foto-Sensvel(Riston)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 25 / 91
Dupla Face, Furo Metalizado
DIAZOPHOTORESIST,RISTON
PHOTO-RESIST
ExposioFotogrfica
Aps Revelao
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 26 / 91
Dupla Face, Furo Metalizado
COBRE~ 25 um
CHUMBO~ 12 um
Metalizao comCobre qumico eeletroltico
Galvanoplastiacom chumbo eremoo do Riston
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 27 / 91
Dupla Face, Furo Metalizado
SOLDA
Aps Corroso e Refuso com Solda Chumbo/Estanho
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 28 / 91
Processos para Corroso
Percloreto de Ferro (FeCl3)
Soluo aquosa, concentrao 28% a 42% por peso
Barato, compatvel com photo-resist
Incompatvel com mscara de chumbo/estanho
Problemas ecolgicos
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 29 / 91
Processos para Corroso
Persulfato de Amnia ((NH4)2S2O8)
Soluo aquosa, concentrao 20%
Relativamente barato, compatvel com photo-resist e mscara de chumbo/estanho
Mais lento que percloreto
Problemas ecolgicos
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 30 / 91
Processos para Corroso
Hidrxido de Amnia ( NH4 OH )
Soluo aquosa, pH 8,0 a 8,8
Compatvel com photo-resist e mscara de chumbo/estanho
Permite operao contnua
Baixa produo de resduos na placa
Problemas ecolgicos menores
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 31 / 91
Aplicao de Mscara de Solda
Reduzir curtos no processo de soldagem
Reduzir volume utilizado de solda
Reduzir contaminao da solda pelo Cobre
Proteger circuito de contaminao posterior
Proteger contra umidade
Impedir dendritos por eletromigrao
Isolao eltrica entre trilhas e componentes
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 32 / 91
Dendritos por Eletromigrao
Crescimento cristalino entre dois condutores com cargas opostas; pode ocasionar curto-circuito.
d = 0,5 mmV = 10 VT = 85 oCRH = 85%
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 33 / 91
Filamentos Metlicos (Whiskers)
Filamentos formados especialmente em superfcies de estanho puro, mesmo na ausncia de campo eltrico ou umidade
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 34 / 91
Aplicao de Mscara de Solda
Aplicao: Serigrafia (tinta epxi), lquido ou filme secofoto-sensvel
0,05 a0,15 mm
0,1 a 0,15 mm
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 35 / 91
Circuito Impresso 4 Camadas
COBRE17 a 35 um
SUBSTRATOTip. 0.5 mmMaterial Base
(Faces Internas)
Aps Exposio,Corroso e Remoo de Riston
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 36 / 91
Circuito Impresso 4 Camadas
COBRE17 a 35 um
COBRE
SUBSTRATOSEMI-POLIMERIZADOPreparao
Para Laminao
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 37 / 91
Circuito Impresso 4 Camadas
Aps Laminaoe Cura
Tpico1,6 mm
Aps Processamentodas Faces Externas(Mesmo Processo que Dupla Face)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 38 / 91
Exemplo: Plano de Terra (2)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 39 / 91
Plano de Alimentao (3)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 40 / 91
Face Superior (1)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 41 / 91
Face Inferior (4)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 42 / 91
Mscara de Solda Superior (TM)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 43 / 91
Mscara de Solda Inferior (BM)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 44 / 91
Serigrafia de Componentes Superior (TS)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 45 / 91
Serigrafia Inferior (BS)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 46 / 91
Identificao dos Dimetros dos Furos
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 47 / 91
Furos Metalizados
PTH = Plated Thru Hole (Furo Metalizado)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 48 / 91
Furos Metalizados
Rebarbas na furao das camadas internas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 49 / 91
Furos Metalizados
Erros de registro nas camadas internas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 50 / 91
Propriedades da Lmina de Cobre
Seco transversal e superfcie aderente daFolha de cobre produzida por galvanoplastia
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 51 / 91
Propriedades da Lmina de Cobre
Densidade
(ona/p2)
Densidade
g/m2Espessura
nominal ( m)Espessura
(mils)
Resistivi-dade
(m /sq)
oz. 150 17 0.68 1.01
1 oz. 300 34 1.35 0.49
2 oz. 600 68 2.7 0.25
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 52 / 91
Resistncia de Trilhas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 53 / 91
Resistncia de Trilhas
0,1
1
10
0 0,5 1 1,5 2
Res
ist
nci
a d
a Tr
ilha
(mO
hm
/mm
)
Largura da Trilha (mm)
1/2 oz (17 um)
1 oz (34 um)
2 oz (68 um)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 54 / 91
Elevao de Temperatura nas Trilhas
Laminado de Cobre, 1 oz. (34 m)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 55 / 91
Elevao de Temperatura nas Trilhas
Laminado de Cobre, 2 oz. (68 m)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 56 / 91
Critrios Aproximados p/ Dimensionamento de Trilhas
Largura da trilha: ~ 20 mils /A (0,5 mm/A)
(trilhas curtas, lmina 2 oz.)
