Gravação de PCB: como gravar uma placa de PCB

Transformar o laminado revestido de cobre de uma placa de circuito impresso em branco em um circuito eletrônico funcional envolve a remoção cuidadosa do cobre indesejado, deixando apenas os traços e pads condutores desejados. Esta etapa vital da fabricação é conhecida como gravação de PCB ou gravação de placa de circuito. Ela representa um momento crucial durante a fabricação da placa, traduzindo o layout do PCB em forma física. 

Enquanto os fabricantes industriais dependem de equipamentos complexos de gravação química, os amadores podem gravar placas simples em casa usando materiais baratos. 

Este guia abrangente aborda tudo relacionado à gravação de placas de circuito impresso (PCB) - a essência da conversão de uma placa inerte na estrutura de fiação de um dispositivo eletrônico. 

Nos próximos minutos, discutiremos vários métodos de gravação de PCB, procedimentos, etapas do fluxo de fabricação, medidas de segurança ao manusear produtos químicos e dicas para solucionar problemas comuns de gravação. 

Certo, vamos começar, certo? 

O que é gravação de PCB

A gravação de PCB refere-se ao processo de remoção seletiva de cobre do laminado para deixar apenas o padrão condutor desejado de trilhas e pads. Ela converte a placa revestida de cobre bruto em uma placa de circuito impresso funcional. 

A gravação funciona usando produtos químicos para dissolver folhas de cobre indesejadas, ao mesmo tempo em que mascara as áreas que permanecem intactas.

A técnica de gravação mais comum utiliza a fotolitografia. Uma fotorresistência sensível à luz ultravioleta é aplicada na camada de PCB antes de usar um filme fotográfico com o layout de circuito necessário.
 
A exposição à luz reticula e endurece a resina, enquanto as áreas não expostas permanecem solúveis. O desenvolvimento químico remove essas regiões solúveis, deixando uma camada protetora de resina que protege as características de cobre pretendidas.

Em seguida, a PCB é submetida à corrosão por agentes corrosivos líquidos, como cloreto férrico ou persulfato de amônio, que removem todo o cobre exposto. Por fim, a remoção da máscara fotorresistente restante expõe o padrão condutor desejado, que corresponde ao layout original do circuito. 

A placa gravada pode então passar por perfuração, galvanoplastia, aplicação de máscara de solda e outras etapas de fabricação. Isso significa que a gravação ajuda a transformar a folha de cobre na estrutura da fiação do circuito.

Tipos de gravação de PCB

Existem duas categorias principais de processos de gravação de PCB: gravação úmida e gravação seca. Você precisa entender que ambos os métodos têm vantagens e desvantagens. 

Agora, a escolha da técnica de gravação correta depende do tipo de PCB, da resolução e largura de linha desejadas, da compatibilidade com os materiais, do custo e de considerações ambientais.

Gravura úmida

A gravação úmida envolve a imersão da placa de circuito impresso (PCB) laminada revestida de cobre em uma solução química de corrosão que corrói o cobre indesejado, deixando apenas os traços e as camadas protegidas. É um processo barato, comumente usado para a produção de PCBs em larga escala. 

Os dois principais tipos de soluções de gravação úmida são ácidas e alcalinas.

1. Gravação ácida

Na corrosão ácida, o cloreto férrico (FeCl3) é o agente de corrosão mais popular, utilizado na indústria e em ambientes amadores. Ele dissolve o cobre de forma agressiva e isotrópica, o que significa que ele corroe uniformemente em todas as direções. Isso o torna ideal para a corrosão de contornos complexos e camadas internas de PCBs.

Outras soluções ácidas incluem persulfato de amônio, peróxido de hidrogênio/ácido sulfúrico e cloreto de cobre. Sua corrosão isotrópica proporciona alto controle de rebaixos, mas pode resultar em afinamento da trilha se não for monitorada de perto. Uma grande desvantagem dos agentes de corrosão ácidos é sua toxicidade ambiental, exigindo descarte adequado.

