Guia de fabricação e uso de bobinas de PCB

PCB de bobina refere-se a um componente do tipo indutor criado, roteando diretamente traços para uma forma de bobina em um PCB. Esta tecnologia oferece excelente resistência à voltagem, alto fator Q, forte consistência, roteamento flexível, e alta capacidade de transporte de corrente, tornando -o amplamente utilizado em aplicações de antena. Uma bobina de PCB é uma bobina fabricada diretamente em uma placa de circuito impressa usando traços de condutores nas camadas da placa de circuito.

Neste artigo, Forneceremos uma introdução detalhada às bobinas de PCB, cobrindo seu conceito, vantagens, Aplicações, processos de fabricação, e outras características importantes para ajudar os usuários a obter uma compreensão abrangente das bobinas de PCB.

O que é uma bobina de PCB?

Uma bobina de PCB é um dispositivo que usa traços de metal com precisão em uma placa de circuito impresso para formar uma bobina de uma forma selecionada. Interessantemente, Este processo pode ser implementado em várias camadas, dependendo de diferentes formas e modelos.
Adicionalmente, PCBs consistem em camadas e condutores isolantes alternados que se entrelaçam para formar bobinas de PCB agrupadas.
Além disso, Este componente inclui uma camada de condutor com faixas, permitindo que ele se encaixe em uma forma de arco apropriado enquanto é dividido em várias seções condutivas.

Estrutura básica das bobinas de PCB

As bobinas de PCB consistem principalmente nos seguintes componentes:

Condutor de bobina: Normalmente feito de folha de cobre, formado em formas espirais ou outras especiais através de processos de roteamento de PCB.
Camada de isolamento: Comumente feito de FR4, poliimida (Pi), ou substratos cerâmicos para garantir o desempenho adequado do isolamento.
Vias: Usado para conectar traços de bobina em PCBs multicamadas, melhorar a capacidade de transporte de corrente ou aumentar a indutância.
Tratamento de superfície: Inclui enig (Gold de imersão em níquel com eletrólito), Osp (Conservador de solda orgânica), arbusta de solda com chumbo/sem chumbo, etc., para melhorar a confiabilidade e a condutividade da solda.

Tipos de bobinas de PCB

(1) Classificação por contagem de camadas

PCB de camada única Bobina: A estrutura da bobina é estabelecida apenas em um lado do PCB, apresentando um design simples adequado para aplicações de baixa potência.
PCB multicamada Bobina: Usa várias camadas de PCB empilhadas e conectadas via Vias para aumentar a indutância e a capacidade de transporte de corrente.
PCB flexível Bobina (Bobina FPC): Feito de materiais flexíveis como Pi, Adequado para aplicações dobráveis e ultrafinas, como bobinas de carregamento sem fio.

(2) Classificação por forma

Bobina em espiral: A estrutura mais comum, com a bobina distribuída em espiral ao longo da superfície da PCB. Amplamente utilizado em carregamento sem fio e antenas RFID.
Bobina serpentina: Projetado para aplicações de sensor e de alta frequência, reduzindo a capacitância parasita.
Bobina retangular/anel: Usado em projetos estruturais especializados, como blindagem eletromagnética e aplicações de transformador.

Como funciona uma bobina de PCB?

Os princípios eletromagnéticos das bobinas de PCB são idênticos aos de bobinas com enrolamento de arame ou quaisquer outros indutores:

Elemento condutor: Os traços de cobre atuam como componentes condutores, substituindo os enrolamentos de arame em indutores discretos.
Campo magnético induzido: Quando uma corrente alternada ou pulsada flui através dos traços, gera um campo magnético em expansão e contratação.
Armazenamento de energia: Devido à indutância da bobina, O campo magnético armazena temporariamente energia em cada ciclo da corrente CA.
Tensão induzida: Qualquer mudança na corrente aplicada induz uma tensão na bobina proporcional à taxa de mudança, devido à indutância.
Impedância: A bobina apresenta uma impedância que varia com a frequência, principalmente devido à reatância indutiva.

Por isso, Uma bobina de PCB funciona essencialmente como um indutor padrão, com seus parâmetros determinados por sua estrutura e materiais.

