Espessura de PCBs para placas de 1 a 6 camadas: padrões, tabela de conversão de onças para milímetros e guia de seleção.

Saiba mais sobre a espessura das placas de circuito impresso (PCBs).

A espessura da placa de circuito impresso (PCB) refere-se à altura total da placa, da superfície superior à superfície inferior. Ela é determinada considerando a altura do substrato e de outras camadas, como o cobre, bem como outros revestimentos, como a máscara de solda e a serigrafia. A espessura da PCB é normalmente medida em milímetros ou milésimos de polegada (milésimos de polegada).

A espessura mais comum para placas de circuito impresso (PCBs) é de 1.57 mm ou 62 milésimos de polegada. Sua tolerância típica é de cerca de ±10% ou ±0.1 mm, dependendo do material e da estrutura dos componentes. A espessura de 1.57 mm tornou-se o padrão da indústria por razões históricas, quando as PCBs eram fabricadas manualmente, sem o auxílio de programas de projeto assistido por computador. Com a transição da eletrônica para a tecnologia de transistores e circuitos integrados, as placas passaram a ser projetadas utilizando técnicas de prototipagem em bancadas de madeira, sendo a madeira removida e substituída por plástico baquelite.

Embora a espessura de 1.57 mm tenha se tornado o padrão mais comum, certamente não é a única alternativa oferecida pelos fabricantes, visto que existe uma ampla gama de opções de espessura padrão disponíveis. Outros incrementos de espessura padrão geralmente aparecem como múltiplos de 1 mm ou 1.5 mm, que também estão disponíveis em formato de empilhamento (stackup) de empresas de manufatura, incluindo fabricantes de PCBs. Engenheiros de projeto mecânico que utilizam o sistema métrico acharão que as unidades redondas de múltiplos de 1 mm são uma boa escolha para projetos, já que também possuem tolerâncias familiares associadas a elas.

Certos tipos de produtos e projetos de PCBs não seguem as espessuras padrão de empilhamento. Exemplos incluem PCBs flexíveis e rígido-flexíveis, PCBs com núcleo cerâmico, PCBs com núcleo metálico ou com base metálica, PCBs com camadas dielétricas espessas no backplane, PCBs com vários dielétricos laminados sequencialmente, eletrônica impressa em tinta e PCBs fabricados por manufatura aditiva; esses tipos de produtos poderiam, teoricamente, ter qualquer espessura, desde que o material para produzi-los esteja disponível comercialmente. Na extremidade mais fina da escala estão a eletrônica impressa em tinta e os PCBs flexíveis, que normalmente usam substratos finos como material base. Na extremidade oposta da escala estão os backplanes, que frequentemente têm espessuras muito grandes, principalmente quando são usados ​​conectores de alta densidade para placas filhas.

Tabela de conversão de espessura de cobre (oz-mm)

O peso do cobre na produção de PCBs é geralmente expresso em onças. A espessura obtida ao espalhar 1 oz (ou 28.35 gramas) de cobre sobre uma área de 1 pé quadrado é de 1.37 mils ou 0.0348 mm. Essa convenção surgiu da forma como os fornecedores de folhas de cobre se referiam aos seus produtos.

A conversão entre o peso do cobre e sua espessura real segue uma relação matemática consistente para todos os valores. Aqui está a tabela de conversão mostrando a espessura do cobre em diferentes unidades de medida:

A conversão entre essas medidas requer fórmulas simples. Para converter a espessura em milésimos de polegada (mils) para peso do cobre: ​​Peso do cobre (oz) = Espessura (mils) / 1.37. Inversamente, para converter o peso do cobre em espessura em mils: Espessura (mils) = Peso do cobre (oz) × 1.37.

A maioria das placas de circuito impresso (PCBs) utiliza 1 oz de espessura de cobre como especificação padrão. Por exemplo, se você precisar determinar uma espessura de 4 oz, multiplique a espessura de 1 oz por quatro: 1.37 mil × 4 = 5.48 mils. Este método de cálculo se aplica a qualquer valor de espessura de cobre que você encontrar em seus projetos.

Espessura padrão comum de PCB

As especificações da indústria definem faixas de espessura com base no número de camadas da placa de circuito impresso (PCB). Embora 1.57 mm continue sendo amplamente utilizado independentemente do número de camadas, diferentes placas têm suas próprias faixas de espessura.

