Peso do cobre em rigid-flex: por que uma única especificação não funciona para todos os casos

Há vários anos, recebemos um rigid-flex que já tinha passado por várias revisões de projeto antes mesmo de chegar à produção. Era uma boa equipe, com um processo minucioso, sem nada obviamente errado. Quando as placas voltaram, a área flexível não dobrava. Nem um pouco. Ela estava rígida em toda a zona que deveria flexionar. Camadas demais laminadas juntas em um trecho curto demais.

Na nova versão, essas camadas foram desacopladas na zona flexível para que pudessem se mover de forma independente. Essa única mudança fez a diferença entre uma placa que funcionava e uma que não funcionava.

Esse projeto sempre me vem à mente quando um projeto rigid-flex chega com uma única espessura de cobre especificada para toda a placa. Para deixar claro, isso nem sempre está errado. Mas é um sinal que merece uma segunda análise, porque a espessura de cobre em um rigid-flex na verdade não é uma única decisão, são várias, e elas interagem com o stack-up de formas que só aparecem quando algo não se move como deveria.

Principais conclusões

• A espessura de cobre em rigid-flex é específica por zona. O que funciona na seção rígida pode criar problemas reais na zona flexível.
• A área de transição entre rígido e flexível tem seu próprio conjunto de considerações.
• O cobre laminado recozido se comporta de forma diferente do cobre eletrodepositado em aplicações flexíveis, e essa diferença importa quando a vida útil em flexão é um requisito.
• O stack-up e a especificação do cobre precisam ser desenvolvidos juntos, não um depois do outro.

A zona rígida

Nas seções rígidas de um rigid-flex, as decisões sobre espessura de cobre se parecem bastante com a prática padrão de PCB. Uma onça é um ponto de partida comum. Duas onças aparecem quando a capacidade de condução de corrente ou os requisitos de impedância levam nessa direção. Regras de projeto, estruturas de vias e considerações de metalização são semelhantes. A maior parte disso é terreno conhecido para quem já projetou placas rígidas antes.

Aqui está o ponto crítico. A espessura de cobre que você escolhe na zona rígida afeta o que é viável na zona flexível, porque ambas fazem parte do mesmo sistema laminado. Se o cobre da camada externa na seção rígida for espesso, esse mesmo cobre será levado para a zona flexível, quer isso tenha sido planejado ou não. Isso não é automaticamente um problema, mas precisa ser pensado com cuidado.

A zona flexível

Esta é a zona em que as decisões sobre espessura de cobre têm o impacto mais direto sobre o desempenho da placa da forma como ela deve funcionar.

Cobre mais espesso significa um circuito mais rígido. Parece óbvio, mas as implicações práticas nem sempre são consideradas no layout. Cobre de meia onça é comum em zonas flexíveis exatamente por esse motivo. Ele dobra com mais facilidade, distribui a tensão de forma mais uniforme pela seção transversal e suporta melhor ciclos repetidos de flexão do que cobre mais espesso. Uma onça em uma aplicação de flexão dinâmica merece uma conversa com o fabricante antes de o projeto seguir para produção. Duas onças raramente são a escolha certa em uma zona flexível, a menos que os requisitos de dobra sejam essencialmente estáticos e a capacidade de corrente não deixe outra opção.

O tipo de folha de cobre também importa, e é uma das coisas mais subespecificadas em desenhos de fabricação que eu vejo. O cobre eletrodepositado é o padrão na maior parte da fabricação rígida, e funciona bem em zonas rígidas. Já em zonas flexíveis que passarão por dobramentos repetidos, o cobre laminado recozido é a melhor escolha. A estrutura de grão segue uma direção que lida de forma visivelmente melhor com a tensão de flexão do que o cobre ED. Se a vida útil em flexão importa para sua aplicação e o cobre RA não está especificado na zona flexível, vale a pena analisar isso com cuidado.

A geometria das trilhas também interage com a espessura do cobre de formas fáceis de passar despercebidas. Cobre mais fino permite trilhas mais estreitas para um determinado alvo de impedância, o que significa menos massa de cobre se movendo com o circuito. Trilhas perpendiculares ao eixo de dobra, roteamento curvo em vez de ângulos retos, distribuição equilibrada de cobre pela seção transversal. Tudo isso são práticas padrão em flex, e tudo funciona melhor com a espessura de cobre adequada por baixo.

A zona de transição

A área onde o rígido encontra o flexível é onde muitos problemas de rigid-flex realmente começam, e a espessura de cobre desempenha um papel no motivo disso. Por definição, a zona de transição sofre concentração de tensões. O circuito passa de uma estrutura restrita e suportada para uma estrutura flexível, e o comportamento mecânico muda abruptamente exatamente nesse limite. Cobre espesso na transição agrava essa brusquidão. Ele cria um ponto mais rígido que resiste ao que a zona flexível precisa fazer, e foi exatamente isso que aconteceu na placa que mencionei antes. As camadas estavam unidas ao longo da transição e para dentro da zona flexível. A espessura do cobre aumentou ainda mais a rigidez. O resultado foi um circuito que fisicamente não conseguia dobrar.

