Melhores Práticas de Design de Circuitos Impressos Flexíveis

Múltiplas Subpilhas Flexíveis

Embora seja possível construir praticamente qualquer empilhamento com seções rígidas e flexíveis, isso pode se tornar ridiculamente caro se você não for cuidadoso ao considerar as etapas de produção e as propriedades dos materiais envolvidos. Um aspecto importante dos circuitos flexíveis a lembrar é o estresse dentro dos materiais que ocorre à medida que o circuito se dobra. O cobre, sendo um metal não ferroso, é conhecido por sofrer endurecimento por trabalho, e fraturas por fadiga ocorrerão eventualmente com ciclos de flexão repetidos e raios apertados. Uma maneira de mitigar isso é usar apenas circuitos flexíveis de camada única, caso em que o cobre reside no centro do raio de curvatura mediano e, portanto, o substrato de filme e a cobertura estão na maior compressão e tensão, conforme mostrado abaixo.

Da mesma forma, ter vários circuitos flexíveis separados é frequentemente necessário, mas é melhor evitar ter dobras em seções sobrepostas onde o comprimento das seções flexíveis limita o raio de curvatura. Como o poliimida é muito elástico, isso não é um problema e durará muito mais sob movimento repetido do que várias camadas de cobre. O cobre reside no centro do raio de curvatura mediano e, portanto, o substrato de filme e a cobertura estão na maior compressão e tensão.

Para circuitos com dobras altamente repetitivas, é melhor usar RA copper em flex de camada única para aumentar a vida útil à fadiga (em ciclos antes da falha) do cobre no circuito.

Esferas Adesivas, Reforços e Terminações

Há momentos em que você precisa considerar o uso de reforços onde o circuito flexível sai da placa rígida. Adicionar uma esfera de epóxi, acrílico ou cola quente ajudará a melhorar a longevidade da montagem. Mas dispensar esses líquidos e curá-los pode adicionar etapas trabalhosas ao processo de produção, aumentando o custo. Como sempre no design de PCB, existem compensações.

A dispensação automática de fluidos pode ser usada, mas você precisa ser realmente cuidadoso para colaborar com os engenheiros de montagem para garantir que você não acabe com gotas de cola escorrendo por baixo da montagem. Em alguns casos, a cola deve ser aplicada manualmente, o que adiciona tempo e custo. De qualquer forma, você precisa fornecer documentação clara para os profissionais de fabricação e montagem.

As extremidades dos circuitos flexíveis normalmente terminam em um conector, se não na montagem principal da placa rígida. Nestes casos, a terminação pode ter um reforço aplicado (mais poliimida espessa com adesivo, ou FR-4). Geralmente, então, é conveniente deixar as extremidades do flex embutidas nas seções rígido-flex também.

Painéis de PCB Rígido-Flex

O circuito rígido-flex permanece junto em seu painel para o processo de montagem, permitindo que componentes sejam colocados e soldados nas seções de terminação rígidas. Alguns produtos requerem que componentes também sejam montados no flex em algumas áreas, caso em que o painel precisa ser montado com áreas rígidas adicionais para suportar o flex durante a montagem. Essas áreas não são aderidas ao flex e são recortadas com uma fresa de profundidade controlada (com "mordidas de rato") e finalmente destacadas manualmente após a montagem.

Exemplo de painel de PCB rígido-flex. Note que este tem bordas da placa frontal e traseira, e circuito flex, recortados. Os lados rígidos são entalhados em V para serem quebrados mais tarde. Isso economizará tempo na montagem no invólucro (fonte: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

É fácil olhar para os problemas de design de empilhamento de camadas, colocação de peças e recortes e pensar que já dominamos as questões. Mas lembre-se de como os circuitos flexíveis têm algumas peculiaridades materiais complicadas. Peculiaridades que vão desde coeficientes de expansão do eixo z relativamente altos dos adesivos, à menor aderência do cobre ao substrato PI e à cobertura, até o endurecimento por trabalho e fadiga do cobre. Estes podem ser compensados em grande parte seguindo alguns Fazeres e Não Fazeres.

Mantenha o Flex Flexível

Isso pode parecer óbvio, mas vale a pena dizer. Decida desde o início o quanto de flexibilidade é necessário, e se a flexão precisa ser repetível, ou se o design terá uma dobra estática. Se as seções do seu circuito flexível só vão ser dobradas durante a montagem e depois deixadas em uma posição fixa - como em um dispositivo de ultrassom portátil - então você tem muito mais liberdade no número de camadas, no tipo de cobre (RA ou ED) e assim por diante que pode usar. Por outro lado, se as seções do seu circuito flexível vão estar continuamente se movendo, dobrando ou enrolando, então você deve reduzir o número de camadas para cada subpilha de flex, e escolher substratos sem adesivo.Então, você pode usar as equações encontradas na IPC-2223 (Eq. 1 para simples face, Eq. 2 para dupla, etc.) para determinar qual é o seu raio mínimo permitido de dobra para a seção flexível, baseado na deformação permitida do cobre e nas características dos outros materiais.