Espessura da placa de circuito impresso de camada única

Uma placa de circuito impresso (PCB) de camada única possui um número limitado de opções de materiais para o núcleo, o que restringe as possibilidades de espessura da placa. Uma PCB com espessura muito baixa terá apenas uma camada de núcleo; portanto, poderá ter no máximo duas camadas de cobre. Para a maioria das placas de circuito impresso, a espessura mínima alcançável será de 0.2 mm. No entanto, aplicações ultrafinas podem permitir a produção de placas ainda mais finas.

Espessura da placa de circuito impresso de 2 camadas

As espessuras mais comuns para placas de circuito impresso (PCBs) de duas camadas variam entre 0.6 e 1.6 mm, embora também possam ser fabricadas em opções mais espessas, como 2.0 mm e 2.4 mm. A maioria dos substratos de PCB terá uma espessura final de 1.6 mm (0.063 polegadas) para placas de 2, 4 e 6 camadas. Uma placa típica de duas camadas com espessura final de 0.062" a 0.063" possui um núcleo de 0.057" e uma folha de cobre nas camadas externas com 0.0014" de espessura cada.

Espessura da placa de circuito impresso de 4 camadas

As estruturas de quatro camadas geralmente têm espessuras entre 0.8 mm e 2.4 mm. A espessura padrão ainda é de 1.6 mm, embora 1.2 mm seja amplamente utilizada. Em uma estrutura típica de quatro camadas com 1.6 mm de espessura, a camada central pode ter entre 0.8 mm e 1.0 mm, com a espessura restante composta por duas camadas de pré-impregnado (por exemplo, 0.4 mm + 0.4 mm ou 0.3 mm + 0.3 mm). Por exemplo, uma estrutura de 0.062" pode usar um núcleo de 0.037" com duas camadas de pré-impregnado de 0.0091", ou um núcleo de 0.047" com duas camadas de pré-impregnado de 0.0075". As espessuras reais variam de acordo com o peso do cobre, a impedância e as capacidades da fábrica.

Espessura da placa de circuito impresso de 6 camadas

A espessura de uma placa de circuito impresso (PCB) de 6 camadas varia tipicamente de 0.8 mm a 3.2 mm, sendo 1.6 mm o padrão mais comum. Diferentes espessuras são adequadas para diferentes aplicações: 0.8 mm a 1.0 mm para dispositivos finos e leves, como laptops e tablets; 1.2 mm para gabinetes e módulos compactos; 1.6 mm para placas de uso geral; 2.0 mm para componentes mais pesados ​​ou que exigem maior resistência mecânica; e 2.4 mm para aplicações que requerem rigidez extra ou isolamento de alta tensão. As tolerâncias de espessura da PCB geralmente seguem os padrões da indústria: ±10% para placas com 1.0 mm ou mais de espessura e ±0.1 mm para placas com menos de 1.0 mm de espessura. Embora placas mais finas utilizem menos material, nem sempre custam menos. Placas extremamente finas (por exemplo, abaixo de 0.8 mm) exigem um controle de processo mais rigoroso e apresentam maiores taxas de refugo, o que pode aumentar o custo. No entanto, espessuras comuns como 1.0 mm e 1.2 mm geralmente têm o mesmo preço que a espessura padrão de 1.6 mm.

Importância da espessura da placa de circuito impresso

A escolha da espessura adequada afeta diversas dimensões do projeto, além das considerações mecânicas básicas. As opções de espessura que você selecionar impactam variáveis ​​elétricas, térmicas e de produção.

Desempenho dos dispositivos

A integridade do sinal também se torna cada vez mais sensível à espessura quando se trabalha com altas velocidades. Placas espessas garantem um espaçamento maior entre as camadas e impactam o gerenciamento da impedância. A necessidade de uma impedância uniforme, geralmente de 50 ohms, ao trabalhar com altas velocidades é importante para evitar ondas refletidas e corrupção de dados. A incompatibilidade de impedância resulta de mudanças na espessura do dielétrico, levando à distorção do sinal.

As propriedades relacionadas à estabilidade mecânica variam drasticamente de acordo com a espessura. O aumento da espessura em placas de circuito impresso (PCBs) melhora a resistência estrutural das placas, e essa característica torna essas placas ideais para a fabricação de placas maiores, com conexões que exigem inserções constantes e condições operacionais extremas, comuns nas indústrias automotiva, industrial e aeroespacial. PCBs finas oferecem maior flexibilidade e menor peso, sendo utilizadas na fabricação de dispositivos pequenos e placas flexíveis/rígidas. Embora uma espessura de 1.6 mm ofereça estabilidade contra flexão, placas finas podem rachar facilmente sem proteção.