Tenso de ruptura entre trilhas: ~ 5 V/ mil (250V/mm)
(4 mm = 1 kV)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 57 / 91
Linhas de Transmisso (Microstrip)
Substrato ( r)
Plano Terra
wt
h
Trilha
Ex.:
Zo = 50 Ohms
r = 4.2 (FR-4)h = 0,8 mmw = 1,5 mmt = 35 m
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 58 / 91
Furao da Placa
Geometria de uma broca (50000 a 150000 rpm)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 59 / 91
Qualidade da Furao
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 60 / 91
Microfuros (Furos Cegos e Enterrados)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 61 / 91
Produtividade x Largura de Trilha
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 62 / 91
Produtividade x Espaamento Mnimo
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 63 / 91
Regras de Projeto Tpicas (Brasil)
Largura mnima de trilha: 8 mils (0,2 mm)
Espaamento mnimo: 8 mils (0,2 mm)
Dimetro de furos de transpasse: 16 mils (0,4mm)
Dimetro da ilha de transpasse: 36 mils (0,9 mm)
Nmero de Camadas: 2 (mximo: 4)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 64 / 91
Regras de Projeto Extremas (Brasil)
Largura mnima de trilha: 4 mils (0,1 mm)
Espaamento mnimo: 4 mils (0,1 mm)
Dimetro de furos de transpasse: 12 mils (0,3mm)
Dimetro da ilha de transpasse: 26 mils (0,7 mm)
Nmero de Camadas: 6
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 65 / 91
Teste Eltrico
Cama-de-pregos (para pontos em grade padro)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 66 / 91
Teste Eltrico
Cama-de-pregos com transporte lateral(para pontos fora da grade)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 67 / 91
Teste Eltrico
Pontas Mveis para teste Sequencial x-y
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 68 / 91
Soldagem de Componentes
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 69 / 91
O que a Soldagem?
