Aplicações de PCBs Flexíveis e Rígido-Flexíveis

Existem duas razões básicas para projetar um circuito flexível em seu produto: construir um dispositivo compacto e montado de forma eficiente, ou fazer com que o circuito seja integrado dinamicamente à função mecânica do produto. Você pode, claro, apoiar-se nessas duas razões para justificar o uso de circuitos flexíveis. Neste contexto, vamos olhar para algumas aplicações e exemplos de design de PCBs rígido-flexíveis para ver as questões que surgem ao projetar circuitos flexíveis.

Exemplos de Aplicações de Flex Dinâmico

Mecatrônica de Pórtico

Uma aplicação de flex dinâmico muito típica, como você poderia encontrar em uma impressora 3D ou cabeça de máquina CNC, é um pórtico mecatrônico. Em sistemas fisicamente maiores onde componentes eletrônicos precisam seguir o mesmo movimento de um elemento mecânico, isso seria realizado com placas rígidas ou módulos separados, e estes seriam conectados com cabos. Em pacotes menores e mais elegantes, uma fita flexível faz mais sentido, pois fornece uma montagem de baixo perfil, bem como o movimento requerido.

Naturalmente, o exemplo abaixo seria colocado ao longo do eixo X do pórtico, e a cabeça de ferramenta do eixo z se move ao longo dele. O exemplo abaixo mostra apenas dois eixos de movimento aqui, e o próprio pórtico se moveria no eixo Y.

O comprimento total da fita flexível é a distância de extremidade mais extrema necessária, além dos cantos e curvas. O canto que fica atrás da cabeça de ferramenta do eixo z em movimento aderiria ao shuttle do eixo x que se move ao longo do pórtico (provavelmente em mancais de bucha). As extremidades teriam um reforço adicionado para terminar a seção da fita flexível. Para este tipo de aplicação, é melhor aderir a uma camada única de cobre recozido laminado e manter os raios de curvatura o mais grande quanto praticamente possível. Isso ajudará a maximizar a vida útil, pois a região de dobra é enrolada ao longo do comprimento da fita flexível.

Exemplo de design flex de pórtico.

Consideração de Fabricação do Pórtico: Panelização

O exemplo acima levanta uma boa questão sobre fabricação e custo. Usando um circuito em L com ângulo reto como este, poderíamos, por argumentação, encaixar seis fitas flexíveis idênticas em um painel de fabricação. Isso resulta em aproximadamente 50% de desperdício do espaço do painel, e se componentes fossem montados neste circuito flex específico, também adicionaria ao custo e tempo de ferramental. Um exemplo de painel feito a partir deste circuito flex específico em uma matriz de placas embutidas é mostrado abaixo.

Panelização da matriz de placas embutidas do circuito flex do pórtico CNC.

O bom do flex é que, se usarmos os materiais certos e planejarmos a montagem geral corretamente, também podemos criar dobras de instalação de baixo raio. Colocar uma seção de flex estático com uma dobra permanente é uma boa alternativa ao uso de circuitos flex curvos, como mostrado no painel acima, mas apenas em certas circunstâncias. A figura a seguir mostra o mesmo design de pórtico, mas com uma dobra de 45° para substituir o canto de 90° mostrado na versão anterior.

Pórtico flex redesenhado com dobra estática.

A dobra se torna claramente útil uma vez que olhamos para o painel (mostrado abaixo). Para fabricar um circuito flex com esse tipo de dobra, não precisamos projetar uma curvatura na placa. Em vez disso, podemos usar uma seção reta no PCB flex, então agora podemos alinhar uma série inteira de fitas flex em um único painel. Dessa forma, o rendimento aumenta significativamente. O custo total por placa diminuirá devido ao aumento do rendimento por painel e então a facilidade de ferramentas para montagem pick-and-place. No entanto, isso pode ser contrabalanceado por ter que colocar componentes no lado oposto em uma extremidade da montagem, devido à dobra.

Painel com a placa de pórtico redesenhada.

Dispositivos Rotacionais

Dê uma olhada no layout de PCB rígido-flexível mostrado abaixo. Neste layout, as camadas flexíveis são criadas usando dobras em vez de uma dobra permanente. Observe o uso de guias de trabalho horizontais no editor de PCB; isso permite o design preciso do contorno da placa baseado em circunferências curvas de seções de circuito flex em situação real. Isso também permite o posicionamento exato das linhas de dobra do circuito flex no Modo de Planejamento da Placa dentro do editor de PCB, o que permite simulações precisas de dobra de circuito flex em modo 3D.