Processo de fabricação

As placas de circuito impresso (PCBs) padrão de 1.6 mm de espessura ainda são as mais baratas e rápidas de fabricar; PCBs com espessuras personalizadas aumentam o custo e o tempo de produção. Placas de circuito impresso mais espessas exigem ferramentas mais precisas para perfurar os furos para vias e furos passantes. Espessuras não uniformes dos painéis ou valores fora das tolerâncias esperadas criarão pressão não uniforme nas placas durante a laminação, levando à separação das lâminas ou à má adesão entre as camadas. Os perfis de soldagem por refluxo devem ser ajustados para as diferenças de espessura entre as placas de circuito impresso; por exemplo, as condições de refluxo para uma placa de circuito impresso de 2.0 mm de espessura exigirão um período de pré-aquecimento mais longo do que as de uma placa de circuito impresso de 1.0 mm de espessura.

dissipação de calor

Placas mais espessas dissipam mais calor, beneficiando aplicações de eletrônica de potência. Uma placa de 2.0 mm de espessura pode reduzir a temperatura dos componentes em comparação com alternativas mais finas, considerando que outros fatores permaneçam constantes. A espessura do cobre está diretamente relacionada ao desempenho térmico. Aumentar a espessura da camada interna de cobre de 1 oz para 2 oz pode reduzir o aumento de temperatura de 50 °C para 30-35 °C acima da temperatura ambiente em componentes que dissipam potência.

Características e aplicações de diferentes espessuras de PCB

Diferentes categorias de espessura atendem a requisitos de aplicação distintos, com base em restrições de espaço, demandas de energia e condições ambientais.

Placa de circuito impresso ultrafina

Placas ultrafinas são fabricadas com uma espessura de 0.2 a 0.4 mm, utilizando materiais flexíveis como poliimidas. Como resultado, garantem o mais alto nível de flexibilidade possível. Placas ultrafinas são ideais para uso em dispositivos vestíveis, dispositivos médicos e microeletrônica, pois ocupam uma área mínima. Algumas placas têm apenas 0.1 mm de espessura. Smartphones, tablets e dispositivos vestíveis se beneficiarão das placas ultrafinas, pois economizam espaço e tornam os dispositivos mais leves. Por exemplo, em smartwatches, as placas têm 0.4 mm de espessura. Da mesma forma, dispositivos médicos e de diagnóstico utilizam placas finas para a fabricação de cateteres, marca-passos e endoscópios. No entanto, as placas finas podem ser vulneráveis ​​à pressão de flexão.

PCBs finos de gama média

Espessuras intermediárias de 1.0 mm a 1.2 mm são adequadas para aplicações que exigem durabilidade moderada e de 4 a 6 camadas. Dispositivos industriais de controle e comunicação frequentemente utilizam essas placas. Elas oferecem maior estabilidade mecânica em comparação com opções mais finas, mantendo uma compactação razoável.

PCBs mais espessos

As placas de circuito impresso (PCBs) de cobre espesso apresentam uma espessura de cobre que varia de 100 a 500 μm ou mais, definidas como placas com espessura de cobre de 70 μm (2 oz) ou mais. Essas placas se destacam em sistemas de gerenciamento de baterias automotivas, conversores de energia, inversores, aviônica aeroespacial, inversores solares e automação industrial. Sua alta capacidade de corrente e dissipação de calor eficiente as tornam adequadas para sistemas de energia renovável e computação de alto desempenho em data centers.  

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Principais fatores que afetam a espessura da placa de circuito impresso (PCB)

Diversas variáveis ​​de engenharia se combinam para determinar as dimensões finais da placa. Compreender como cada componente contribui ajuda você a tomar decisões de projeto mais assertivas.

Configuração de empilhamento de camadas

A arquitetura de empilhamento determina como os núcleos, as camadas de cobre e o pré-impregnado serão montados. Entre os dois designs, o assimétrico de 4 camadas e o simétrico, a diferença tanto na espessura da placa quanto na estabilidade pode ser bastante significativa.

Número da camada

Camadas adicionais aumentam as dimensões gerais. Cada camada adicional requer material extra no núcleo ou pré-impregnado, aumentando diretamente a espessura total. A transição de 2 para 4 camadas normalmente adiciona de 0.4 mm a 0.8 mm.

espessura do substrato

O material do núcleo forma a base da sua placa. Os substratos FR-4 vêm em espessuras específicas, com cada fabricante oferecendo opções que limitam as suas escolhas de espessura.