2. Gravação alcalina

Cortantes alcalinos, como persulfato de sódio e hidróxido de amônio, atacam o cobre anisotropicamente, ou seja, paredes laterais verticais são formadas para transferência precisa do padrão. Isso permite uma definição mais precisa das características em até 25 μm de largura e espaçamento de linha. Soluções alcalinas atacam mais lentamente, mas proporcionam melhor controle da corrosão.

Como a química alcalina ataca em uma direção, frequentemente é necessária agitação por borbulhamento de ar para uma corrosão uniforme em toda a placa. Os agentes de corrosão alcalinos são menos tóxicos do que os ácidos. Uma lavagem neutralizante após a corrosão prepara a placa de circuito impresso para os processos de mascaramento de solda e galvanoplastia.

Portanto, a gravação química úmida gera resíduos perigosos, mas permite a gravação eficaz de finas camadas de cobre de até 1 g. Ela oferece um processo mais simples em comparação com a gravação a seco para placas de circuito.

Gravura a Seco

A gravação a seco usa plasma gasoso ou ablação a laser para remover cobre em vez de agentes de gravação líquidos. 

Ela oferece precisão e eficiência superiores à gravação úmida tradicional, o que a torna adequada para PCBs HDI que exigem geometrias finas. 

No entanto, as máscaras padronizadas e os equipamentos envolvidos tornam a gravação a seco muito mais cara.

1. Gravura de plasma

Na gravação a plasma, o laminado revestido de cobre é colocado em uma câmara de vácuo inundada com plasma de descarga luminescente. Quando os íons reativos do gás de plasma atingem o substrato, eles atacam quimicamente as regiões de cobre expostas.

A gravação a plasma pode utilizar gases à base de oxigênio, dióxido de enxofre, cloro ou flúor. O plasma permite uma gravação altamente anisotrópica para a criação de paredes laterais verticais. Ao controlar parâmetros como potência, pressão e duração, é possível obter uma resolução de gravação inferior a dez μm.

A principal desvantagem é que o plasma pode danificar as máscaras fotorresistentes, limitando a flexibilidade do processo em comparação à corrosão úmida. Sistemas complexos de tratamento de gases residuais também são necessários para filtrar subprodutos tóxicos.

2. Gravação a laser

A ablação a laser oferece um método sem máscara para a padronização direta do cobre, utilizando um feixe de laser altamente focalizado. O laser intenso aquece localmente a camada de cobre para vaporizar partes dela de forma limpa.

Movimentos precisos do sistema de laser permitem a gravação de linhas retas e furos de até 25 μm, quando necessário. O processo causa danos mínimos à superfície, evitando fluxos de resíduos líquidos.

No entanto, a gravação serial a laser é mais lenta em comparação aos processos fotolitográficos paralelos. Os sistemas a laser são complexos e a ablação zona por zona pode levar à corrosão irregular da placa de circuito. A exposição térmica também pode induzir microfissuras nas camadas dielétricas.

Portanto, embora a gravação a seco prometa excelente qualidade de gravação, ela exige um investimento de capital significativo. A gravação química úmida continua sendo a opção mais viável para as necessidades diárias de prototipagem e produção de PCBs. 

E, claro, métodos híbridos combinando gravação úmida e seca podem fornecer a flexibilidade e a precisão necessárias para a eletrônica do futuro.

Em que estágio a gravação de PCB ocorre durante a fabricação de PCB?

A gravação de PCB é a etapa crítica que transfere fisicamente o layout do circuito para a camada de cobre, removendo quimicamente as regiões de cobre indesejadas. Ela ocorre após a transferência do padrão fotolitográfico, mas antes do acabamento final.

