Projeto de PCB Rígido-Flexível: Diretrizes para Restrições Mecânicas, Empilhamentos e Confiabilidade

O projeto de PCB rígida-flex envolve a integração de materiais de circuito flexível com seções rígidas para criar tipos únicos de projetos. O objetivo geralmente é acomodar os projetos em invólucros complexos, formatos compactos ou dobrados, ou invólucros com partes móveis. As PCBs rígida-flex exigem uma abordagem diferente do projeto rígido padrão, mas oferecem maior confiabilidade em certos casos e possibilitam funcionalidades que podem ser difíceis de alcançar com conectores e cabeamento.

Se você nunca desenvolveu uma PCB flexível ou uma PCB rígida-flex, estas diretrizes ajudarão você a criar placas flexíveis e rígida-flex com funcionalidades exclusivas que também atendam aos requisitos de DFM da maioria dos fabricantes. Os stackups de PCB para projetos rígida-flex também podem ser desafiadores, por isso forneceremos orientações sobre os vários stackups, incluindo o uso adequado de enrijecedores.

Tipos de Projetos Rígida-Flex e Stackups de PCB

Os vários tipos de projetos rígida-flex são sempre definidos pelo stackup da PCB, pois é isso que possibilita a funcionalidade em uma PCB rígida-flex. Aqui temos uma breve lista de diferentes tipos de projeto de PCB rígida-flex e algumas imagens demonstrando o que é possível.

• Rígida-flex integrada: o tipo mais comum de rígida-flex, em que a seção flexível é laminada em um stackup de PCB
• Rígida-flex com enrijecedores: em vez de laminar a região flexível no stackup, uma folha de prepreg enrijece a parte flexível em áreas específicas
• PCB totalmente flexível, ou FPC: um projeto sem nenhuma seção rígida, normalmente usado como substituto de um cabo
• Rígida-flex tipo encadernação: um projeto com múltiplas regiões flexíveis sobrepostas que podem se dobrar umas sobre as outras
• Rígida-flex para dobra dinâmica: um projeto rígida-flex destinado a dobramentos repetidos durante a operação
• Rígida-flex HDI: um projeto com microvias perfuradas a laser na seção rígida, na seção flexível ou em ambas
• Rígida-flex transparente: um projeto que usa materiais flexíveis totalmente transparentes com um stackup rígido ou enrijecedor
• Rígida-flex baseada em PTFE: um projeto rígida-flex que usa núcleos de PTFE e bondplies para construir a parte rígida do stackup

Os projetos rígida-flex podem ter múltiplas regiões em que a seção flexível se ramifica. Isso pode terminar em um conector, outra seção rígida, enrijecedor, contatos dourados ou um circuito montado sobre a região flexível. Um exemplo complexo é mostrado abaixo.

Montagens de PCB rígida-flex podem ter múltiplas ramificações e seções rígidas.

Restrições Mecânicas em Projetos Rígida-Flex

Fixação

Projetos rígida-flex frequentemente precisam ser fixados ao invólucro, o que pode ser feito com parafusos ou encaixes de pressão. Alguns métodos de fixação também usam um suporte deslizante que mantém a seção flexível ou rígida no lugar. Isso normalmente exige furos de montagem para manter a montagem rígida-flex posicionada corretamente.

Deformação Permanente

Em algumas montagens rígida-flex, o cabo flexível é permanentemente dobrado ou vincado durante a instalação para que a placa final mantenha sua forma dentro do invólucro. Essas são aplicações de flexão estática, nas quais a dobra é aplicada uma vez e o cabo não se move novamente durante a operação. Quando essa deformação permanente é planejada, o projetista deve definir a região de vinco ou dobra no layout da PCB usando áreas de keepout. Esses keepouts impedem que componentes, vias e trilhas sejam colocados na zona onde a dobra ocorrerá, porque elementos de cobre em uma zona de vinco estão sujeitos a tensão mecânica concentrada, o que pode trincar trilhas ou fraturar juntas de solda ao longo do tempo. Definir esses keepouts no início do layout, idealmente com base no modelo MCAD do invólucro, garante que o cabo flexível possa ser dobrado até sua posição final sem interferências inesperadas.

