Como são Projetadas e Fabricadas as PCBs Flexíveis Termoformadas

Os circuitos flexíveis continuam a ser uma solução vencedora quando a durabilidade e o formato compacto são necessários. Os benefícios óbvios de serem mais finos e leves, com a capacidade de serem flexionados e dobrados, são fáceis de entender e a tecnologia tem sido utilizada por décadas.

Embora frequentemente gastemos tempo olhando para os materiais, como projetar para flexibilidade e entender o processo de fabricação, hoje vamos olhar especificamente para as placas de circuito impresso flexíveis termoformadas. Esta tecnologia é particularmente interessante porque os circuitos podem ser moldados em formas específicas enquanto mantêm seu desempenho. Assim como nas aplicações mais tradicionais para materiais flexíveis, a termoformação não é uma tecnologia nova, mas adiciona outra camada de complexidade tanto ao design do circuito quanto ao processo de fabricação.

Considerações de Design de Circuito

As PCBs flexíveis termoformadas são um tipo especial de placa de circuito impresso flexível que pode ser permanentemente moldada durante a fabricação. As PCBs flexíveis podem ser mecanicamente dobradas em um raio de curvatura estático desejado, como Zach Peterson discute neste artigo vinculado. Diferentemente das usuais PCBs flexíveis que apenas dobram e flexionam, ou que são mecanicamente fixadas após a fabricação, as PCBs flexíveis termoformadas são moldadas em formas fixas.

Eles são tipicamente projetados em locais onde o espaço é limitado e você precisa de formas precisas, como em carros, dispositivos médicos e dispositivos vestíveis. Se você considerar aplicações como o painel do seu carro ou o mais recente monitor de saúde vestível, os PCBs flexíveis termoformados tornam esses designs elegantes possíveis ao se encaixarem em espaços compactos e se conformarem a formas complexas.

Exemplo de PCB flexível termoformado imagens de FreddieHong19 no github

Quando se trata de design mecânico, você precisa pensar em como o PCB vai dobrar e flexionar, tanto durante o processo de formação quanto em seu uso final. Evite colocar trilhas e componentes em áreas de alta tensão. Usar trilhas curvas e vias escalonadas pode ajudar a distribuir o estresse e reduzir o risco de rachaduras. Isso é muito semelhante aos dispositivos de interconexão moldados (MIDs), mas a principal diferença é que os PCBs termoformados têm sua dobra aplicada após a fabricação ser concluída.

Embora pareça que a tecnologia flexível termoformada seria uma solução fantástica em inúmeras aplicações, ela também é uma tecnologia difícil de fabricar e, subsequentemente, de projetar. Há muitos fatores a considerar para garantir um resultado bem-sucedido.

Processo de Fabricação Para PCBs Flexíveis Termoformados

O processo de fabricação para PCBs flexíveis termoformados envolve várias etapas precisas para alcançar a forma e funcionalidade desejadas, e acho importante destacar que a termoformação não é uma capacidade "padrão" ou mesmo típica para a maioria dos fabricantes de circuitos flexíveis. Requer controle rigoroso do processo e um outro nível de capacidades de processo.

Poliamida e poliéster (por exemplo, tereftalato de polietileno) são escolhas de materiais populares porque são flexíveis e podem lidar com calor graças às suas altas temperaturas de decomposição e altas temperaturas de transição vítrea. A poliamida é favorita porque pode suportar altas temperaturas durante o processo de termoformação, e o processamento é bem compreendido por muitas casas de fabricação.

Ferramentas de Termoformação: A criação da versão 2D do circuito flexível é como você esperaria para qualquer processo de fabricação de circuito flexível. Uma vez que o padrão do circuito é criado e passou pela revisão de qualidade, a termoformação ocorre.