A jornada do design do PCB até a placa finalizada envolve mais de uma dúzia de sequências de fabricação. As etapas que levam à gravação da placa de circuito são:

● projeto: Os engenheiros criam o layout do PCB no software CAD, especificando caminhos do circuito, componentes, tamanhos de furos, etc.
● Geração de Filme: A saída CAD é usada para criar um filme de fotomáscara de alta resolução, definindo o layout em padrões opacos e claros.
● Preparação do Substrato: A placa de circuito impresso laminada revestida de cobre é usinada na espessura adequada e perfurada para vias.
● Tratamento de superfície: O painel PCB passa por limpeza, granulação e outros tratamentos de superfície para melhorar a adesão do fotorresistente.
● Aplicação fotorresistente: Um material resistente de polímero sensível à luz é uniformemente revestido no substrato por meio de pulverização ou revestimento por rolo.
● Pré-exposição ao forno: O PCB é cozido para remover qualquer umidade ou solvente do revestimento fotorresistente líquido.
● Exposição: O filme de layout é alinhado precisamente à placa de circuito impresso e exposto à luz ultravioleta intensa. A luz endurece ou amolece seletivamente a resina.
● Em desenvolvimento: Com base no fotorresiste positivo ou negativo utilizado, as áreas expostas ou não expostas são dissolvidas pela solução reveladora.

Neste ponto, canais e camadas de cobre exposto são revelados na placa de circuito impresso, enquanto a fotorresistência ainda protege partes da superfície. A gravação da placa de circuito impresso pode então ser realizada para remover o cobre exposto.

As etapas pós-gravação incluem:

● Decapagem de fotorresistência: O revestimento residual é removido por meio de decapagem química, deixando um layout de circuito de cobre imaculado.
● Revestimento de camada condutora: Furos/vias de interconexão são revestidos para formar caminhos condutores entre as camadas.
● Revestimento de máscara de solda: As áreas de montagem são mascaradas para proteção contra pontes de solda e corrosão ambiental.
● Impressão de legenda: Os contornos, rótulos e marcadores dos componentes são impressos em serigrafia para auxiliar na montagem do PCB.

Portanto, a gravação da placa de circuito é a etapa crucial para transferir o layout do circuito desejado para a camada de cobre condutor, removendo com precisão o excesso de cobre. Ela ocorre após a transferência fotolitográfica, mas antes do acabamento final da placa de circuito impresso.

Como gravar uma placa PCB (gravação de placa de circuito DIY)

A gravação permite transferir um layout de circuito para a camada de cobre de uma placa de circuito impresso (PCB) removendo seletivamente regiões de cobre indesejadas não protegidas por uma resina de gravação. 

Embora a gravação comercial de PCB use equipamento fotolitográfico complexo, a gravação caseira também pode produzir placas de qualidade por meio de técnicas simples. 

Siga estas etapas principais para gravar uma placa PCB:

Etapa 1: Projetar o layout do circuito 

Crie o layout das trilhas da placa de circuito impresso desenhando manualmente ou usando softwares de EDA como Eagle, KiCad ou Fritzing. Planeje os tamanhos das pastilhas, larguras das trilhas, tamanhos dos furos, etc., conforme as necessidades do circuito. Gere arquivos Gerber para a fabricação da placa.

Etapa 2: Padrão de layout de impressão 

Para o método de transferência de toner, imprima o layout em uma folha de transparência para impressora a laser. Para gravação fotoquímica, imprima em uma fotomáscara de filme de alta resolução. Alinhe o lado da emulsão do filme voltado para baixo sobre o cobre para transferir o padrão posteriormente.

Etapa 3: Preparar laminado revestido de cobre

Escolha um revestimento de cobre reforçado com fibra de vidro com dimensões apropriadas, variando de 1⁄4 oz a 2 oz de cobre. Esfregue a folha de cobre levemente com palha de aço ou lixa fina para remover a oxidação e, em seguida, limpe-a com álcool isopropílico. Como alternativa, aplique uma solução de estanhagem líquida para revestir o cobre exposto.