Limites de Dobramento

A distinção entre dobramento estático e dinâmico é a principal restrição que governa o raio mínimo de dobra permitido em um projeto rígida-flex. O dobramento estático ocorre quando o cabo flexível é dobrado uma vez ou um pequeno número de vezes durante a instalação e depois permanece em posição fixa durante toda a vida útil do produto. O dobramento dinâmico ocorre quando o cabo flexível sofre flexões repetidas e contínuas durante a operação normal, como em uma dobradiça, junta robótica ou dispositivo vestível. O raio mínimo de dobra é definido como um múltiplo da espessura total da parte flexível na região da dobra. Para aplicações de flexão estática, o raio mínimo de dobra geralmente aceito é 6x a espessura da parte flexível, sendo 10x um ponto de partida mais conservador e amplamente recomendado. Para aplicações de flexão dinâmica, o raio de dobra necessário aumenta substancialmente, muitas vezes para 100x a espessura da parte flexível, dependendo do número de ciclos de dobra esperados ao longo da vida útil do produto.

Como exemplo de cálculo, considere uma região flexível de quatro camadas com espessura de 11 mil em uma aplicação estática. Usando a diretriz conservadora de 10x:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

Usando a diretriz mínima absoluta de 6x:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Se essa mesma região flexível de 11 mil fosse usada em uma aplicação dinâmica que exigisse longa vida em ciclos, o raio de dobra precisaria aumentar para aproximadamente:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Isso ilustra como o envelope mecânico cresce rapidamente quando uma região flexível precisa suportar dobramentos repetidos. Espessuras menores de cobre (meia onça ou um terço de onça), cobre laminado recozido e laminados sem adesivo ajudam a melhorar a vida útil em flexão, mas não eliminam a necessidade de respeitar a restrição do raio de dobra.

Esses limites de dobramento criam uma ligação direta entre o stackup da PCB rígida-flex e o projeto mecânico do invólucro. Se a geometria do invólucro for definida primeiro, o espaço disponível para a dobra do cabo flexível determina a espessura máxima da parte flexível e o raio mínimo de dobra que o projetista de PCB pode usar. Por outro lado, se o stackup for definido primeiro com base em requisitos elétricos, como número de camadas, impedância ou espessura de cobre, a espessura resultante da parte flexível impõe um raio mínimo de dobra que o projetista mecânico deve acomodar no invólucro.

Na prática, isso significa que o stackup da PCB e a geometria do invólucro devem ser desenvolvidos em conjunto. Uma região flexível de quatro camadas que atende aos requisitos elétricos pode ser espessa demais para dobrar dentro do volume disponível no invólucro, forçando um compromisso entre número de camadas, espessura de cobre e folga mecânica. A colaboração antecipada entre as equipes de projeto elétrico e mecânico, idealmente por meio de ferramentas sincronizadas de colaboração ECAD-MCAD, evita conflitos em estágios avançados, nos quais o cabo flexível fisicamente não consegue caber no invólucro sem violar seus limites de raio de dobra.

Testes Mecânicos e de Confiabilidade em uma PCB Rígida-Flex

Uma vez definidas as restrições mecânicas, testes típicos de confiabilidade frequentemente são exigidos para o projeto ou para o produto como um todo. Pode então surgir a questão de como validar mecanicamente o projeto rígida-flex.

O software EDA não fornece esse tipo de validação diretamente. No entanto, há duas maneiras de fazer isso:

• Testes físicos: a montagem pode ser submetida a testes de vibração, testes ambientais etc., para verificar a confiabilidade da PCB e da montagem
• Simulação: simulações mecânicas podem ser usadas para entender o comportamento da montagem sob vibração, choque mecânico ou outras condições extremas

Na parte de simulação, é possível levar projetos rígida-flex para software MCAD sem depender de troca de arquivos. Software MCAD comercial pode fornecer simulações de vibração, tensão/deformação e montagem em projetos rígida-flex criados no Altium Develop. Usando o recurso avançado MCAD CoDesigner, os usuários podem criar um gêmeo digital de seu projeto elétrico dentro de software MCAD comercial. Um projetista mecânico pode então usar isso para criar um invólucro, verificar interferências e até posicionar componentes principais ou definir restrições mecânicas da rígida-flex.