Esta equação de exemplo é para uma seção flexível de simples face. Ela pode ser usada com uma PCB flex montada, embora você possa estressar pontos de solda em terminais de componentes se a linha de dobra estiver mal localizada. Você precisa escolher EB baseado na aplicação alvo, com 16% para instalação de única dobra de cobre RA, 10% para “flex-para-instalar” e 0,3% para designs flex “dinâmicos” (Fonte: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). Aqui, dinâmico significa flex e rolo contínuos durante o uso do produto, como uma conexão de painel TFT em um reprodutor de DVD móvel.

Não Dobre em Cantos e Use Traços Curvos

Geralmente, é melhor manter as trilhas de cobre em ângulos retos em relação à dobra de um circuito flexível. No entanto, existem algumas situações de design onde isso é inevitável. Nestes casos, mantenha o trabalho de trilhas o mais suavemente curvado possível e, conforme o design do produto mecânico ditar, você poderia usar curvas de raio cônico. Também, referindo-se à imagem abaixo, é melhor evitar trilhas com ângulos retos abruptos, e ainda melhor do que usar cantos duros de 45°, trace as trilhas com modos de canto em arco. Isso reduz as tensões no cobre durante a dobra.

Locais preferenciais de dobra.

Não Altere Abruptamente as Larguras

Sempre que você tiver uma trilha entrando em um pad, particularmente quando há uma fila alinhada delas, como em um terminador de circuito flexível (mostrado abaixo), isso formará um ponto fraco onde o cobre será fatigado ao longo do tempo. A menos que vá ser aplicado um reforço ou uma dobra única perto da transição de largura da trilha, é aconselhável reduzir gradualmente a partir dos pads (dica: coloque gotas de lágrima nos pads e vias no circuito flexível!)

Mudança de largura de trilha e entradas de pad podem causar pontos fracos.

Adicione Suporte para os Pads

O cobre em um circuito flexível tem mais probabilidade de se desprender de um substrato de poliimida devido aos estresses repetidos envolvidos na dobra, bem como à menor aderência do cobre ao substrato (em relação ao FR-4). É especialmente importante, portanto, fornecer suporte para o cobre exposto. Vias são inerentemente suportadas porque a metalização dos furos oferece uma âncora mecânica adequada de uma camada flexível para outra. Por essa razão (bem como a expansão no eixo z) muitos fabricantes recomendarão uma metalização adicional de até 1,5 mils para circuitos rígido-flexíveis e flexíveis, além da metalização convencional em placas de circuito rígido. Pads de montagem superficial e pads sem metalização através são referidos como não suportados, e precisam de medidas adicionais para prevenir o desprendimento.

Apoiando pads de furo passante em flex com metalização, pinos de ancoragem e aberturas de acesso de cobertura reduzidas.

Os pads de componentes SMT estão entre os mais vulneráveis, especialmente porque o circuito flexível pode dobrar sob o pino rígido do componente e a solda. A disposição de pad e trilha abaixo mostra como usar as aberturas da "máscara" de coverlay para ancorar os pads em 2 lados resolverá o problema. Para fazer isso, enquanto ainda permite a quantidade certa de solda, os pads têm que ser um pouco maiores do que as pegadas típicas de placas rígidas teriam. Isso obviamente reduz a densidade de montagem de componentes em circuitos flexíveis, mas por natureza, os circuitos flexíveis não podem ser muito densos comparados com os rígidos.

Aberturas de coverlay para um pacote SOW mostrando ancoragem em cada extremidade de cada pad.

Dentro do seu software de design de PCB, não existe especificamente uma camada de "coverlay"; você terá que usar uma camada de máscara para definir a abertura de coverlay ao redor dos pads. Isso pode ser feito na camada de solda superior dentro da seção flexível; basta colocar uma abertura na camada de máscara para definir a abertura de coverlay, assim como você faria com a máscara de solda. Os pads na pegada também precisarão ser modificados para garantir uma montagem precisa e para adicionar apenas cobertura extra suficiente para ancoragem. Um exemplo para uma pegada de componente 0603 é mostrado abaixo.

Neste footprint, os tamanhos dos pads e a camada superior de solda são usados para mostrar como os pads para um passivo SMD e a abertura do coverlay devem ser posicionados para montagem em uma PCB rígido-flexível. O padrão de terra superior é para um pacote nominal 0603, enquanto o inferior é um footprint do mesmo componente, mas com uma abertura de coverlay modificada.