Liga metalrgica entre metais diferentes
Uso de uma liga metlica com ponto de fuso menor (Solda)
Produo de compostos intermetlicos nas interfaces
Remoo de xidos ou sulfetos das superfcies metlicas
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 70 / 91
Caractersticas da Soldagem em Eletrnica
Conectividade Eltrica
Fixao Mecnica
Proteo contra Corroso
Solda mais utilizada: 63% Sn / 37% Pb
Ponto de Fuso: 183 oC
Acabamento brilhante
Pode ter 1 a 2% de Ag (Solda de Prata)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 71 / 91
Solda Euttica Sn/Pb (63 / 37)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 72 / 91
Tipos de Soldagem
Manual, componentes Thru Hole
Contato simultneo de 4 corpos: Ponta do Ferro de Solda, Terminal do Componente, Ilha do circuito Impresso, e Solda
Refuso (SMD)
Aplicao de pasta de solda e fuso por aquecimento
Onda (SMD ou Thru Hole)
Colagem dos componentes SMD
Soldagem por banho de solda fundida
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 73 / 91
Tipos de Montagem (SMD)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 74 / 91
Soldagem por Refuso
Soldagem de Componentes SMD na face superior, com uso de pasta de soldaProblema: todos os componentes precisam suportar a temperatura de fuso da solda
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 75 / 91
Aplicao de Pasta de Solda
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 76 / 91
Bolas de Solda na Soldagem por Refuso
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 77 / 91
Processo Genrico de Soldagem
Aplicao de Pasta de
Solda
Aplicao de Compo-nentes SMD
Refuso
Aplicao de Cola
Soldagempor
Onda
Corte dasPlacas
Aplicao de Compo-nentes SMD
Aplicao ComponentesConvencionais
Lado A
Lado B
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 78 / 91
Soldagem por Onda
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 79 / 91
Soldagem de Terminais de Componentes
Terminal de Componente SMD
Terminal c/ furo Corte transversalde terminal SMD
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 80 / 91
Solda por Dupla Onda
(~30mm/s)
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 81 / 91
Perfil de Temperatura na Soldagem por Onda
Componentes na face superior precisam suportar ~ 150 OC
Componentes na face inferior precisam suportar choque trmico de ~250 OC
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 82 / 91
Ruptura de Componentes por Choque Trmico
Causa: umidade aprisionada em encapsulamentos de Epxi
Preveno: Secagem em estufa
(ex.: 100 hs a 100 OC) Embalagem hermtica
com slica Gel
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 83 / 91
Algumas Energias Envolvidas
Energias necessrias para elevar a temperatura de 20 OC para 250 OC (Temperatura de soldagem):
1g de Cobre: 88 Joules
1g de Solda: 102 J
1 ponto de solda (~ 1 mm3): 0,7 J
1g de FR-4: 228 J
1 placa de circuito impresso VME (23 x 16 cm): 20-30 kJ
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 84 / 91
Linha de Montagem para SMD
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 85 / 91
Fluxo
Substncia redutora, dissolve os xidos nas superfcies a serem soldadas
Resinas orgnicas (cido abitico, cido pimrico)
Ativadas ou no com haletosinorgnicos
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 86 / 91
Ao do Fluxo na Soldagem
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 87 / 91
Solda Livre de Chumbo
Problema ecolgico: evitar contaminao dos lenis freticos por Chumbo
Pb banido na Comunidade Europeia, Japo e mundo (ROHS)
Exemplos de Alternativas:
Liga P. Fuso Liga P. Fuso
93.6 Sn 4.7 Ag 1.7 Cu 216 oC 78 Sn 6 Zn 16 Bi 134-196
95.5 Sn 3.9 Ag 0.6 Cu 217 oC 91 Sn 9 Zn 199 oC
99.3 Sn 0.7 Cu 227 oC 92Sn 3.3Ag 3Bi 1.7In 210-214
42 Sn 58 Bi 138 oC 93Sn 3.1Ag 3Bi 0.5Cu 209-212
43 Sn 56 Bi 1 Ag 136.5 oC 95.2Sn 2.5Ag 0.8Cu 0.5Sb 216-218
91.8 Sn 4.8 Bi 3.4 Ag 211 oC 95.5 Sn 3.5 Ag 1 Zn 217 oC
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 88 / 91
Solda Livre de Chumbo
Problemas:
Custo mais elevado
Corroso
Aderncia inferior
Incompatibilidade com alguns revestimentos
Efeito termoeltrico 20 a 200 vezes maior
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 89 / 91
Outras Alternativas
Furos de Transpasse: Tinta Condutiva (Ag)
Ilhs, micro-rebite
Revestimento: Ouro, Nquel
SMOBC (Solder Mask Over Bare Copper)
Ligaes: Trilhas aditivas com Tinta Condutiva (Ag, C)
Wire-Wrap
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 90 / 91
Outras Alternativas
OCCAM
LCSE P U S P
G. Stolfi - 16/3/2017 91 / 91
Referncias
Clyde F. Coombs: Printed Circuits Handbook McGraw-
Hill, 2001
Micropress Circuitos Impressos
Philips Data Handbook IC26 1998
Verdant Electronics
Rudolf Strauss: SMT Soldering Handbook - Newnes, 1998
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