Etapa 4: Transfira o layout para o cobre 

Para transferência de toner, fixe a transparência com o lado do toner voltado para baixo sobre a folha de cobre limpa, usando páginas de revista para distribuir a pressão. Passe o ferro de passar roupa na potência máxima por 3 a 5 minutos e, em seguida, retire a transparência. Para gravação fotoquímica, use um aparelho de exposição UV.

Etapa 5: Placa de gravação em cloreto férrico 

Misture o decapante de cloreto férrico conforme a ficha técnica do fabricante e mergulhe a placa no tanque de decapagem com agitação. O tempo necessário varia de 30 a 60 minutos para a remoção completa do cobre das áreas expostas, deixando apenas vestígios de toner ou resina protegida por UV.

Passo 6: Enxágue e Seque 

Retire a placa do banho de corrosão por exaustão e enxágue bem os resíduos químicos em água corrente. Seque com um pano absorvente ou em condições ambientais. Inspecione visualmente para verificar se a corrosão do cobre está completa.

Etapa 7: Perfurar Furos 

Se o projeto tiver furos ou vias, use uma furadeira de broca pequena para fazer furos nas interseções marcadas. Rebarbe os furos completamente.

Etapa 8: Remova a resistência 

Use bolas de algodão embebidas em acetona para remover os resíduos de resina seca do toner ou da fotorresistência, o que revela o padrão de cobre finalizado necessário para instalar os componentes.

A placa nua gravada serve como base para adicionar almofadas, furos revestidos, máscaras de solda e impressão serigráfica, transformando-a em um conjunto de PCB funcional.

Embora a gravação química caseira leve tempo, ela proporciona um processo barato de prototipagem de placa de circuito "faça você mesmo" antes de investir na fabricação de PCB em grande volume para dar vida às ideias do produto. 

Com a prática, placas de circuito impresso de alta fidelidade podem ser gravadas em casa. Entender os passos descritos acima deve ajudá-lo a ajustar os parâmetros para melhorar a transferência do layout e otimizar a qualidade da gravação.

Aqui está um guia completo sobre gravação de PCB "faça você mesmo" em casa:

Problemas comuns encontrados na gravação de PCB

Embora a gravação de PCB permita a transferência de padrões de layout para a camada de cobre, vários defeitos de processamento podem ocorrer, levando a falhas de gravação. 
Entender o que pode dar errado ajuda a solucionar problemas e otimizar o processo de gravação. 

Então, aqui estão sete problemas comuns que você pode encontrar durante o processo de gravação de placa de circuito:

Subcotação 

Isso se refere à corrosão lateral excessiva devido ao comportamento de corrosão isotrópico. Isso causa traços mais estreitos e baixa resolução. O uso de agentes de corrosão alcalinos, controle de agitação e tempo ideal reduz a corrosão.

Sobrecorte 

Quando a solução de corrosão aplicada é muito forte ou o tempo de corrosão é muito longo, ela ataca a camada de resina, levando a defeitos de corrosão na placa de circuito impresso que ultrapassam os limites do padrão. O monitoramento das taxas de corrosão e a inspeção visual garantem o ponto final ideal sem cortes excessivos.

Pontuações e furos 

Superfícies ásperas de cobre com amassados, arranhões ou impurezas sofrem corrosão mais rapidamente, resultando em cobre corroído com furos após a corrosão. A preparação adequada da superfície da placa de circuito impresso (PCB) por meio de desmoldagem e escovação metálica minimiza a corrosão irregular.

Entalhe de cobre 

O entalhe ocorre quando as substâncias residuais deixadas pelo desenvolvimento do resistor são gravadas mais rapidamente do que o cobre, criando entalhes e vazios ao longo das bordas dos traços. O desenvolvimento completo para remover os resíduos evita o entalhe.

Traços quebrados

Tensões mecânicas ou de manuseio podem destacar traços finos de cobre após a corrosão. Da mesma forma, furos ou cortes na camada de resina expõem o cobre à corrosão prematura. O manuseio cuidadoso e a aplicação impecável da resina mantêm os traços intactos.