Permitir a Extrusão

Quando um coverlay é laminado sobre o cobre e o substrato, algum adesivo exibirá “extrusão” de quaisquer aberturas de coverlay ao redor dos pads quando o coverlay é aplicado. Para permitir a extrusão, o pad de terra e a abertura de acesso devem ser grandes o suficiente para permitir algum vazamento de adesivo, enquanto ainda deixam cobre exposto suficiente para uma filé de solda forte. A IPC-2223 recomenda 360° de molhamento de solda ao redor do furo para designs de alta confiabilidade e 270° para designs flex de confiabilidade moderada.

Dimensione pads e aberturas de coverlay para permitir a extrusão de adesivo.

Roteamento Flex de Dupla Face

Para circuitos flexíveis de dupla face dinâmicos, tente evitar traçar linhas sobrepostas na mesma direção. Em vez disso, intercale as trilhas em camadas adjacentes para que não se sobreponham. Isso reduz a tensão sobre as trilhas quando o cobre é distribuído de maneira mais uniforme entre as camadas de cobre (veja abaixo). No caso de as trilhas estarem sobrepostas, uma das camadas experimentará mais estresse durante a dobra, à medida que as camadas se pressionam uma contra a outra. Interpolar as trilhas distribui o estresse pelo substrato flexível de modo que a distribuição de estresse nas trilhas fique mais próxima de ser uniforme.

Trilhas de cobre em camadas adjacentes (imagem superior) não são recomendadas. Em vez disso, intercale trilhas em diferentes camadas para que o estresse nas trilhas seja reduzido quando o conjunto é flexionado.

Use Polígonos Tracejados

Às vezes, é necessário transportar um plano de alimentação ou de terra em um circuito flexível. Usar preenchimentos sólidos de cobre é aceitável, desde que você não se importe com a redução significativa da flexibilidade e a possível deformação do cobre sob dobras de raio apertado. Geralmente, é melhor usar polígonos tracejados para manter um alto nível de flexibilidade.

Um polígono tracejado normal ainda possui tensões de cobre fortemente enviesadas nas direções de ângulo de 0°, 90° e 45°, devido ao alinhamento dos traços de hachura e dos ‘X’es. Um padrão de hachura mais estatisticamente otimizado seria hexagonal. Isso poderia ser feito usando uma camada de plano negativo e um arranjo de anti-pads hexagonais, mas você pode construir rapidamente a hachura mostrada abaixo cortando e colando seções.

Usar polígonos hachurados hexagonais pode distribuir os vieses de tensão uniformemente entre três ângulos.

Colocação de Vias

Para áreas flex de múltiplas camadas, às vezes pode ser necessário colocar vias para transição entre camadas. Se possível, é recomendado não colocar vias, pois estas podem sofrer fadiga rapidamente em movimento de flexão. Também é necessário manter pelo menos 20 mils (cerca de ½ mm) de folga entre o anel de cobre da via mais próxima à interface da placa rígida-flexível. Regras de folga de borda da placa podem cuidar disso automaticamente no editor de CAD de PCB.

Quanto à necessidade de colocar vias - se você precisa ter vias em um circuito flexível, use "rooms" para definir regiões onde você sabe que não haverá dobras e use as regras de design do editor de PCB para permitir a colocação de vias apenas nessas áreas estacionárias. Uma alternativa é usar o gerenciador de pilhas de camadas para definir seções "rígidas" que são, em última análise, flexíveis, mas com um material dielétrico rígido aderido a elas.

Definindo Recortes e Cantos Flexíveis

Se você precisa colocar um recorte ou fenda na seção flexível de uma placa, o recorte deve ser terminado adequadamente. O IPC recomenda terminar com seções circulares com raios maiores que 1,5 mm (cerca de 60 mils) para reduzir o risco de rasgar os materiais do substrato flexível nos cantos. A regra aqui, em essência, é que sempre que você tiver um canto interno (um canto de borda de circuito flexível com ângulo menor que 180°), sempre use um canto curvo tangencial com raio maior que 1,5 mm. Se o canto for muito menos (mais agudo) que 90°, então faça uma curva circular recortada dele. O mesmo vale para fendas e cortes na flexível - certifique-se de que há um furo de alívio projetado em cada extremidade com diâmetro de 3 mm (1/8”) ou mais. Um exemplo disso é mostrado abaixo.

Fendas, cortes e cantos internos devem ter furos de alívio de rasgo ou curvas tangenciais com raio mínimo de 1,5mm.

Este não é, de forma alguma, um conjunto completo de diretrizes de engenharia para circuitos impressos flexíveis, mas estas dicas devem ajudá-lo a começar para muitos produtos. Se você estiver em dúvida, sua casa de fabricação deve estar disponível para fornecer diretrizes de DFM para sua placa flexível, ou para seções flexíveis em uma PCB rígido-flexível.

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