Comparando Design Flexível Estático e Dinâmico: Raio de Dobra de PCB Rígido-Flexível e Outras Considerações Mecânicas

Goste ou não, as PCBs flexíveis e rígido-flexíveis vieram para ficar, e a eletrônica progressivamente mais flexível está saindo da fase de pesquisa e entrando na indústria. As PCBs flexíveis agora são usadas para muito mais do que apenas alimentar um motor no seu disco rígido magnético. Qualquer dispositivo que contenha um elemento dobrável ou deslizante provavelmente inclui uma PCB flexível dinâmica.

Com o crescimento do mercado de PCBs flexíveis alcançando dezenas de bilhões, os designers de PCB têm todo o incentivo para aprender o máximo que puderem sobre o design de PCBs flexíveis estáticas e dinâmicas. O próximo produto da sua empresa ou um redesenho de um produto existente pode depender disso.

PCBs Flexíveis Estáticas vs. Dinâmicas

Qualquer PCB flexível está relacionada a uma PCB rígido-flexível no sentido de que usam os mesmos materiais para a camada flexível. Em vez de ter seções rígidas com núcleo de poliimida cercado por cobre e prepreg, uma PCB flexível é construída inteiramente de um material flexível. Poliimida é tipicamente usada, pois é facilmente adaptável aos processos de fabricação rígido-flex e é relativamente barata, embora materiais poliméricos como o nafitalato de polietileno (PEN), politetrafluoretileno (PTFE) e Aramida também possam ser usados para fitas flexíveis.

As PCBs flexíveis podem ser projetadas como PCBs dinâmicas ou estáticas. Projetar qualquer tipo de PCB flexível é tanto um exercício mecânico quanto elétrico. Softwares de design de PCB com recursos de colaboração ECAD/MCAD são ótimos para projetar qualquer tipo de PCB flexível. Ao planejar um empilhamento e posicionar trilhas em PCBs flexíveis, a seção dobrada da placa deve ser tratada como uma placa retangular dobrada durante a análise mecânica. Isso é vital para determinar a espessura de trilha correta a fim de prevenir rachaduras e falhas.

Se você está projetando uma PCB flexível estática ou dinâmica, um empilhamento flexível geral mais espesso requer um raio de dobra maior. Isso reduz a quantidade de tensão de tração e compressão de se concentrar ao longo da dobra enquanto forma a PCB no ângulo desejado. Colocar um raio de dobra menor em uma PCB mais espessa pode fazer com que a cobertura se acumule na camada superficial interna da dobra. Isso, então, coloca mais tensão de cisalhamento compressivo nas trilhas que estão dentro do eixo neutro de dobra. Se você deseja reduzir a espessura total, existem coberturas flexíveis disponíveis que não requerem um adesivo.

PCBs Flexíveis Estáticas: Considerações de Fabricação

Uma vez que uma PCB flexível estática é fabricada, ela geralmente é dobrada durante a montagem até o raio de curvatura desejado e ângulo de dobra com uma ferramenta de formação compressiva. Esta ferramenta atua como um torno, e ferramentas de formação personalizadas podem ser usadas para colocar múltiplas dobras em uma única fita flexível simultaneamente.

As PCBs flexíveis estáticas são tipicamente sobreformadas além do ponto de rendimento, significando que são dobradas além do seu raio de dobra pretendido para garantir alguma deformação plástica durante a formação. Isso impede que a PCB flexível relaxe de volta à sua forma original uma vez que é removida da ferramenta de formação. Quando o raio de dobra estático e o ângulo são especificados em uma PCB estática, você deve realmente planejar ter uma margem de segurança na espessura do seu traçado para evitar rachaduras finas e falhas durante a sobreformação.

Fita flexível estática para um dispositivo médico, como apresentado em Electronics Weekly.

A intuição pode dizer que os traçados deveriam ser mais espessos para suportar o estresse necessário durante a sobreformação, mas a intuição nem sempre está correta. Simplesmente, quanto mais espesso o circuito, menos ele pode flexionar sem danos. PCBs flexíveis mais espessas exigirão maior sobreformação para se conformarem ao raio de dobra e ângulo desejados. Isso coloca ainda mais estresse nos traçados durante a formação.

Assim como uma placa retangular dobrada, haverá um eixo neutro de dobramento ao longo da placa flexionada, que define uma curva ao longo da qual não há tensão de tração ou compressão longitudinal. Trilhas mais finas podem suportar maior tensão de compressão do que tensão de tração, então trilhas mais finas podem ser colocadas dentro do eixo neutro de dobramento. A mudança no eixo neutro de dobramento dependerá do raio de dobramento. Uma boa regra prática para o raio mínimo de dobramento é usar a seguinte equação:

Se a montagem e a espessura da trilha forem escolhidas adequadamente, seguir esta regra garantirá que o eixo neutro de dobramento não se desloque apreciavelmente da linha central da PCB. À medida que o número de camadas aumenta, isso garantirá que você cumpra com os padrões IPC 2223C sobre a relação de dobramento (raio de dobramento dividido pela espessura) em PCBs flexíveis.

PCBs Flexíveis Dinâmicos: Durabilidade

Muitas das mesmas considerações de design para PCBs flexíveis estáticos também se aplicam a PCBs flexíveis dinâmicos. Um problema crítico em PCBs flexíveis dinâmicos é o endurecimento por trabalho durante a dobragem repetida. O cobre vai endurecer por trabalho sob ciclagem repetida, eventualmente tornando-se frágil e propenso a fraturas. A durabilidade pode ser estendida simplesmente permitindo um raio de dobramento maior. Geralmente é aconselhado que PCBs flexíveis dinâmicos não excedam um ângulo de dobramento de 90°.

À medida que a PCB se dobra, o eixo neutro de dobra se deslocará para o interior da dobra. Isso é muito importante em PCBs flexíveis dinâmicos, pois limita o número de camadas de cobre permitidas a um número baixo, tipicamente apenas uma única camada que coincide com o eixo neutro de dobra. Embora o cobre seja dúctil, ele se tornará mais duro quando colocado repetidamente sob estresse. Se você optar por usar mais de uma camada em uma PCB flexível, os traços devem ser escalonados, ou seja, eles não devem se sobrepor em camadas adjacentes, a fim de evitar estresse indevido nos traços mais distantes do eixo neutro de dobra.

Para prevenir estresse indevido nos traços, certifique-se de permitir uma margem de segurança suficiente e preste atenção ao raio mínimo de dobra. Certifique-se de que o raio mínimo de dobra seja menor que o raio de dobra pretendido, a fim de evitar estresse nas bordas da placa. Isso retardará o endurecimento por trabalho e ajudará a prolongar a vida útil da PCB.

Fita flexível estática para um disco rígido

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