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Montagem de PCB

Quase todas as indústrias usam placas de circuito impresso ou PCBs. Esses pequenos dispositivos eletrônicos utilizam diversos componentes e são responsáveis por diversas aplicações nesses setores. Mas para isso é importante que todos os componentes de uma PCB sejam montados e fixados na placa de forma que os tornem úteis e funcionais.

Então, qual é o procedimento para montar uma PCB e como fazemos isso corretamente? Neste artigo, discutiremos a montagem do PCB em detalhes.

O que é montagem de PCB?

Placa de circuito impresso, montagem abreviada de PCB, é um processo que inclui a incorporação de componentes eletrônicos na superfície da PCB. Isso cria um circuito ou produto eletrônico funcional.

Para uma melhor compreensão de como os PCBs e os PCBAs diferem, dê uma olhada em nossa comparação abrangente entre PCB e PCBA.

Tipos de montagem de PCB

Tecnologia Thru-Hole

Todos os componentes, como capacitores, indutores, bobinas e resistores, foram inseridos por meio de furos. Isso lhe deu o nome de tecnologia thru-hole.

A tecnologia funciona para um lado, dois lados e vários lados, mas não se adapta à nova era da eletrônica. Embora o SMT domine o mercado quando se trata de montagem de PCB, algumas aplicações, como capacitores e transformadores substanciais, exigem tecnologia passante.

Tecnologia de montagem em superfície

Simplificando, a tecnologia de montagem em superfície ou SMT solda componentes em placas de circuito. Os resultados são muito melhores do que os métodos de montagem tradicionais e, portanto, são mais usados agora. Todos os telefones, computadores, eletrodomésticos, etc., são construídos com esta tecnologia.

Tecnologia de montagem de PCB mista

É impossível montar diferentes componentes utilizando apenas a tecnologia SMT e THT. Isso ocorre porque, à medida que a tecnologia avança, espera-se que os dispositivos eletrônicos sejam elegantes e multifuncionais. A dupla não pode ser alcançada usando uma única tecnologia.

Portanto, vários métodos diferentes de montagem de PCB são utilizados, e a pasta de solda não tem nenhuma função neles. Embora alguns componentes possam ser conectados usando SMT, muitos outros não podem, portanto, uma combinação de técnicas é empregada.

Aprofunde-se na montagem da tecnologia de montagem em superfície (SMT) e em suas vantagens em nosso guia especializado.

O design básico de um PCB

Normalmente, uma placa de circuito impresso compreende as seguintes camadas. Cada camada tem uma construção diferente e uma função diferente dentro de um circuito.

PCB de camada única

Camada de substrato: Para dar rigidez à placa, essa camada é feita em fibra de vidro. A maioria das placas usa esse material, mas os PCBs flexíveis usam plástico flexível, como o Kapton. Além disso, as camadas de substrato de PCB utilizam materiais como epóxis, mas não são tão duráveis quanto o FR4.

Camada de cobre: Uma fina folha de cobre é laminada na placa; isso forma a próxima camada em um PCB. Ele pode ter uma ou mais camadas de folha de cobre e sua espessura depende da quantidade de energia que o PCB precisa suportar.

Em uma placa de circuito impresso de um lado, um lado da placa de circuito impresso possui uma camada de folha de cobre. O outro lado é para incorporar componentes elétricos. Por outro lado, o PCB de dupla face apresenta uma camada de cobre condutora em ambos os lados da placa.

Camada de máscara de solda: Após a laminação do cobre, é hora da próxima camada, a camada de máscara de solda. Esta camada fornece isolamento às camadas de cobre e as mantém distantes de outros componentes para evitar curtos-circuitos. Também é responsável por emprestar ao PCB a cor verde.

Além disso, deve ser afirmado que a camada de máscara de solda é de longe a camada mais vital, especialmente no processo de fabrico. Assim, quando alguns componentes elétricos forem soldados, esta camada auxilia no correto posicionamento dos componentes.

Camada de serigrafia: A camada de serigrafia é a última e última camada. Cabe principalmente aos usuários ajudá-los a diferenciar os vários pinos e aprender sobre a funcionalidade de cada um. Símbolos, letras ou números estão escritos nesta camada branca.