Layout de PCB para um design de flexão dinâmica rotacional. As fitas flexíveis podem ser fixadas a uma carcaça fixa ou outro componente que girará com o eixo central na montagem.

Neste exemplo, um motor de passo será montado em uma montagem de tal forma que o motor e sua placa de circuito impresso de controle estarão em movimento, enquanto o eixo permanecerá estacionário. Os circuitos flex são projetados para serem terminados nas extremidades a uma montagem de base fixa e dobrados em forma de cilindro, dobrando-se para trás para permitir movimento bidirecional. Vistas em 3D deste design são mostradas abaixo.

Vista 3D de uma placa de controle de motor de passo rotativo. Braços mais longos permitiriam uma rotação do motor e sua placa de controle maior que 360°.

A vista completamente dobrada do conjunto, incluindo o corpo 3D do motor de passo.

Podemos ver as direções de movimento e os terminadores de circuito flexível ancorados para dar uma ideia de como este conjunto operará. Esse tipo de arranjo torna relativamente fácil alcançar mais de 360° de rotação. Este exemplo é hipotético e mostra um motor de passo, embora esse tipo de design seria bem adequado para aplicações de sensor rotativo. As seções rígido-flexíveis terminadas também poderiam ser montadas em alguns componentes no invólucro, desde que o invólucro estivesse girando, fornecendo uma maneira simples de proporcionar uma conexão de volta à seção rígida da placa de controle.

Exemplos de Aplicação de Flex Estático

Magnéticos Planos (Transformadores e Indutores)

O uso de circuitos flexíveis e rígido-flexíveis para magnéticos planares integrados está se tornando mais popular. Utilizar circuitos flexíveis para magnéticos planares apresenta algumas vantagens distintas. O filme de poliimida está disponível em espessuras que permitem uma alta isolação das bobinas, além de uma estabilidade térmica elevada que o torna adequado para processos de encapsulamento com esmalte quente. Do ponto de vista das perdas; utilizar trilhas de cobre gravadas exige que as trilhas sejam mais largas, mas isso pode facilmente reduzir as perdas por correntes parasitas, pois a impedância adicional devido ao efeito pelicular será reduzida.

As voltas não enroladas do solenoide de um indutor de quatro bobinas.

Um esquema de entrada e saída interessante para um indutor de núcleo de ar enrolado é mostrado abaixo. Neste conjunto de PCB flexível enrolado, o fim de cada enrolamento se sobrepõe ao início do próximo enrolamento. Isso pode ser feito para aumentar o número de voltas em vez de simplesmente ter múltiplos enrolamentos separados.

Enrolamentos de indutor enrolados.

18 Camadas pelo Preço de 2

A extensão natural deste conceito é incluir algumas camadas flexíveis no seu design de conversor com a intenção de dobrá-las umas sobre as outras. No exemplo mostrado abaixo, um design de transformador de circuito flex de 2 camadas é apresentado, onde um único núcleo de ferrite planar E18 sobressai através de recortes na região do terminador final (no lado esquerdo). Esta ideia poderia ser estendida arbitrariamente (embora com limites práticos da espessura da placa final dobrada). Na figura 11, as camadas superiores e inferiores de cobre em flex dupla face fornecem 18 camadas utilizáveis para as bobinas do transformador.

Ao redor de cada um dos recortes do núcleo central, você pode fazer uma única volta para uma bobina de indutor. Serpentear a trilha ao redor de uma perna lateral dará meia volta, enquanto o caminho de retorno fornece a outra meia volta em uma bobina de transformador; juntas, as seções de condutor dobradas formam um conjunto de laços de corrente empilhados que podem gerar e receber um campo magnético.

Vista aérea de um transformador de circuito flex. Uma única bobina de corrente alta é mostrada na camada superior, e seis bobinas de corrente mais leve são roteadas na camada inferior.

Isso pode ser confuso, pois você precisa acompanhar as direções corretas de enrolamento em relação à relação de cada seção dobrada com a geometria do núcleo de ferrite. Dado que todo esse circuito flexível será dobrado ortogonalmente, adicionei setas na camada Mecânica 1 do projeto, voltadas para o lado oposto de cada camada de enrolamento adjacente, para me lembrar de qual maneira rotear o cobre. Isso é mostrado abaixo para clareza.

Camada Mecânica 1 mostrando o contorno da placa e setas de direção de enrolamento para orientação.

A montagem final do núcleo e flexível é mostrada abaixo. Note que isso poderia ser integrado dentro de um design rígido-flexível onde a maior parte do circuito está em uma Placa de Circuito Impresso rígida de 2 camadas, com a parte flexível sendo usada para obter as camadas adicionais necessárias para todos os enrolamentos do núcleo. Claro, haverá uma compensação de custos entre usar uma grande área flexível versus apenas adicionar montes de camadas a um design apenas rígido.