Considerações de design -chave para bobinas de PCB

(1) Cálculos de parâmetros da bobina

O design de uma bobina de PCB envolve principalmente os seguintes parâmetros -chave:

Indutância (L): Depende do número de voltas, Largura do rastreamento, espaçamento, e material de substrato.
Resistência (R): Determinado pela espessura da folha de cobre, Largura do rastreamento, e comprimento, afetando diretamente as perdas de energia.
Fator Q (Fator de qualidade): Um fator Q mais alto indica perdas mais baixas, tornando-o adequado para aplicações de alta eficiência.
Frequência ressonante (f₀): O ponto ressonante deve ser considerado para evitar interferências ou perdas de sinal.

(2) Considerações de layout da bobina

Largura e espaçamento de rastreamento: Deve ser selecionado com base nos níveis de corrente e na frequência para evitar superaquecimento ou interferência eletromagnética (Emi).
Conexões entre camadas (Via design): Via diâmetro e enchimento de cobre, deve ser otimizado para reduzir a impedância e aumentar a confiabilidade.
Blindagem e aviões terrestres: Para aplicações de alta frequência, Aviões de terra ou camadas de blindagem podem ser usados para minimizar a interferência externa.

Processo de fabricação de bobinas de PCB e controle de precisão

A fabricação de bobinas de PCB envolve fotolitografia, gravura, e processos de eletroplacionamento. O fluxo de trabalho típico é o seguinte:

Processo de fotolitografia

Passos: Revestimento fotorresistente → exposição UV (Usando o filme ou a LDI Direct Imaging) → Desenvolvimento → gravura → Resista a remoção.
Precisão: Ldi (Imagem direta a laser) A tecnologia permite a largura/espaçamento da linha ≤ 25μm, atendendo aos requisitos de bobinas de alta frequência.

Tecnologia de espessamento da camada de cobre

Cobre eletroplinado: A deposição eletrolítica aumenta a camada de cobre de 1 oz para 10 onças, reduzindo significativamente a resistência. (Por exemplo, em 1 mm de largura, 10mm bobina longa, 1Oz cobre tem ~ 5mΩ Resistência, enquanto o cobre de 10 onças o reduz a ~ 0,5mΩ.)
Aplicações: Indutores ou transformadores de alta potência exigem um equilíbrio entre o custo e a dissipação de calor.

Processo PCB multicamada

Laminação & Vias: As folhas de cobre multicamadas são laminadas usando folhas prévias, com vias formadas por laser ou perfuração mecânica para estabelecer conexões elétricas entre camadas.
Vantagens: Transformadores planares (Por exemplo, uma placa de 4 camadas com bobinas primárias e secundárias acopladas verticalmente) Melhorar a eficiência do acoplamento magnético.

Tecnologia de corte a laser

Adequado para: Bobinas de PCB flexíveis, Linhas de meandros de alta frequência, eliminando a necessidade de gravação cortando diretamente a camada de cobre.
Precisão: Os lasers de CO₂ ou UV atingem ± 10μm de precisão.

Aplicações de bobinas de PCB

(1) Carregamento sem fio

Usado em transmissores de carregamento sem fio de Qi (Tx) e receptores (Rx).
Os projetos de bobina em espiral multicamadas melhoram a eficiência da transferência de energia.

(2) Comunicação de RF e NFC

Usado no RFID, Aplicativos NFC, como cartões inteligentes e dispositivos de pagamento eletrônico.
A otimização de frequência de ressonância da bobina garante a compatibilidade com bandas de frequência alvo (Por exemplo, 13.56MHz).

(3) Sensores e medição

Aplicado em sensores de indução magnética e sensores de corrente.
Os projetos diferenciais da bobina de PCB aumentam a sensibilidade ao sinal.

(4) Blindagem de energia e eletromagnética

Usado em transformadores de PCB e supressão de emi.
As voltas e ajustes de forma de bobina otimizam a compatibilidade eletromagnética (Emc).

Conclusão

Como um componente magnético essencial em sistemas eletrônicos modernos, O design da bobina de PCB requer consideração cuidadosa dos materiais, processos de fabricação, desempenho eletromagnético, e gerenciamento térmico. Com demandas crescentes por alta frequência, integrado, e designs flexíveis, A tecnologia de bobina de PCB continuará evoluir para obter um desempenho mais alto e aplicativos mais amplos. Através de design otimizado e inovação de processo, As bobinas de PCB desempenharão um papel crucial em campos emergentes, como a comunicação 5G, IoT, e veículos elétricos.