Saiba mais sobre o papel crucial e as complexidades da camada de máscara de solda em PCBs em nosso artigo dedicado.

Componentes da montagem de PCB

Basicamente, existem dois tipos de componentes: componentes passivos e componentes ativos. A dupla varia devido ao seu propósito.

Componentes passivos

São componentes eletrônicos que não têm impacto no sinal e o deixam fluir sem modificá-lo. Além disso, eles não necessitam de energia eletrônica para funcionar.

Capacitores: Uma camada dielétrica divide duas camadas condutoras e isso cria um capacitor. Como sabemos, esses dispositivos eletrônicos mantêm uma carga elétrica por um breve período antes de serem alimentados para outro local do circuito.

Você pode medir sua capacidade determinando sua capacitância. Os capacitores existem em diferentes tipos com base em sua potência dielétrica. A densidade do material dielétrico define a intensidade da carga elétrica.

Resistores: Componentes mais amplamente utilizados em um PCB, estão disponíveis em vários formatos e tamanhos. A principal função deles em um circuito é obstruir o fluxo da corrente.

Dentre os diversos tipos de resistores, o estilo axial é o mais comum, apresentando terminais em ambas as extremidades e faixas coloridas no corpo. Estes significam valor de resistência, tolerância e, às vezes, o coeficiente de temperatura.

Indutores: Em uma PCB, os indutores são um dos três componentes lineares passivos de um circuito, junto com capacitores e resistores. Um indutor é feito de um fio isolado enrolado na forma de uma bobina.

Quando a eletricidade passa pela bobina, ela cria um campo eletromagnético. Mas se a corrente elétrica mudar, a bobina resiste à mudança. Portanto, os indutores tentam manter a corrente no circuito estável.

Diodos: Esses dispositivos eletrônicos permitem o fluxo de corrente em apenas uma direção. Permitindo assim que ele viaje de um ânodo para um cátodo e vice-versa. Isto pode ser conseguido mantendo a resistência zero em uma extremidade e a resistência infinita na outra. Um exemplo disso é o LED.

Transformadores: À medida que a tensão flutua, esses dispositivos transportam energia entre os circuitos. Eles consistem em um núcleo magnético com duas ou mais bobinas enroladas em torno dele. A bobina primária conectada à fonte de alimentação é acompanhada pelas bobinas secundárias.

Componentes ativos

Transistores: Estes são os principais blocos de construção de um circuito eletrônico. Como semicondutores, são usados como amplificadores e interruptores elétricos.

Embora possam funcionar de forma independente, são frequentemente encontrados em grandes quantidades, às vezes em bilhões, integrados em um único circuito.

CIs (circuitos integrados): Outros nomes são microchip ou chip. São dispositivos eletrônicos que conectam fios e outros componentes dentro de um circuito. Eles são construídos como uma unidade única em muitos substratos dielétricos minúsculos ou wafers semicondutores e permitem a criação dos dispositivos inteligentes mais avançados.

Para explorar mais sobre os componentes eletrônicos envolvidos na montagem de PCB, confira nosso guia detalhado sobre Componentes Eletrônicos.

Tipos de ICs

BGA (matriz de grade de bolas): Este é projetado especificamente para Circuitos Integrados, tornando-os adequados para montagem de microprocessadores. A embalagem possui mais pinos do que qualquer outra embalagem e seu recurso exclusivo permite o aproveitamento de toda a superfície inferior. Esse design, juntamente com o comprimento médio do traço, aumenta sua alta velocidade e desempenho.

Pacotes SMD (dispositivo de montagem em superfície): À medida que a tecnologia evoluiu, abriu caminho para novos pacotes de chips. Um desses desenvolvimentos é a tecnologia de montagem em superfície (SMT), que apresenta vários componentes pequenos. Esses pacotes possuem pinos minúsculos que podem ser soldados nas PCBs. Alguns exemplos do mesmo incluem Quad Flat Packages (QFP), Small Outline (SOP), etc.

Entenda as complexidades e considerações de design para PCB de alta velocidade em nosso guia completo.

Como selecionar os componentes para montagem de PCB

Funcionalidade: Determine se o componente selecionado atende a todos os requisitos da aplicação. Isso garantirá que o PCB funcione conforme desejado.

