Guia de Design de Circuitos Flexíveis: Como Começar com Circuitos Flexíveis

Falando para um grupo de estudantes sobre a fabricação de placas de circuito impresso recentemente, pedi um levantamento de mãos para saber quantos haviam projetado uma placa de circuito impresso rígida. Aproximadamente 75% da sala levantou as mãos. A pergunta de seguimento pediu um levantamento de mãos para aqueles que haviam projetado um circuito flexível. O número de mãos levantadas caiu drasticamente. Suponho que isso não deveria ser surpreendente. Embora os circuitos flexíveis sejam um segmento em crescimento da indústria de placas de circuito impresso, muitos projetistas de PCB experientes ainda não trabalharam com materiais flexíveis. Pensando nos meus dias de faculdade, acho que meu conhecimento sobre circuitos flexíveis se limitava apenas a “aquela fita branca que se move para frente e para trás na minha impressora.”

Esses circuitos flexíveis em poliéster certamente representam uma parcela significativa do mercado de flexíveis. Não há como negar o volume impulsionado por etiquetas RFID, que frequentemente utilizam alumínio em materiais flexíveis de poliéster. No entanto, quando me pedem para falar sobre fabricação ou design de circuitos flexíveis, quase sempre é abordando o segmento de mercado que utiliza materiais polimídicos flexíveis. Esses materiais são padrão no mundo flex e rigid-flex, pois se integram a um empilhamento de PCB, permitindo roteamento simplificado entre regiões rígidas e flexíveis com interconexões padrão. Neste guia, veremos como os PCBs flexíveis são feitos, começando pelo design e cobrindo os diversos materiais e processos utilizados na fabricação.

O Processo de Design de PCB Flexível

O design e layout de PCBs flexíveis e rigid-flex estão interligados; a principal diferença entre flex e rigid-flex é uma interconexão que se estende até as extremidades rígidas da placa. Assim como um PCB rígido padrão, o processo de design flex começa com o projeto de um empilhamento, colocação de componentes, planejamento e roteamento de caminhos para as trilhas, e finalmente a limpeza do layout para preparação para a fabricação. Alguns passos adicionais são necessários para garantir que a seção flex tenha as propriedades mecânicas requeridas, como adicionar um reforço, selecionar um material de cobertura ou máscara de solda fotoimprimível, ou definir uma curvatura estática no design.

Uma vez que grande parte do processo de design de fita flexível se concentra na pilha de camadas, bem como na sua integração com qualquer seção rígida, o design da pilha é uma parte crítica do processo de design de PCB flexível/rígido-flexível. Além disso, aspectos como o peso do cobre e a densidade de componentes/roteamento em certas regiões da placa podem limitar a flexibilidade, tornando uma placa rígido-flexível preferível. Para começar com um design flexível ou rígido-flexível, pense nos seguintes aspectos da montagem final e como o design será integrado ao seu invólucro:

• Planejamento de Layout: Onde a fita flexível precisa dobrar na PCBA, e como o design será montado em seu invólucro? As áreas de dobragem e montagem precisarão estar livres de componentes, e você pode querer usar uma seção rígida para ICs de alta contagem de pinos ou circuitos de alta densidade. Decida onde a fita flexível ficará em relação às áreas da placa com alta contagem de componentes.
• Contagem de camadas: Quantas camadas são necessárias para o roteamento, e algumas dessas camadas serão necessárias em uma seção rígida? Se houver uma seção rígida, a fita flexível precisará se encaixar no centro do empilhamento, o que pode dificultar o roteamento quando um número maior de planos é necessário (por exemplo, em um design de alta velocidade).
• Rigidez: Você pode aceitar uma placa mais rígida, ou precisará de uma montagem altamente flexível? Isso pode ser controlado com a densidade de componentes, peso do cobre ou a adição de reforços em certas partes da fita flexível. Se você precisar de uma seção de poliimida muito rígida, pode valer a pena colocar uma seção totalmente rígida no lugar. Reforços podem ser usados para suportar uma maior densidade de componentes em uma fita flexível e eles serão menos caros do que integrar uma seção rígida.
• Componentes de alta densidade de pinos: Componentes SMD menores, como passivos, podem ser facilmente colocados em uma fita flexível de poliimida. Outros componentes em pacotes BGA requerem uma estrutura de via mais avançada, bem como mais camadas internas para suportar o roteamento. Para designs de alta velocidade ou RF, camadas de plano hachuradas podem ser necessárias para fornecer a impedância requerida ou continuidade de terra (por exemplo, para sinais de terminação única), bem como isolamento.

