Refletindo sobre o Design de PCB Rígido-Flexível

Cada vez mais, os projetistas enfrentam a necessidade de reduzir o tamanho e o custo dos produtos que projetam, ao mesmo tempo em que aumentam a densidade e simplificam a montagem. Circuitos rígido-flexíveis (aqueles que incorporam partes flexíveis entre seções rígidas separadas) estão se tornando uma solução mais comum. Este blog é o início de uma série curta que discute os materiais, a fabricação e os métodos de design para o uso da tecnologia rígido-flexível.

Como o título deste blog sugere, tenho pensado muito ultimamente sobre placas de circuito Rígido-Flex. Rígido-Flex pode ter muitos benefícios, e muitos projetistas pelo menos estão considerando isso hoje, o que anteriormente não precisavam fazer. Parece que mais projetistas estão enfrentando pressões maiores para construir eletrônicos cada vez mais densamente povoados, e com isso também vem a pressão para reduzir custos e tempo na fabricação. Bem, isso realmente não é nada novo, claro. É apenas que o escopo de engenheiros e projetistas que têm que responder a essas pressões está continuamente se ampliando.

Mas existem aspectos dos circuitos rígido-flexíveis que podem ser armadilhas no caminho para os novatos na tecnologia. Portanto, é prudente primeiro entender como os circuitos flexíveis e as placas rígido-flexíveis são realmente feitos. A partir daí, podemos olhar para os problemas de design e encontrar um caminho claro a seguir. Por agora, vamos considerar quais materiais básicos entram nessas placas.

Materiais de Circuito Flexível

Substrato e Filmes de Cobertura

Comece pensando em uma PCB rígida normal - o material base é tipicamente fibra de vidro e resina epóxi. Na verdade, é um tecido, e embora os chamemos de “rígidos”, se você pegar uma única camada de laminado, eles têm uma quantidade razoável de elasticidade. É a resina epóxi curada que torna a placa mais rígida. Isso não é flexível o suficiente para muitas aplicações, embora para montagens simples onde não vai haver movimento constante, é adequado.

• Saiba mais sobre materiais de placas de circuito flexível

Para a maioria das aplicações, é necessário um plástico mais flexível do que a resina epóxi de rede usual. A escolha mais comum é o poliimida, porque é muito flexível, muito resistente (não é possível rasgar ou esticar notavelmente com a mão, tornando-o tolerante na montagem do produto), e também incrivelmente resistente ao calor. Isso o torna altamente tolerante a múltiplos ciclos de refluxo e razoavelmente estável na expansão e contração devido a flutuações de temperatura.

O poliéster (PET) é outro material comumente usado em circuitos flexíveis, mas não tolera altas temperaturas e é menos dimensionalmente estável que os filmes de Poliimida (PI). Eu vi isso ser usado em eletrônicos de muito baixo custo onde a parte flexível tinha condutores impressos (onde o PET não podia suportar o calor da laminação), e desnecessário dizer que nada foi soldado a ele - em vez disso, o contato era feito por pressão bruta. Eu me lembro que o display deste produto (um rádio-relógio) em questão nunca funcionou muito bem devido à baixa qualidade da conexão do circuito flexível. Então, para rigid-flex, vamos assumir que estamos aderindo ao filme PI. (Outros materiais estão disponíveis, mas não são frequentemente usados).

Filmes de PI e PET, assim como núcleos finos de epóxi e fibra de vidro, formam substratos comuns para circuitos flexíveis. Os circuitos devem então usar filmes adicionais (geralmente PI ou PET, às vezes tinta de máscara de solda flexível) para cobertura. A cobertura isola os condutores da superfície externa e protege contra corrosão e danos, da mesma forma que a máscara de solda faz na placa rígida. As espessuras dos filmes de PI e PET variam de ⅓ mil a 3 mils, sendo 1 ou 2 mils típicos. Substratos de fibra de vidro e epóxi são sensivelmente mais espessos, variando de 2 mils a 4 mils.

Condutores

Enquanto os eletrônicos baratos mencionados acima podem usar condutores impressos - geralmente algum tipo de filme de carbono ou tinta à base de prata - o cobre é o condutor de escolha mais típico. Dependendo da aplicação diferentes formas de cobre precisam ser consideradas. Se você está simplesmente usando a parte flexível do circuito para reduzir o tempo e os custos de fabricação removendo cabos e conectores, então o usual folha de cobre laminado (eletrodepositado, ou ED) para uso em placa rígida está bom. Isso também pode ser usado onde pesos maiores de cobre são desejados para manter os condutores de alta corrente na largura mínima viável, como em indutores planares.

