LCSE P U S P

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Circuito Impresso

PTC2527 EPUSP

Guido Stolfi

2017

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Tpicos Abordados

Funes do Circuito Impresso

Caractersticas dos Substratos

Fabricao (Face Simples, Dupla, Multicamadas)

Propriedades dos Condutores

Regras de Projeto

Soldagem

Alternativas

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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)

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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)

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Circuito Impresso

Funes Secundrias: Dissipao de calor

Blindagem Eletrosttica

Elementos de Circuito Indutores

Microlinhas

Contatos

Identificao de Componentes p/ Montagem Serigrafia

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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

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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

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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

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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

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Resina Epxi

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Resina Epxi Multifuncional

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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

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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)

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Materiais para Substratos

Poliimida (Kapton) = Utilizado para circuitos impressos flexveis

Vantagens: Boa resistncia trmica

Boas propriedades dieltricas

Desvantagens: Custo mais elevado

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Placas Compostas: Rigid-Flex

Camadas externas em FR-4

1 ou 2 camadas internas em PET ou Kapton

Furos metalizados interligam todas as camadas

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Placas Compostas: Substrato Metlico

Alumnio: Dissipao de calor (ex. Luminrias com LEDs)

Ferro: Circuitos magnticos (ex.: motores eltricos)

COBRE

FR-4

SUBSTRATOMETLICO

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Fabricao do Circuito Impresso

Processo Serigrfico

Face simples

Processo Fotogrfico

Face Simples / Dupla

Multicamadas

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Processo Serigrfico

RODO

TINTA

TELA

SUBSTRATO

COBRE

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Processo Fotogrfico

SUBSTRATO

COBRE

PHOTO-RESIST

FOTOLITO (DIAZO)

U.V.

Exposio

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Processo Fotogrfico

COBRE

Aps revelao

Aps corroso

PHOTO-RESIST

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Face Dupla com Furo Metalizado

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Circuito Impresso Multicamadas

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Fabricao: Dupla Face, Furo Metalizado

COBRE17 a 70 um

SUBSTRATO~ 1.6 mm

SUBSTRATO

Material Base

Aps Furao

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Dupla Face, Furo Metalizado

Aplicao de Pelcula Foto-Sensvel(Riston)

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Dupla Face, Furo Metalizado

DIAZOPHOTORESIST,RISTON

PHOTO-RESIST

ExposioFotogrfica

Aps Revelao

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Dupla Face, Furo Metalizado

COBRE~ 25 um

CHUMBO~ 12 um

Metalizao comCobre qumico eeletroltico

Galvanoplastiacom chumbo eremoo do Riston

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Dupla Face, Furo Metalizado

SOLDA

Aps Corroso e Refuso com Solda Chumbo/Estanho

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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

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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

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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

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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

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Dendritos por Eletromigrao

Crescimento cristalino entre dois condutores com cargas opostas; pode ocasionar curto-circuito.

d = 0,5 mmV = 10 VT = 85 oCRH = 85%

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Filamentos Metlicos (Whiskers)

Filamentos formados especialmente em superfcies de estanho puro, mesmo na ausncia de campo eltrico ou umidade

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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

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Circuito Impresso 4 Camadas

COBRE17 a 35 um

SUBSTRATOTip. 0.5 mmMaterial Base

(Faces Internas)

Aps Exposio,Corroso e Remoo de Riston

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Circuito Impresso 4 Camadas

COBRE17 a 35 um

COBRE

SUBSTRATOSEMI-POLIMERIZADOPreparao

Para Laminao

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Circuito Impresso 4 Camadas

Aps Laminaoe Cura

Tpico1,6 mm

Aps Processamentodas Faces Externas(Mesmo Processo que Dupla Face)

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Exemplo: Plano de Terra (2)

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Plano de Alimentao (3)

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Face Superior (1)

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Face Inferior (4)

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Mscara de Solda Superior (TM)

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Mscara de Solda Inferior (BM)

LCSE P U S P

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Serigrafia de Componentes Superior (TS)

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Serigrafia Inferior (BS)

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Identificao dos Dimetros dos Furos

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Furos Metalizados

PTH = Plated Thru Hole (Furo Metalizado)

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Furos Metalizados

Rebarbas na furao das camadas internas

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Furos Metalizados

Erros de registro nas camadas internas

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Propriedades da Lmina de Cobre

Seco transversal e superfcie aderente daFolha de cobre produzida por galvanoplastia

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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

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Resistncia de Trilhas

LCSE P U S P

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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)

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Elevao de Temperatura nas Trilhas

Laminado de Cobre, 1 oz. (34 m)

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Elevao de Temperatura nas Trilhas

Laminado de Cobre, 2 oz. (68 m)

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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)

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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

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Furao da Placa

Geometria de uma broca (50000 a 150000 rpm)

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Qualidade da Furao

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Microfuros (Furos Cegos e Enterrados)

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Produtividade x Largura de Trilha

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Produtividade x Espaamento Mnimo

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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)

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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

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Teste Eltrico

Cama-de-pregos (para pontos em grade padro)

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Teste Eltrico

Cama-de-pregos com transporte lateral(para pontos fora da grade)

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Teste Eltrico

Pontas Mveis para teste Sequencial x-y

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Soldagem de Componentes

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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

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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)

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Solda Euttica Sn/Pb (63 / 37)

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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

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Tipos de Montagem (SMD)

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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

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Aplicao de Pasta de Solda

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Bolas de Solda na Soldagem por Refuso

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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

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Soldagem por Onda

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Soldagem de Terminais de Componentes

Terminal de Componente SMD

Terminal c/ furo Corte transversalde terminal SMD

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Solda por Dupla Onda

(~30mm/s)

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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

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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

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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

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Linha de Montagem para SMD

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Fluxo

Substncia redutora, dissolve os xidos nas superfcies a serem soldadas

Resinas orgnicas (cido abitico, cido pimrico)

Ativadas ou no com haletosinorgnicos

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Ao do Fluxo na Soldagem

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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

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Solda Livre de Chumbo

Problemas:

Custo mais elevado

Corroso

Aderncia inferior

Incompatibilidade com alguns revestimentos

Efeito termoeltrico 20 a 200 vezes maior

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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

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Outras Alternativas

OCCAM

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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