Antes de qualquer aquecimento começar, o molde usado para moldar o PCB deve ser preparado. Este molde é tipicamente feito de materiais que podem suportar altas temperaturas sem deformar, como metal ou plásticos/polímeros resistentes ao calor. O molde deve ser precisamente usinado para as exatas dimensões e forma requeridas para o design final do PCB. Uma nova abordagem para termoformação é usar moldes impressos em 3D; veja, por exemplo, os moldes abaixo da Proto3000:

Proto3000 imprimiu moldes de termoformagem em 3D. (Fonte da imagem)

Fixação e Aquecimento: O substrato de PCB flexível, que já foi padronizado e banhado, é cuidadosamente colocado no molde. O alinhamento adequado é crucial para garantir que o PCB se conforme à forma desejada sem desalinhamentos ou distorções. Esta etapa muitas vezes envolve o uso de ferramentas ou dispositivos de alinhamento especialmente projetados para manter o PCB no lugar durante o processo de aquecimento.

O estágio de aquecimento e controle do processo é crítico. Todo o conjunto é aquecido a uma temperatura específica onde o substrato se torna maleável. Esta temperatura deve ser controlada precisamente para evitar superaquecimento, o que pode danificar o material ou os traços condutivos. O aquecimento pode ser feito usando vários métodos, incluindo fornos de convecção, aquecedores infravermelhos ou equipamentos de termoformagem especializados. O importante é aplicar calor uniformemente em todo o PCB para garantir uma maleabilidade uniforme.

Uma vez que o substrato atinge a temperatura necessária, ele se torna macio e maleável. O molde então molda o PCB na forma tridimensional desejada. Esta etapa deve ser feita rapidamente, mas com cuidado, para garantir que o PCB se conforme ao molde sem introduzir rugas, bolhas ou outros defeitos. A pressão aplicada durante a formação deve ser distribuída uniformemente para evitar estressar o material.

Como exemplo, a DuPont fornece orientações de termoformagem para sua linha de materiais Kapton, incluindo fixação e valores de tempo/temperatura de prensagem com base na profundidade do molde de formação. Leia suas diretrizes para filmes Kapton aqui.

Resfriamento e Solidificação: Após o PCB ter sido moldado, ele precisa ser resfriado especificamente para solidificar sua nova forma. O resfriamento deve ser controlado para evitar a introdução de tensões internas ou defeitos como empenamento e rachaduras. Resfriar muito rapidamente ou não suficientemente rápido pode levar a defeitos no design final. O processo de resfriamento pode ser gerenciado usando resfriamento controlado por ar, banhos de água ou sistemas de resfriamento integrados ao equipamento de termoformagem. Um resfriamento gradual e uniforme é necessário para manter a integridade do PCB.

Remover o circuito flexível do molde também requer grande cuidado. Após o PCB ser removido do molde, ele passa por outra inspeção minuciosa e verificações de controle de qualidade. Isso inclui inspeções visuais para defeitos superficiais, verificações dimensionais para garantir que o PCB esteja conforme o formato desejado e testes mecânicos para avaliar a integridade estrutural.

Processos Avançados em PCBs Flexíveis Termoformados

O campo dos PCBs flexíveis, em geral, está evoluindo, com novos avanços e inovações no horizonte. Pesquisas estão em andamento para desenvolver novos materiais com propriedades aprimoradas, como maior flexibilidade, melhor estabilidade térmica e desempenho elétrico melhorado. Esses avanços expandirão as potenciais aplicações dos PCBs flexíveis termoformados e melhorarão sua confiabilidade.

Tecnologias de fabricação de maior densidade, como a estruturação direta a laser (LDS) e processos de fabricação aditiva (mSAP ou SAP), podem trazer abordagens de design de interconexão de alta densidade (HDI) para os PCBs flexíveis, que então também poderiam ser usados em dispositivos termoformados. Essas técnicas oferecem maior precisão, maior flexibilidade no design e redução dos tempos de produção.

O processo de termoformação é um equilíbrio delicado de controle preciso da temperatura, manuseio cuidadoso e garantia de qualidade rigorosa. Cada etapa, do aquecimento ao resfriamento, deve ser meticulosamente gerenciada para produzir PCBs flexíveis termoformados de alta qualidade que possam suportar as demandas de suas aplicações pretendidas. Se você está considerando um circuito flexível termoformado para sua aplicação, trabalhe com seu fabricante desde o início do processo de design para garantir o mais alto nível de sucesso.