Espessura do pré-impregnado

Quando laminadas, as camadas de pré-impregnado auxiliam na colagem dos núcleos. Os pré-impregnados são oferecidos em diversas espessuras, o que permite ajustar com precisão o espaçamento entre as camadas de cobre, controlando assim a impedância.

Espessura da máscara de solda

A máscara de solda geralmente adiciona de 0.5 a 1.0 milésimos de polegada (mils) em cada lado. Embora essa quantidade seja muito pequena, trata-se de um revestimento que contribui para as dimensões finais, portanto, precisa ser incluída no cálculo das tolerâncias.

Espessura de cobre PCB

O peso do cobre afeta as dimensões gerais. O cobre padrão de 1 oz adiciona 1.37 mils por camada, enquanto o cobre de 2 oz dobra essa contribuição, impactando a espessura total de acordo.

Requisitos de sinal e impedância

A operação de sinais de alta velocidade exigirá um espaçamento específico entre as camadas dielétricas para manter o valor mínimo de impedância especificado por cada camada de sinal. Frequentemente, o espaçamento mínimo necessário entre a área do sinal e os planos de referência será ditado por esses requisitos.

Ambiente de trabalho

Características mecânicas robustas são frequentemente associadas a uma maior espessura do material devido à necessidade de suportar um ambiente hostil, enquanto os dispositivos eletrônicos portáteis exigem materiais mais finos para reduzir o peso e otimizar o espaço.

Restrições específicas do projeto

No entanto, certos projetos de PCB apresentam suas próprias restrições, que afetam a escolha da espessura. Restrições como a altura dos componentes utilizados, conectores e o tipo de via (cega, enterrada, etc.) podem limitar a gama de espessuras possíveis. Além disso, certos projetos que exigem maior densidade de componentes podem necessitar de PCBs mais finas, enquanto aqueles com componentes volumosos precisarão de PCBs mais espessas.

Desafios na espessura da placa de circuito impresso

A fabricação de placas fora das especificações de tolerância cria problemas que vão além de simples erros dimensionais. Empenamento e implicações de custo representam os principais obstáculos enfrentados por projetistas e fabricantes.

Problemas de empenamento

A deformação refere-se ao encurvamento e torção das placas em relação à sua forma reta natural. A principal causa das tensões térmicas desenvolvidas durante diversas atividades de produção, como soldagem e cura, são as diferentes taxas de expansão dos materiais. No caso da soldagem por refluxo realizada a 260 °C, a diferença nos materiais utilizados para os substratos FR-4 cria tensões internas devido às diferentes taxas de expansão. O desequilíbrio na quantidade de cobre também pode levar a uma maior deformação, já que o lado com maior quantidade de cobre apresenta taxas de expansão diferentes.

Qualquer tipo de empenamento afeta o processo de produção de forma significativa. Mesmo que haja um empenamento de apenas 0.1 mm em uma placa de 100 mm de largura, as juntas de solda serão difíceis de fazer e os componentes não poderão ser montados corretamente. No caso de componentes BGA, qualquer empenamento superior a 0.75% da diagonal da placa resulta em defeitos de montagem. As máquinas automatizadas de pick-and-place precisam de superfícies planas e, portanto, qualquer empenamento leva ao desalinhamento dos componentes.

Tolerância e custos ocultos

O desvio da tolerância de espessura exigida resulta em altos custos financeiros. A não conformidade em termos de qualidade leva ao aumento dos custos de mão de obra e material. Se 100 unidades forem produzidas a US$ 500 e metade for rejeitada devido à tolerância, o custo de produção de cada unidade efetivamente dobra. A não conformidade pode causar atrasos na linha de produção em setores como o automotivo ou aeroespacial, resultando em multas. Projetos que inicialmente custariam US$ 10,000 podem acabar custando US$ 15,000.

Ignorar as tolerâncias resultará em menor rendimento. O rendimento em um processo de produção normal geralmente gira em torno de 95%, enquanto ignorar as tolerâncias pode reduzi-lo para até 80%. Por exemplo, em projetos que envolvem a produção de 1,000 unidades, uma redução de 15% no rendimento resultaria em uma redução de 150 peças.

Como escolher a espessura adequada da placa de circuito impresso (PCB)

Equilibrar requisitos de projeto conflitantes exige um processo de seleção metódico. Seguir uma abordagem estruturada garante que a escolha da espessura atenda tanto aos objetivos de desempenho quanto às realidades de fabricação.

Defina as necessidades de aplicação e desempenho.