Tenda

Quando duas áreas de cobre estão muito próximas, o material de resina frequentemente forma uma ponte entre elas. Durante a corrosão, o cobre fica preso sob a "tenda" da resina, levando a potenciais curtos-circuitos. Exposições adequadas criam aberturas limpas.

Inícios falsos e conexões de pad ausentes

Transferência incompleta ou bicos obstruídos resultam em pontos faltantes de revestimento de resina. Isso deixa o cobre exposto prematuramente, criando quebras nos traços ou pontos isolados após a corrosão. O refinamento do processo de revestimento melhora a eficiência da transferência.

A causa específica por trás dos defeitos de corrosão pode ser identificada com a observação e análise de placas reais. Ajustar parâmetros relevantes como adesão da resina, profundidade de exposição, concentração do agente de corrosão e agitação ajuda a superar problemas e a obter resultados de corrosão de PCB de melhor qualidade.

Precauções de segurança ao gravar uma placa de circuito impresso (PCB) em casa

A gravação de PCBs exige o uso de produtos químicos agressivos, como cloreto férrico, ácido clorídrico ou persulfato de sódio. Sem precauções adequadas, os vapores ácidos e os riscos de contato com a pele podem causar problemas de saúde rapidamente. 

Você deve seguir estas dicas de segurança para gravação "faça você mesmo":

1. Trabalhe em uma área ventilada, utilizando um exaustor com ventilador para remover os vapores dos produtos químicos de corrosão presentes no ar. Isso evita irritação respiratória. EPIs adequados, como um respirador para gases ácidos, oferecem proteção adicional às vias aéreas.

2. Use luvas de nitrila para cobrir completamente as mãos. Determine a compatibilidade das luvas, pois as de vinil se degradam rapidamente em soluções de corrosão. Óculos de proteção protegem os olhos de respingos, enquanto um avental protege o corpo e as roupas.

3. Grave em um tanque grande não metálico em vez de tigelas pequenas, que facilmente transbordam. Coloque o tanque dentro de uma cuba plástica maior para conter respingos. Posicione-o sobre uma bancada à prova de ácido ou piso de concreto para maior estabilidade.

4. Prepare uma solução de bicarbonato de sódio ou bórax diluído por perto para neutralizar rapidamente qualquer derramamento de ácido na pele ou superfícies. Mantenha também um lava-olhos de emergência à mão.

5. Ao misturar concentrados de pó ácido, adicione o pó à água, e não o contrário. Isso evita reações violentas com respingos.

6. Armazene os produtos químicos usados ​​para corrosão, devidamente etiquetados, em recipientes plásticos lacrados para descarte adequado de resíduos químicos e para evitar contaminação ambiental. Além disso, pratique boas práticas de higiene, lavando as mãos após o trabalho e evitando comer ou beber nas proximidades. 

Com precauções de manuseio responsáveis, a gravação de PCB pode ser feita com relativa segurança, mesmo em ambientes domésticos feitos por você mesmo.

Conclusão 

A gravação de PCB é a etapa crítica da fabricação que remove o cobre indesejado para transferir o layout para a placa por dissolução química.
Como apontamos anteriormente, dois métodos principais de gravação são a gravação úmida, usando soluções ácidas ou alcalinas, e a gravação seca, com plasma/laser. 

A gravação em placas de circuito ocorre após as etapas iniciais de transferência de padrões, como transferência de toner ou fotolitografia. Alguns problemas comuns que podem surgir aqui são o corte de traços quebrados com base nos parâmetros de gravação, falhas de manuseio ou problemas de adesão. 

Mas, com as precauções certas, até mesmo a gravação caseira com produtos químicos simples produz resultados decentes. Você precisa entender os mecanismos de gravação, a otimização do processo e a solução de problemas, pois isso permite que a gravação transforme placas em branco de forma eficaz em circuitos funcionais para eletrônicos.

Na PCBasic, oferecemos serviços profissionais e de alta qualidade de gravação e fabricação de PCB na China, facilitando a rápida prototipagem e produção. 

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