Fabricação e montagem de PCB de nível industrial: Guia de processo completo

Em áreas de ponta, como automação industrial, nova energia, e equipamentos de comunicação, PCBs de nível industrial (Placas de Circuito Impresso) servem como os principais portadores que suportam componentes eletrônicos e garantem a operação estável do equipamento. Comparado com PCBs de consumo, PCBs de nível industrial devem suportar ambientes de trabalho muito mais exigentes – ciclos de alta/baixa temperatura, umidade e poeira, forte interferência eletromagnética, etc.. Isto impõe requisitos extremamente elevados para os processos de fabricação, seleção de materiais, e precisão de montagem.
Este artigo fornece uma visão sistemática dos fundamentos de todo o processo de produção de nível industrial Manufatura de PCB e montagem - desde padrões de projeto, processos de fabricação, técnicas de montagem, e inspeção de qualidade até garantia de entrega – para ajudar as empresas a melhorar a confiabilidade dos produtos e a competitividade do mercado.

Preparação: Padrões e princípios básicos de design de PCB

O design é a “fonte” de PCBs de nível industrial e determina diretamente a dificuldade de fabricação, desempenho do produto, e vida útil. Projetos que ignoram a capacidade de fabricação levam a custos crescentes e taxas de rendimento em queda livre; portanto, é essencial seguir rigorosamente o Design for Fabricability (DFM) princípios ao mesmo tempo em que atende aos requisitos específicos de ambientes industriais.

1. Padrões Básicos de Design: Adaptado às necessidades de aplicações industriais

• Projeto de adaptabilidade ambiental:
  Defina tolerâncias de temperatura e umidade com base em cenários de aplicação (armários de controle industriais, inversores fotovoltaicos externos, dispositivos no veículo), e selecione materiais com classificações de temperatura apropriadas (Por exemplo, FR-4 TG170+ para ambientes de alta temperatura, PTFE para comunicação de alta frequência). Para ambientes úmidos, aumente a espessura da máscara de solda e use pinos banhados a ouro para aumentar a resistência à corrosão.

• Emc (Compatibilidade Eletromagnética) projeto:
  Ambientes industriais envolvem vários dispositivos operando simultaneamente, muitas vezes causando interferência eletromagnética. É necessário um layout adequado para reduzir a diafonia do sinal – circuitos analógicos e digitais separados, use roteamento blindado ou diferencial para sinais sensíveis (Por exemplo, sinais de sensores); adicione capacitores de filtragem em loops de energia e coloque vias de aterramento em nós principais para garantir a impedância de aterramento abaixo 1 Oh.

• Correspondência de estrutura mecânica:
  Equipamentos industriais normalmente têm limites rígidos de espaço de instalação. Design de PCB deve corresponder precisamente às dimensões do gabinete, reservando orifícios de montagem e orifícios de ventilação para evitar interferência com outros componentes. Em ambientes com muita vibração (máquinas-ferramentas, equipamento de trânsito ferroviário), otimizar Espessura da PCB (recomendado ≥1,6 mm) e usar reforço adesivo para componentes críticos.

2. Principais considerações de design do DFM: Reduzindo riscos de fabricação

É necessária uma estreita colaboração com o fabricante na fase de projeto para especificar os seguintes parâmetros do processo e evitar retrabalhos dispendiosos:

• Largura e espaçamento da linha:
  PCBs de nível industrial geralmente carregam alta corrente (Por exemplo, circuitos de energia). A largura da linha deve ser calculada com base na corrente (regra prática: 1 mm largura abaixo 1 onças de cobre transportam 1–1,5 A). O espaçamento mínimo também deve ser respeitado (≥0,12 mm para processos padrão, até 0.08 mm para processos de alta precisão) para evitar curto-circuitos.

• Vias e almofadas:
  Os diâmetros das vias devem corresponder aos tamanhos dos pinos – furos passantes padrão ≥0,8 mm; Pacotes BGA geralmente usam vias cegas/enterradas para economizar espaço. Os tamanhos das almofadas devem atender aos requisitos de soldagem (Almofadas SMT 10% a 20% maiores que os terminais dos componentes) para evitar juntas de solda frias ou fracas.

• Padrões de saída de arquivo:
  Os arquivos enviados aos fabricantes devem estar completos, incluindo arquivos Gerber (camadas superior/inferior, camadas internas, máscara de solda, serigrafia), Bom (modelo de componente, pacote, marca), arquivos de coordenadas pick-and-place, e especificações de teste para garantir uma comunicação inequívoca.

Fluxo de processo de PCB de nível industrial e controle de qualidade

O processo de fabricação de PCBs de nível industrial é complexo, envolvendo dezenas de etapas. Cada etapa requer controle preciso dos parâmetros do processo para garantir o desempenho elétrico, resistência mecânica, e durabilidade ambiental. As principais etapas incluem a preparação do substrato, transferência de padrão, gravura, perfuração, chapeamento, máscara de solda, e serigrafia.

1. Seleção e pré-processamento de substrato: Fundação da Qualidade

O substrato forma a espinha dorsal estrutural do PCB. PCBs de nível industrial normalmente usam materiais de alto desempenho:

• Seleção de materiais:
  Ambientes industriais padrão usam FR-4 com TG ≥150 °C; aplicações de alta temperatura (Automotivo, aeroespacial) usar PI (poliimida) com resistência ao calor acima 260 ° c; aplicações de comunicação de alta frequência usam PTFE com constante dielétrica estável.

• Pré-processamento:
  Depois de cortar, substratos passam por lavagem, desengordurante, e micro-gravação para remover óleos e óxidos e aumentar a adesão do cobre ao substrato. Isso evita delaminação ou formação de bolhas durante estágios posteriores.