Primeiramente, determine as especificações de desempenho, aplicação e carga necessárias para os componentes da sua placa. Para eletrônicos de consumo, uma espessura de 1.6 mm seria mais adequada, pois oferece um bom equilíbrio entre eficiência de fabricação e durabilidade. Aplicações de alta potência exigem cobre mais espesso, como 2 oz ou mais, para garantir uma dissipação de calor eficaz. Por outro lado, aplicações de alta frequência requerem PCBs finos para aumentar a velocidade e reduzir a perda de transmissão.

Avaliar as especificações dos componentes e da montagem

Os conectores de borda da placa exigem uma espessura específica para determinados modelos. O conector em si não influencia significativamente o layout, mas os ajustes devem levar em conta as alterações na própria placa. Verifique a compatibilidade com os equipamentos de montagem automatizados, pois algumas linhas de produção têm restrições quanto à espessura da placa.

Avaliar a integridade e a impedância do sinal

A espessura da placa de circuito impresso (PCB) pode afetar a impedância das trilhas, um fator importante em projetos de alta velocidade (ou de radiofrequência). O material dielétrico pode ajudar a melhorar a integridade do sinal, mas um dielétrico mais espesso exigirá trilhas mais largas para manter a impedância controlada.

Análise de viabilidade de fabricação e padrões

Espessuras típicas, como 1.0 mm e 1.6 mm, são processadas sem dificuldade pela maioria das fábricas. No entanto, placas ultrafinas com menos de 0.40 mm e placas extragrossas com mais de 2.0 mm podem exigir maquinário especializado. Assim, 1.60 mm é a opção mais econômica, pois é amplamente disponível e pode ser produzida em uma linha de produção eficiente.

Otimizar custos e prazos de entrega

Espessuras padrão exigem prazos de entrega mais curtos, pois o material está prontamente disponível. Espessuras não padrão resultam em custos mais elevados para o material e podem até mesmo acarretar custos de preparação. É aconselhável manter espessuras padrão para evitar despesas desnecessárias.

Conclusão

A escolha da espessura da placa de circuito impresso (PCB) influencia todos os aspectos do processo de projeto, incluindo desempenho de sinal, desempenho térmico, custos de fabricação e eficiência de montagem. Como vimos acima, uma espessura de 1.6 mm é suficiente para a maioria das aplicações, além de oferecer flexibilidade quando outras condições exigirem. A escolha da espessura da PCB deve sempre levar em consideração o equilíbrio entre os critérios de desempenho e os de fabricação. Fatores como o ambiente da aplicação, os tipos de componentes e os requisitos de impedância precisam ser considerados. Para aplicações de alta potência, camadas de cobre mais espessas funcionam bem, enquanto placas mais finas são preferíveis em dispositivos com restrições de espaço.

Perguntas Frequentes

Qual é a espessura padrão do PCB?

A espessura mais utilizada para substratos FR-4 é de 1.6 mm (cerca de 62 milésimos de polegada). O uso dessa especificação é bastante comum em eletrônicos de consumo, tecnologias para casas inteligentes e sistemas de controle em indústrias.

Quando devo escolher uma placa de circuito impresso ultrafina com menos de 0.6 mm de espessura?

As placas de circuito ultrafinas podem ser usadas onde há restrições de espaço ou peso, como em smartphones, tablets, wearables, laptops, drones e robótica. Mas a desvantagem é que elas não oferecem muita resistência mecânica para suportar componentes pesados.

A espessura da placa de circuito impresso (PCB) afeta o custo?

Sim, o aumento da espessura da placa de circuito impresso geralmente aumenta o custo devido ao maior uso de material e à complexidade de fabricação.

Posso escolher livremente uma espessura não padrão?

Espessuras não padronizadas exigem configurações de camadas personalizadas, o que pode diminuir o rendimento e aumentar os custos. É sempre recomendável verificar a viabilidade de fabricação com o fabricante da placa de circuito impresso antes de especificar qualquer espessura.

Qual é a tolerância típica para a espessura da placa de circuito impresso (PCB)?

A tolerância permitida pela maioria dos fabricantes de PCBs para espessuras padrão é de ±10%. Se a espessura for extremamente fina (<0.6 mm), a tolerância permitida será de aproximadamente ±0.075 mm.

Qual a espessura que devo escolher para os conectores de borda?

Uma espessura de 1.57 a 1.6 mm é normalmente recomendada, a menos que especificado de outra forma na folha de dados do conector, pois garante contato adequado e bom desempenho de inserção.