Consumo de energia: Os designers consideram as bibliotecas CAD para descobrir quanta energia um computador pode suportar. Às vezes, essas bibliotecas não fornecem as informações corretas. Este é um problema sério e pode fazer com que o componente não inicie ou nem funcione.

Classificação de corrente e tensão: Muitas vezes, as classificações mínima e máxima de corrente e tensão da PCB são ignoradas. Observe que se você comprar um componente com tensão maior que a necessária, o circuito ficará mais pesado. Ao mesmo tempo, se os componentes tiverem classificações mais baixas, eles poderão derreter, levando à falha do componente. Compre um com alcance ideal.

Regulamentos: Siga os regulamentos. Não fazer isso não significa que seu componente falhará imediatamente. No entanto, sempre há chances de ser chamado de volta.

O ambiente operacional: Como você planeja operar o PCB? Basta lembrar que algumas peças precisam funcionar em temperaturas e níveis de umidade específicos. Portanto, seja para a indústria, negócios ou militar, o uso depende do ambiente.

Compra de componentes
A falta de componentes é um dos principais problemas enfrentados durante a montagem do PCB. Embora existam alternativas, elas podem não estar prontamente disponíveis. Isso leva os fabricantes a comprar componentes de baixa qualidade ou a cair em falsos truques de marketing. Portanto, encontre um serviço confiável de montagem de PCB que ofereça serviços prontos para uso.

Colocando os componentes
Além da compra, a colocação é outra questão. Para superar esse problema, as máquinas deveriam ser fornecidas com dados Gerber. Eles também devem se concentrar em recursos como faixas de manuseio do painel, tamanhos dos painéis e marcas de referência, etc. Essas são algumas das características que reduzem falhas na colocação e também auxiliam na construção de um produto de qualidade.

Esteja preparado para mudanças
Nenhum primeiro design é o design final. Você deve estar disposto a considerar componentes novos e diferentes à medida que algumas modificações são feitas no design. Além disso, antes de escolher um componente, considere coisas como densidade de área do componente de potência, dissipação, custo dos componentes e sua disponibilidade.

Aplicar práticas de aterramento sólido
Qualquer que seja o projeto que você decidir, ele deve incluir um número suficiente de planos de aterramento e capacitores de bypass. Esta prática é importante porque permite que seu PCB alcance desempenho ideal de suscetibilidade e conformidade eletromagnética. Aqui vai uma sugestão: no caso de CIs, utilize capacitores de desacoplamento.

Verifique portões sobressalentes
Conecte as entradas de quaisquer portas sobressalentes a um sinal. Se houver algum deixado de fora, conecte-o também. Embora isso não seja muito comum, você deve garantir que todos os portões estejam conectados para evitar problemas como impedir o funcionamento dos sistemas.

Pré-requisitos para o processo de montagem de PCB

Antes de iniciar o processo de PCB, é vital avaliar o PCB em busca de todas as irregularidades que podem resultar em mau funcionamento ou falha. É conhecido pelo nome de processo Design for Manufacturing (DFM).

Aqui estão algumas etapas básicas para realizar este processo:

Consideração sobre layout de componente: Verifique a polaridade dos componentes. Certifique-se de que os capacitores eletrolíticos, diodos e capacitores de tântalo SMT sejam colocados da maneira correta. Além disso, verifique novamente o entalhe ou a direção da cabeça dos ICs.

Além disso, se um componente precisar de um dissipador de calor, certifique-se de que haja espaço suficiente ao seu redor para que não toque em outros componentes.

Espaçamento de furos e vias: Dê uma olhada no espaço entre os buracos. Faça uma inspeção semelhante para a distância entre o traço e o furo. Você deve garantir que os orifícios de passagem e as almofadas de solda não estejam sobrepostos.

Considere a espessura, as almofadas de cobre e a largura do traço: assim que a verificação do DFM terminar, você poderá minimizar o custo geral de fabricação. Com essa abordagem, você pode evitar problemas de DFM.

Montagem de PCB

Estêncil de pasta de solda

Coloque pasta de solda na parte da placa de circuito onde você colocará as peças eletrônicas. Use um estêncil de aço inoxidável para isso. Segure a PCB e o estêncil no lugar com uma ferramenta e espalhe a pasta de solda na placa. Espalhe uniformemente com apenas um pouco de solda.