2. Transferência e gravação de padrões: Reprodução precisa de padrões de circuito

Esta etapa transfere o circuito projetado para o substrato, onde precisão e consistência são críticas:

• Transferência de padrão:
  Fotolitografia de filme seco é usada. Uma película seca fotossensível é aplicada, exposto com o padrão de circuito usando uma máquina de exposição de alta precisão (resolução ≥2 μm), então desenvolvido para remover áreas não expostas.

• Gravura:
  Soluções de ataque ácido (Por exemplo, cloreto cúprico) remover cobre exposto, deixando o cobre protegido para formar circuitos. Tempo e temperatura de gravação (45–55 °C) deve ser rigorosamente controlado para evitar sub-gravação (cobre residual) ou gravação excessiva (estreitamento de linhas). A precisão da largura da linha é verificada para cada lote.

3. Perfuração e Chapeamento: Garantindo Condutividade e Resistência Mecânica

A perfuração cria conexões entre camadas; o revestimento aumenta a condutividade e melhora a durabilidade:

• Perfuração de alta precisão:
  As brocas CNC garantem precisão de ±0,01 mm para furos passantes, vias cegas, e vias enterradas. Vias cegas/enterradas geralmente exigem uma combinação de perfuração a laser e perfuração mecânica para evitar desvio de posição. A rebarbação remove detritos de cobre que podem causar curtos-circuitos.

• Chapeamento:
  Inclui cobre sem eletrólito, revestimento de painel, e revestimento padrão. O cobre sem eletricidade cria uma fina camada condutora (0.5–1 μm) vias internas; o revestimento do painel aumenta a espessura geral do cobre; revestimento padrão adiciona cobre extra (≥20 μm) às almofadas e áreas-chave para melhorar a capacidade atual e a confiabilidade da solda.

4. Máscara de solda e serigrafia: Melhorando a proteção e a identificação

Estas etapas protegem o PCB e fornecem marcações, essencial para ambientes industriais agressivos:

• Máscara de solda:
  Uma tinta protetora resistente à solda é aplicada, expondo apenas almofadas. PCBs industriais usam alta temperatura, máscaras de solda à base de epóxi quimicamente resistentes (10–20 μm de espessura). Isso reduz a entrada de umidade/poeira e evita a formação de pontes de solda.

• Serigrafia:
  Identificação impressa (rótulos de componentes, marcas de polaridade, informações do fabricante). A tinta deve ser resistente ao desgaste e legível em ambientes de alta temperatura e fricção; altura mínima dos caracteres ≥0,8 mm.

Conjunto de precisão de PCB de nível industrial

A montagem anexa componentes eletrônicos (resistores, capacitores, fichas, conectores) para o PCB. A montagem de nível industrial deve equilibrar eficiência com alta confiabilidade. Smt (Tecnologia de montagem em superfície) e THT (Tecnologia do orifício) são comumente usados ​​juntos.

1. Preparação Pré-Montagem: Gestão de Materiais e Planejamento de Processos

• Inspeção de componentes:
  Componentes de nível industrial devem atender a padrões rígidos. A inspeção de entrada verifica as dimensões, parâmetros elétricos (capacitância, resistência), e aparência (sem cabos tortos/oxidados). Componentes críticos (CPU, dispositivos de energia) exigem certificados de autenticidade OEM.

• Fabricação de estêncil:
  SMT usa um estêncil de aço inoxidável para aplicar pasta de solda nas almofadas. O tamanho da abertura deve corresponder aos pads (5%–10% menor), com precisão de ±0,02 mm para garantir um volume de solda consistente.

2. Processos principais de montagem: Smt + Coordenação THT

(1) Conjunto de montagem em superfície SMT: Para Miniaturizado, Componentes de alta densidade

Adequado para componentes de chip (0402, 0603), BGA, Mf, etc.. O processo é: impressão com pasta de solda → colocação → soldagem por refluxo → inspeção AOI.

• Impressão com pasta de solda:
  Pasta de solda (Por exemplo, Ligas sem chumbo Sn-Ag-Cu) é aplicado nas almofadas através do estêncil. Espessura da pasta (0.12–0,15mm) e a uniformidade são verificadas para evitar solda insuficiente ou excessiva.

• Posicionamento de alta precisão:
  Máquinas automatizadas de coleta e colocação usam sistemas de visão para montar componentes com precisão de ±0,03 mm para dispositivos de passo fino. Componentes com >0.1 deslocamento em mm requer correção.

• Soldagem por refluxo:
  PCBs passam por pré-aquecimento, Mergulhe, pico, e fases de resfriamento. Temperatura máxima (230–250 °C para pasta sem chumbo) derrete a solda para formar juntas. A taxa de aquecimento deve ser de 2–3 °C/s para evitar choque térmico.

(2) Conjunto de furo passante THT: Para alta confiabilidade, Componentes de alta corrente

Adequado para conectores, semicondutores de potência, e peças críticas de resistência mecânica.

• Inserção:
  Os cabos são inseridos através de orifícios e fixados para evitar movimento.

• Solda de onda:
  Depois de fluir, o PCB passa por ondas de solda fundida. A temperatura é controlada entre 250–270 °C, com velocidade do transportador de 1–1,5 m/min para evitar juntas de solda fracas ou frias.

3. Processamento Pós-Montagem: Limpeza e Retrabalho

Resíduo de fluxo (corrosivo) deve ser removido usando IPA ou produtos de limpeza industriais.
Juntas defeituosas identificadas pela AOI (Por exemplo, juntas frias, pontes) requer retrabalho manual, usando ferros de solda com temperatura controlada (300–350 °C) para evitar danificar componentes ou PCB.