Os requisitos da sua aplicação podem ditar o equilíbrio entre um número qualquer desses requisitos. Enquanto isso, os designers precisam garantir que seu design rígido-flexível ou flexível seja fabricável e confiável em campo.

• Aprenda mais sobre o projeto de um empilhamento de PCB rígido-flexível nas suas ferramentas de design

Materiais para PCBs Flex/Rígido-Flex

Uma vez que você decidiu prosseguir com um design de circuito flexível, quais são os itens chave a ter em mente? Revisaremos estes em mais detalhes em blogs futuros, mas você precisará considerar seu conjunto de materiais para iniciar o processo. Os materiais necessários para PCBs flexíveis incluem materiais base (poliimida, folhas de cobre), materiais de cobertura (poliimida ou fotoimagem líquida) e, finalmente, materiais de rigidez.

• Aprenda mais sobre materiais para PCBs flexíveis

Materiais Base e de Cobertura Flexíveis

É crucial entender os próprios materiais base assim como a cobertura. Sua aplicação requer materiais sem adesivo? Ou materiais baseados em adesivo? A aplicação tem algum requisito UL a considerar? Qual peso de cobre e espessura de poliimida são melhores para sua aplicação? Quais materiais seu fabricante costuma ter em estoque? (Dica: se você tem flexibilidade em materiais, materiais flexíveis rotineiramente estocados podem ajudar a reduzir custos)

Algumas aplicações serão melhor atendidas com o uso de coberturas líquidas fotoimagens flexíveis, que oferecem a capacidade de formar aberturas de pads muito precisas. Se o design requer flexão dinâmica, a aplicação deve usar um material de cobertura de poliimida baseado em filme. Coberturas baseadas em filme podem ter aberturas cortadas a laser ou perfuradas, dependendo do tamanho de pad necessário.

Reforços

Sua aplicação estará suportando componentes mais pesados e poderia se beneficiar da robustez de um reforço adicionado? Diferentes componentes e aplicações precisam de diferentes reforços para suportar o comportamento mecânico na fita flexível ou PCBA. Reforços comuns incluem:

• Reforço de FR4: Fibra de vidro impregnada com epóxi FR4 rígido é provavelmente o reforço mais simples, aplicado efetivamente como um laminado sobre a área flexível.
• Poliimida rígida: Uma camada de poliimida rigidizada pode ser usada para reforçar uma região simplesmente empilhando folhas adicionais de poliimida para produzir um aumento local na espessura. Isso é normalmente usado quando terminando com um conector ZIF (Zero Insertion Force), onde um reforço de poliimida é usado para construir a espessura apropriada.
• Reforços de conectores/componentes: As opções de material para esta aplicação incluem metais, FR4 ou poliimida, que são termicamente ligados com um adesivo flexível ou adesivo sensível à pressão.

Empilhamentos de Flex e Rígido-Flex

Flex e rigid-flex PCB stackups misturam os materiais acima em regiões flexíveis e rígidas, seja como placas de camada única ou multicamadas. PCBs multicamadas construídas em substratos flexíveis seguem regras de design um pouco diferentes em termos de como interagir com a seção rígida, como rotear na seção flexível e onde os componentes podem ser colocados. Os stackups de PCB flexíveis geralmente constroem uma pilha de camadas usando camadas de adesivo-cobre-adesivo sobrepostas, seguidas por laminação em uma pilha rígida com prepreg, ou cobertura com uma camada de coverlay para proteger as camadas de poliimida flexíveis inferiores. Um exemplo de um stackup de PCB flexível incluindo duas seções rígidas em cada extremidade é mostrado abaixo.