Ao retirar a ferramenta, a pasta permanecerá no quadro. A pasta de solda cinza é estanho 96,5%, cobre 0,5% e prata 3%. Além disso, não contém chumbo.

Para obter mais informações sobre o que é pasta de solda e como ela é aplicada na montagem de PCB, leia nosso artigo detalhado sobre Pasta de solda.

Escolha e coloque

Embora a etapa anterior seja realizada manualmente com uma pinça, esta etapa usa automação avançada. Nesta etapa, os componentes SMT são selecionados e colocados na placa PCB.

Antes da colocação, um especialista cria o projeto, que é então inserido no robô na forma de um arquivo CAD. Este arquivo mostra onde cada peça é colocada na PCB, fornecendo suas coordenadas X e Y predefinidas.

Com a ajuda das informações fornecidas, o robô coloca os dispositivos SMD na placa. Os robôs especializados de coleta e colocação são projetados para coletar as peças com suas peças a vácuo e soltá-las na pasta de solda.

Antes da introdução das máquinas robóticas de coleta e colocação, os técnicos usavam pinças para coletar manualmente os componentes. Isso não era apenas tedioso, mas também causava problemas de saúde, como problemas de visão nos técnicos. Os casos de erro humano também foram elevados.

Às vezes, também levou à redução da velocidade na montagem da PCB. Mas não mais com robôs. Eles podem funcionar sem parar e também garantir que não haja nenhum erro.

Soldadura por refluxo

Depois de terminar de aplicar a pasta de solda e colocar o componente, você também deve garantir que eles fiquem no lugar certo. Em outras palavras, a pasta de solda deve solidificar os componentes de fixação no local pré-determinado. Este processo, soldagem por refluxo, é um passo nessa direção.

Neste processo, os componentes são colocados na correia transportadora. A correia então move os componentes para um grande forno, que compreende muitos aquecedores. Esses aparelhos de aquecimento aquecem a placa a uma temperatura de 250 graus Celsius. Isso derrete a solda.

A solda derretida fixa os componentes à placa, criando assim juntas. Agora, o PCB está resfriado. No mesmo forno, o circuito em construção passa por uma série de resfriadores. Isso solidifica a solda em um ambiente controlado.

Os componentes criam uma junta permanente na placa. No entanto, algumas placas precisam ser tratadas de maneira um pouco diferente. PCBs de dois lados, por exemplo, exigem estêncil e refluxo em ambos os lados.

Para elaborar, em PCBs de dois lados, o lado com componentes menores é criado primeiro. Ele é estampado, colocado e refluido. Depois de definido, o outro lado passa pelo mesmo tratamento.

Controle e Inspeção de Qualidade

Depois de concluir as três etapas acima, é essencial garantir que o circuito esteja pronto para funcionar com precisão. Por que você deve fazer isso porque pode haver um desalinhamento que pode levar a um curto-circuito posteriormente. Além disso, o movimento no processo de refluxo pode criar conexões ruins ou não ter nenhuma conexão.

Portanto, sugere-se verificar a qualidade do PCB usando o método de inspeção. A inspeção de PCB é um dos muitos métodos que verificam a garantia de qualidade e pode ser manual ou automática.

Inspeção manual: Embora métodos automáticos estejam disponíveis, uma verificação manual ainda é preferida. É adequado para lotes menores de PCBs. Uma inspeção visual da placa é suficiente para descobrir as falhas, se houver.

Porém, olhar para essas placas por uma hora ou mais causa fadiga óptica e, portanto, erros. Portanto, é recomendado apenas para componentes THT e aqueles com menor densidade de componentes.

Inspeção Óptica: Este método é apropriado para lotes maiores de PCBAs. Uma máquina especializada é utilizada para inspecionar os conjuntos. É chamada de máquina AOI e possui uma série de câmeras para verificar falhas ou erros.

Essas câmeras vêm com alta potência e alta resolução e estão estrategicamente posicionadas em diferentes ângulos. Esses ângulos garantem que nenhuma junta seja perdida.

Quando a luz incide sobre as juntas, ela é refletida em diferentes direções. Isso ajuda a AOI a localizar uma junta de qualidade inferior. O melhor é que a máquina trabalha em alta velocidade, possibilitando inspecionar rapidamente um lote grande.