O recurso avançado MCAD CoDesigner permite que usuários da Altium portem instantaneamente seu layout de PCB rígida-flex para aplicações MCAD populares.

Como Incluir Restrições Mecânicas

As restrições mecânicas em projetos rígida-flex normalmente envolvem o posicionamento travado de componentes específicos e o uso de keepouts. Às vezes, os keepouts são baseados na altura dos componentes para que não haja interferências em uma montagem. Em software de projeto de PCB, eles são definidos usando regras de projeto e definições de keepout desenhadas diretamente no layout da PCB.

Definindo Regras de Projeto para Restrições Mecânicas

Altium Designer fornece um sistema de regras de projeto orientado por restrições que permite que requisitos mecânicos sejam aplicados diretamente durante o layout. Regras de afastamento, regras de posicionamento e restrições específicas por região podem ser aplicadas a regiões específicas da placa, stackups de camadas ou classes de componentes, o que as torna adequadas para projetos rígida-flex, nos quais diferentes zonas da placa têm requisitos mecânicos fundamentalmente distintos. As etapas a seguir descrevem como configurar regras de projeto que dão suporte à definição de restrições mecânicas em um layout rígida-flex.

• Os fluxos de trabalho de projeto variam de interfaces de planilha centradas em objetos a mecanismos clássicos de regras baseados em consultas para escopo flexível.
• A aplicação de requisitos mecânicos, como afastamento e restrições de estilo de região, é obtida por meio de DRC automatizado e construções Room.
• A otimização da integridade de sinal envolve terminação precisa, controle de impedância baseado no stackup e avaliação de perdas de canal usando diagramas de olho e respostas ao impulso.
• O gerenciamento centralizado de bibliotecas reduz o risco de projeto ao facilitar a reutilização de símbolos validados, footprints e blocos de circuito comprovados.
• A prontidão para fabricação depende da comunicação antecipada com os fabricantes sobre disponibilidade de materiais, espessuras de cobre e razões de aspecto de vias.
• Sistemas integrados de PLM e MRP melhoram a rastreabilidade e a visibilidade da cadeia de suprimentos, ajudando as equipes a gerenciar ciclos de vida de produtos complexos e a volatilidade de compras.

Usando Keepouts no Layout da PCB

Regiões de keepout em um layout de PCB definem áreas onde objetos específicos, como trilhas, vias, componentes ou preenchimentos de cobre, são proibidos. Em projetos rígida-flex, os keepouts têm uma finalidade estrutural além da aplicação padrão de afastamento: eles impedem que cobre e componentes sejam colocados em zonas de dobra, regiões de vinco ou áreas que precisam permanecer livres para o encaixe no invólucro. Os keepouts podem ser desenhados em camadas específicas ou aplicados como restrições multicamadas, e são verificados em relação às regras de projeto ativas durante o DRC. As etapas a seguir descrevem como definir e aplicar regiões de keepout no Altium Designer para um layout rígida-flex.

• Definir escopo: Determine se o keepout se aplica a todas as camadas de sinal (usando a camada Keepout) ou a uma única camada de cobre específica.
• Definir geometria: Coloque uma região de Keepout sobre a área rígida ou flexível onde o roteamento e o posicionamento devem ser impedidos.
• Definir restrições: Configure as restrições no painel Properties para bloquear tipos específicos de objetos (por exemplo, vias, trilhas, pads) dentro da região definida.
• Verificação: Confirme que os recursos de roteamento e posicionamento automáticos estão bloqueados de acordo com as regras, evitando violações de projeto em áreas protegidas.

Se você precisa desenvolver eletrônica de potência confiável ou sistemas digitais avançados, use o conjunto completo de recursos de projeto de PCB da Altium e ferramentas CAD de classe mundial. A Altium oferece a principal plataforma de desenvolvimento de produtos eletrônicos do mundo, completa com as melhores ferramentas de projeto de PCB do setor e recursos de colaboração multidisciplinar para equipes de projeto avançadas. Entre em contato com um especialista da Altium hoje mesmo!