• Aprenda mais sobre o processo de construção de camadas de PCB flex

Na imagem acima, poderíamos construir o mesmo tipo de stackup flex sem a seção rígida seguindo geralmente o mesmo processo. A diferença está na omissão das seções rígidas que ligam as regiões flexíveis. Em vez disso, teríamos todos os materiais flexíveis cobertos com coverlay. Há até resistência de solda que pode ser usada em PCBs flexíveis para proteger as camadas de coverlay superior/inferior durante a soldagem.

Capacidades dos Fabricantes

Os seus fabricantes preferenciais trabalham com materiais flexíveis com regularidade? A complexidade do seu design está alinhada com as capacidades dos seus fabricantes preferenciais, ou você está indo além da área de especialização deles? Certamente, esta não é uma lista completa de coisas a considerar, mas tem a intenção de iniciar o processo de reflexão sobre o design com um circuito flexível. Seu fabricante de PCB será um recurso vital, e você deve contatá-lo com uma proposta de empilhamento para garantir que possa ser fabricado de forma confiável. Eles entendem os materiais e o processo de fabricação e estarão sempre felizes em ajudar a guiar um cliente ao longo da curva de aprendizado com PCBs flexíveis.

• Aprenda mais sobre o processo de fabricação de PCB flexível/rígido-flexível

Benefícios dos Designs de PCB Flex e Rígido-Flexível

Para aqueles que não têm experiência em design de circuitos flexíveis, vamos olhar para alguns dos principais benefícios que levam os designers a usar materiais flexíveis. Embora haja algumas considerações de design específicas necessárias para garantir que um design de PCB flexível ou rígido-flexível seja fabricável conforme pretendido, esses designs oferecem muitos benefícios que não são vistos em placas de circuito rígidas.

• Espaço e peso: Muitos dos designs eletrônicos atuais enfrentam o desafio de reduzir o tamanho e o peso do produto final. Materiais flexíveis podem substituir conexões mais volumosas de fios e solda, e uma estatística frequentemente citada aponta uma economia de até 60% nas circunstâncias certas. Isso é significativo.
• Benefícios da Embalagem: Não há como negar que a capacidade de dobrar e curvar um circuito flexível ao redor de um canto e a habilidade de fornecer uma conexão de três eixos dão ao designer de PCB uma vantagem significativa sobre os tradicionais fios e cabos e materiais de placa de circuito impresso rígidos. Na verdade, a capacidade de aproveitar ao máximo esses benefícios é mais limitada pela imaginação do que qualquer outra coisa.
• Montagem Simplificada: Quando comparado com fios e cabos volumosos, um simples circuito flexível pode reduzir drasticamente o esforço de montagem. Um único circuito flexível pode substituir múltiplos itens em uma lista de materiais.
• Gestão Térmica: Materiais de poliimida podem suportar aplicações de alta temperatura, e poliimida fina dissipa calor muito melhor do que materiais mais espessos e menos condutores térmicos, tornando isso um dos principais candidatos para designs de maior potência e frequência mais alta.
• Biocompatibilidade: Poliimida e LCP são dois materiais flexíveis que são uma excelente escolha para biocompatibilidade e são regularmente utilizados por esse motivo tanto em aplicações médicas quanto em dispositivos vestíveis. Curiosamente, tenho observado um interesse crescente em circuitos flexíveis que utilizam ouro como condutor em vez de cobre, fornecendo uma opção totalmente compatível com o biológico.

Após a fabricação, a parte flexível da montagem da placa de circuito pode ser colocada em sua caixa com dobragem estática, ou pode ser permitido que ela flexione dinamicamente com a caixa ou outros elementos mecânicos. Às vezes, um circuito flexível é projetado para ser “flexível para instalar” ou, em outras palavras, dobrado ou dobrado com a intenção de permanecer estacionário uma vez que o circuito é instalado nos eletrônicos finais. Outras vezes, a aplicação requer que um circuito seja flexionado por centenas, milhares ou até milhões de vezes. Unidades de disco são um exemplo comumente citado de uma aplicação que flexiona dinamicamente, assim como os circuitos flexíveis nas dobradiças de nossos computadores portáteis. O processo de design varia ligeiramente com montagens flexíveis estáticas e dinâmicas, sendo a principal consideração a deformação que pode ocorrer durante a dobragem.

• Saiba mais sobre o projeto de fitas flexíveis estáticas e dinâmicas

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