Inspeção radiográfica: Outro método de inspeção é o raio-X. Este método não é aplicado em circunstâncias normais. É para PCBs complicados e avançados. Isso ajuda a observar as camadas inferiores e descobrir se há alguma falha nelas.

Mas é preciso usá-los com cautela, pois em caso de aplicação incorreta, pode ser necessário retrabalhar ou descartar o PCB. Este tipo de avaliação deve ser realizada com frequência para evitar atrasos ou custos materiais.

Assim que a inspeção for concluída, passe para a próxima etapa. Independentemente de você ter encontrado algum erro ou não, é importante verificar se o componente PCB está funcionando para o que foi construído ou não.

Portanto, teste a qualidade das conexões. Se as placas exigirem mais programação ou calibração, esse processo demorará um pouco mais do que o pretendido. Isso ocorre porque são necessárias mais etapas para confirmar a funcionalidade.

Observação: As etapas de inspeção devem ser realizadas com mais frequência para diagnosticar e corrigir os problemas assim que surgirem. Isso não só economizará tempo, mas também ajudará a evitar que muitos PCBs com problemas sérios sejam descartados.

Descubra a importância e a metodologia por trás da Inspeção Óptica Automatizada (AOI) em nossa exploração aprofundada.

Inserção de componente através do furo

Deve-se observar que cada conjunto de PCB (PCBA) terá um conjunto diferente de componentes se a placa for diferente. Isso pode incluir uma variedade de componentes que vão além dos típicos dispositivos montados em superfície (SMDs). Por exemplo, componentes de furo passante ou componentes PTH.

Esses orifícios ou componentes revestidos são encontrados na PCB. Eles possuem fios que passam pelos orifícios da placa de circuito, que depois se conectam a outros orifícios de cobre.

Quando um fabricante fixa essas peças com fios nos furos e as solda, elas são conectadas a outros furos na mesma placa. Isso deve ser feito exatamente como está representado no design. A pasta de solda não tem nenhuma função nesta placa, pois não adere ao furo.

Portanto, os componentes passantes precisam de um método especializado, como o método de soldagem.

Soldagem manual: Usar o método de soldagem manual é o método mais comum. No entanto, o processo demora um pouco mais do que o procedimento automatizado. No entanto, veja como isso é feito.

Um técnico pode inserir um componente. Em seguida, a diretoria passa para o próximo técnico e assim sucessivamente na linha de montagem. O tempo necessário para criar uma placa com THT depende do número de componentes que devem ser inseridos em um ciclo.

Embora isso torne o procedimento longo e tedioso, os designers o preferem e o empregam como prática comum. No entanto, muitas empresas evitam isso em seus projetos, pois consome muito tempo.

Solda por Onda: É um processo automático, onde os componentes são colocados na PCB e depois posicionados em uma placa transportadora.

A placa transportadora leva os componentes ao forno e eles ficam salpicados de solda. Isso acontece na camada inferior onde os fios estão presentes. A solda derretida unirá os pinos à placa.

A desvantagem desse método é que ele é adequado apenas para PCBs de um lado e não funciona em PCBs de dois lados. Por quê então? Porque a soldagem por onda do outro lado pode prejudicar a funcionalidade dos componentes delicados.

Terminado o processo de soldagem, pode-se passar para a última e última etapa. Mas se a PCB exigir a adição de mais peças ou a montagem da outra peça, volte para a primeira etapa.

Inspeção e teste

Com todas as etapas concluídas, o PCB está pronto e pronto para ser verificado quanto à eficácia e funcionalidade. Por isso, também é conhecido como teste de funcionalidade. Forneça eletricidade à placa de circuito em determinados pontos para ver se pontos ou conectores específicos estão funcionando corretamente.

Instrumentos de laboratório como osciloscópio, gerador de função e DMM foram utilizados para realizar o teste. Além de verificar a funcionalidade e as características elétricas, este teste também auxilia no estabelecimento de sinais de corrente, analógicos e digitais e tensão, conforme requisitos de projeto de PCB.

Durante a inspeção, se o PCBA não atender aos padrões estabelecidos, ele será descartado ou reciclado, se possível. Porém, este último depende dos padrões da empresa. Esta etapa é extremamente importante porque ajuda a estabelecer a taxa de sucesso do PCBA.