O transformador completamente dobrado, com modelo 3D do núcleo magnético de ferrite Ferroxcube E18 através dos recortes.

Multi-Camadas Rígido-Flex

Para muitos designs militares, aeroespaciais ou similares de alta densidade que requerem montagens compactas e confiáveis em espaços apertados, é difícil evitar o uso de várias camadas de circuitos flexíveis entre áreas de placas rígidas. Ainda mais, isso se faz necessário em designs digitais de alta velocidade, devido à necessidade de blindagem ou camadas de plano entre os ônibus que atravessam as regiões flexíveis. O desafio aqui é que, para manter um bom grau de flexibilidade, o número de camadas de circuito flexível tem que ser mantido no mínimo, geralmente duas camadas de cobre sobre um único substrato de poliimida com coberturas de poliimida.

Em designs “normais”, o comprimento das seções do circuito flexível é o mesmo para regiões flexíveis sobrepostas. Isso significa que você acaba com a situação mostrada abaixo, onde as dobras podem produzir tensão significativa nas áreas flexíveis entre placas rígidas, uma vez colocadas na montagem final.

Tensão no circuito flexível externo e compressão do circuito interno resultarão quando múltiplas camadas flexíveis sobrepostas são projetadas com o mesmo comprimento. Observe o “espremimento” da gota de adesivo usada neste design, bem onde o flex entra na seção rígida.

A maioria dos fabricantes especializados em placas rígido-flexíveis neste ponto diria para você usar a construção "bookbinder" (encadernador). A construção bookbinder é um método viável onde os raios in-situ das dobras do circuito flexível são usados para determinar o comprimento correto para cada combinação de circuito flexível e substrato na pilha de camadas. Um exemplo ilustrativo do conceito é mostrado no trecho abaixo do IPC-2223b.

Construção bookbinder [Fonte: IPC-2223B, 2008 p26].

Você pode perceber imediatamente que este método vai custar dinheiro e aumentar o desafio do design. Muitas vezes, uma alternativa melhor é usar circuitos flexíveis de mesmo comprimento e raio, mas separar as diferentes camadas de circuito flexível para que elas não se sobreponham. Um exemplo disso é mostrado abaixo.

Construção alternativa bookbinder. Normalmente, as seções flexíveis podem se sobrepor e exigiriam comprimentos diferentes para manter baixa tensão/compressão. Nesta alternativa, as seções flexíveis são colocadas em diferentes regiões ao longo da borda das seções rígidas, de modo que não precisam mais se sobrepor.

Dobras Ultra-Apertadas Sem Sacrificar a Contagem de Camadas

Com algumas escolhas de design criativas ao longo da região de dobra, é possível obter dobras muito apertadas sem perder camadas de cobre.

A pequena placa mostrada abaixo utiliza uma fita em forma de "S" para definir curvas e diminuir o raio mínimo de curvatura ao longo da borda das regiões reforçadas. Não é visível nesta foto, mas há componentes montados em seções que tinham um reforço fino aderido ao lado de trás da placa.

Obtendo essencialmente um raio de curvatura de 180° com múltiplas camadas de cobre.

Este conceito pode ser estendido em várias direções. O design de PCB mostrado abaixo é um painel de exibição de PCB ultra-flexível. Você pode ver os muitos LEDs em uma matriz nas seções mais largas e rígidas. A montagem inteira é rígida nessas seções apenas por causa do grande número de camadas de cobre e filme de PI laminadas juntas. Novamente, usar curvas em S entre essas regiões de matriz de LED permite que esta montagem se dobre mais facilmente em uma caixa curva.

Matriz flex de curvas em X-Y.

Leve este conceito ainda mais longe, e você terá o design muito compacto mostrado abaixo. As seções de circuito flexível neste exemplo contêm 8 camadas. Tais circuitos flexíveis normalmente não seriam flexíveis se colocados como fitas diretas entre seções rígidas. No entanto, usar a miríade de curvas em S (observe que as camadas superiores de material flexível são todas de cobre sólido para blindagem!) permite que isso se dobre o suficiente para entrar na caixa mecânica final, mesmo com centenas de conexões de memória e display de alta velocidade.

8 Camadas de flex, mais 4 camadas adicionais de PCB rígido. Observe que a camada superior de flex é inteiramente de cobre para blindagem. Note também o adesivo protetor ao redor das bordas das interfaces rígido-para-flex.

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