Algumas medidas ajudam aqui. Mantenha a espessura de cobre o mais consistente possível entre as zonas rígida e flexível, em vez de aumentá-la justamente na borda da seção rígida. Evite levar planos de cobre de alta espessura até a borda da área rígida. E, se o projeto permitir, dê à zona de transição um pouco mais de comprimento físico do que parece necessário. A distribuição de tensões melhora com a distância, mais do que as pessoas costumam esperar.

Conversando com seu fabricante antes que o stack-up seja finalizado

Essa é uma daquelas decisões que é muito mais fácil acertar antes que o stack-up seja definido do que depois. Depois que a contagem de camadas, os materiais laminados e as espessuras de cobre são definidos, mudar qualquer um deles impacta espessura, impedância e, às vezes, até quais fabricantes conseguem construir a placa.

Vale a pena perguntar cedo: qual tipo de folha de cobre é padrão nas construções flex deles, e o que especificar cobre RA faz com o prazo de entrega ou o custo? Que espessura de cobre eles veem com mais frequência para o seu requisito de dobra, e onde já encontraram problemas? Se houver uma preocupação com a zona de transição, como eles lidaram com isso em projetos semelhantes?

Fabricantes que constroem rigid-flex com regularidade já viram os efeitos dessas decisões nas etapas posteriores de maneiras difíceis de reproduzir em uma revisão de projeto. Faça as perguntas.

Antes de liberar o projeto

Alguns pontos que valem a pena verificar antes de enviar o projeto para fabricação. 

• Há uma única espessura de cobre especificada para toda a placa, ou a zona rígida, a zona flexível e a área de transição foram realmente consideradas separadamente? 
• O tipo de folha de cobre está especificado na zona flexível, ou foi deixado no padrão do fabricante? 
• Para uma aplicação de flexão dinâmica, o cobre RA de meia onça foi especificado ou explicitamente descartado? 
• O stack-up foi revisado com o fabricante antes da liberação, e não depois que os primeiros artigos chegaram?

A placa que não conseguia dobrar me ensinou que um projeto pode passar por todas as revisões e ainda assim não funcionar, se o stack-up e a especificação do cobre não tiverem sido desenvolvidos como um único sistema. A zona flexível precisa realmente ser capaz de flexionar.

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Perguntas frequentes

Que espessura de cobre devo usar na zona flexível de um projeto rigid-flex?

Meia onça (0,5 oz) é o ponto de partida mais comum para zonas flexíveis. Ela dobra com mais facilidade, distribui melhor a tensão e resiste melhor a ciclos repetidos de flexão do que cobre mais espesso. Uma onça é viável em aplicações estáticas, mas merece uma conversa com seu fabricante antes de ser adotada. Duas onças raramente são apropriadas em uma zona flexível, a menos que os requisitos de dobra sejam essencialmente estáticos e a capacidade de corrente não deixe outra opção.

Qual é a diferença entre cobre laminado recozido (RA) e cobre eletrodepositado (ED) em aplicações flexíveis?

O cobre eletrodepositado é o padrão na fabricação de PCBs rígidas e tem bom desempenho em zonas rígidas. O cobre laminado recozido tem uma estrutura de grão orientada em uma direção mais adequada para lidar com a tensão de dobramentos repetidos, o que o torna a escolha preferida em zonas flexíveis onde a vida útil em flexão é um requisito. Se o cobre RA não estiver explicitamente indicado no desenho de fabricação, a maioria dos fabricantes usará ED por padrão, então vale a pena especificá-lo.

A espessura de cobre na zona rígida afeta a zona flexível?

Sim. Como as zonas rígida e flexível fazem parte do mesmo sistema laminado, o cobre espesso da camada externa na seção rígida se estende para a zona flexível, quer isso tenha sido planejado ou não. Isso não causa problemas automaticamente, mas precisa ser considerado durante o desenvolvimento do stack-up, e não descoberto depois da fabricação.

Quando devo envolver meu fabricante nas decisões sobre espessura de cobre para um projeto rigid-flex?

Antes de o stack-up ser finalizado. Depois que a contagem de camadas, os materiais laminados e as espessuras de cobre forem definidos, mudar qualquer um desses itens afeta espessura, impedância e, potencialmente, até quais fabricantes conseguem construir a placa. Fabricantes que produzem rigid-flex regularmente já viram como essas decisões se desdobram mais adiante, e envolvê-los cedo é uma das formas mais confiáveis de evitar uma nova iteração cara.