Limpeza e Acabamento Final

A montagem da PCB é um procedimento complicado. Há fluxo deixado pela pasta de solda, além de óleos e sujeira que podem ter sido transferidos de mãos humanas. Embora o teste seja um procedimento importante, o resultado pode não parecer tão agradável à vista.

O fluxo tende a permanecer no PCB por muito tempo até ser removido e pode começar a cheirar mal. Talvez você nunca saiba, pois pode ficar ácido e, portanto, prejudicial às articulações. Além disso, a remessa pode ser devolvida se as novas peças de PCB parecerem usadas e sujas com resíduos fedorentos e impressões digitais.

Portanto, é importante lavar esses PCBs antes de lançá-los no mercado. Pode-se usar água deionizada em um aparelho de lavagem de alta pressão de aço inoxidável para eliminar os resíduos. Este processo é seguro e não prejudicará a placa. A razão é que a água deionizada não contém íons que podem causar danos, mas esta água não contém nenhum. Portanto, não há nada com que se preocupar.

Após enxaguar o PCBA, seque-o com ar comprimido. Isso prepara a placa para envio.

Melhores práticas para montagem de PCB bem-sucedida

Para melhorar os resultados da montagem de PCB, aqui estão algumas sugestões:

Tamanho do componente: Sempre selecione o tamanho certo dos componentes para projetar PCB. Se você selecionar um tamanho menor, poderão surgir problemas na montagem, tornando o procedimento mais demorado. 

Portanto, são recomendados componentes de tamanho maior. Mesmo se você for desmontar ou soldar, remover peças maiores é muito mais fácil e rápido do que as menores. 

Pegada do componente: Antes de iniciar o processo de montagem, pense em como cada componente caberá na placa PCB. Depois de ter o projeto em mente e no papel (leia a folha de dados), projete cada componente conforme ilustrado na folha. 

Lembre-se, se a pegada não for replicada corretamente, podem surgir alguns problemas, como aquecimento desigual, fazendo com que um lado da PCB fique preso no lugar de dois. Componentes eletrônicos passivos, como resistores e capacitores, também podem ser afetados. 

Espaço entre componentes: Quando você não deixa nenhuma lacuna entre os componentes, você está criando problemas. Observe que isso pode levar ao fracasso. Quando você coloca dois componentes mais próximos, isso pode criar uma série de problemas, que podem até levar você a redesenhar ou refabricar o circuito. 

Portanto, certifique-se de que, ao usar um método de montagem automatizado, os componentes estejam bem posicionados. Mantenha-os afastados da borda, da parte mecânica e dos demais componentes. 

Há ainda outro problema de espaçamento. Espaço insuficiente entre os componentes ou rotação incorreta dos componentes também pode causar problemas no processo de soldagem por onda. Portanto, espace seus componentes com precisão.   

BOM atualizado: Sempre atualize a Lista de Materiais (BOM). Se houver um erro, os fabricantes são obrigados a identificá-lo e corrigi-lo antes de prosseguir com a montagem da PCB. Para manter tudo simplificado, atualize a lista técnica sempre que modificar o design.

Uso de fiduciários: São indicadores para máquinas PCB e têm formato redondo. Eles auxiliam o equipamento automatizado a descobrir como a placa está posicionada e como os componentes seriam colocados. 

São de dois tipos: fiduciais globais e fiduciais locais. 

  • Os fiduciais globais são posicionados nas bordas das placas de circuito impresso. Como as máquinas pick and place são projetadas para identificar a orientação, o posicionamento correto as ajudará muito.
  • Os fiduciais locais são colocados próximos aos cantos dos componentes quadrados do SMD. Um posicionamento como esse torna muito mais fácil para as máquinas encontrarem o componente. Por sua vez, ajuda a reduzir erros de posicionamento durante a montagem da PCB.

Conclusão

Existem várias maneiras de realizar a montagem de PCB. Escolha aquele que se adapta aos seus componentes e requisitos. Isto irá garantir que o produto assim fabricado está em conformidade com os padrões estabelecidos e funciona conforme pretendido. 

Então, se você estiver interessado, entre em contato com um fabricante confiável de PCB, especialmente aquele que tem experiência e conhecimento em serviços de montagem de PCB de alto ou baixo volume.

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