Mas o cobre também é infame por endurecer com o trabalho e pela fadiga. Se a aplicação final envolver dobragem ou movimento repetido do circuito flexível, você precisa considerar folhas de cobre laminado recozido (RA) de grau superior. Obviamente, o passo adicional de recozimento da folha aumenta consideravelmente o custo. Mas o cobre recozido é capaz de esticar mais antes que ocorram fissuras por fadiga, e é mais elástico na direção de deflexão Z - exatamente o que você deseja para um circuito flexível que estará dobrando ou enrolando o tempo todo. Isso ocorre porque o processo de recozimento por laminação alonga a estrutura granular na direção planar.

Figura 2: Ilustração exagerada do processo de recozimento, obviamente não em escala. A folha de cobre passa entre rolos de alta pressão que alongam a estrutura granular em uma orientação planar, tornando o cobre muito mais flexível e elástico na deflexão z.

Exemplos de tal aplicação seriam conexões de pórtico a uma cabeça de roteador CNC, ou captação a laser para um drive de Blu-Ray (como mostrado abaixo).

Figura 3: Circuito flexível usado para ligar a captação a laser à montagem da placa principal em um mecanismo de Blu-Ray. Note que a PCB na cabeça do laser tem a parte flexível dobrada em ângulos retos, e uma gota de adesivo foi adicionada para reforçar o circuito flexível na junção.

Adesivos

Tradicionalmente, os adesivos são necessários para unir o folheado de cobre aos filmes de PI (ou outros), porque, ao contrário de uma placa rígida FR-4 típica, há menos "dente" no cobre recozido, e calor & pressão sozinhos não são suficientes para formar uma ligação confiável. Fabricantes como a DuPont oferecem filmes de cobre laminados simples e duplos pré-laminados para a gravação de circuitos flexíveis, usando adesivos à base de acrílico ou epóxi com espessuras típicas de ½ e 1 mil. Os adesivos são especialmente desenvolvidos para flexibilidade.

Laminados "sem adesivo" estão se tornando mais prevalentes devido a novos processos que envolvem a deposição ou galvanização de cobre diretamente no filme de PI. Esses filmes são escolhidos quando são necessários passos mais finos e vias menores, como em circuitos HDI.

Silicones, colas de fusão a quente e resinas epóxi também são usados quando contas protetoras são adicionadas às junções ou interfaces flexíveis-rígidas (ou seja, onde a parte flexível da pilha de camadas deixa a parte rígida). Eles oferecem reforço mecânico ao fulcro da junção flexível-rígida que, de outra forma, rapidamente fadigaria e racharia ou rasgaria em uso repetido. Um exemplo disso é mostrado na Figura 3 acima.

Figura 4: Empilhamento típico de um Circuito Flex de camada única.

É importante estar ciente dos materiais usados em circuitos flexíveis e rígido-flexíveis. Mesmo que você geralmente permita ao fabricante a liberdade de selecionar os materiais com base na sua aplicação, a ignorância não o protegerá de falhas no campo do produto final. Um recurso realmente bom que contém muito mais detalhes do que minha breve introdução aqui é:

• Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6ª Ed. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

Conhecer as propriedades dos materiais também ajudará no design mecânico, avaliação e teste do seu produto. Se você está trabalhando em produtos automotivos, por exemplo; calor, umidade, produtos químicos, choque e vibração - todos precisam ser modelados com propriedades materiais precisas para determinar a confiabilidade do produto e o raio mínimo de dobra permitido. A ironia é que as necessidades que o levam a escolher flexíveis e rígido-flexíveis muitas vezes estão ligadas a ambientes severos. Por exemplo, dispositivos eletrônicos pessoais de baixo custo são frequentemente submetidos a vibrações, quedas, suor e pior.

Processos de Fabricação Flex & Rígido-Flex

À primeira vista, uma placa flexível típica, ou rígido-flexível, parece simples. No entanto, a natureza dessas exige várias etapas adicionais no processo de construção. O início de qualquer placa rígido-flexível é sempre as camadas flexíveis de um ou dois lados. Como mencionado na semana passada, o fabricante pode começar com flex pré-laminado ou pode começar com filme de PI sem revestimento, e então laminar ou revestir o cobre para o revestimento inicial. Laminar o filme requer uma fina camada de adesivo, enquanto o revestimento sem adesivo requer uma camada "semente" de cobre. Esta camada semente é inicialmente depositada usando técnicas de deposição a vapor (ou seja, pulverização), e fornece a chave para a qual o cobre depositado quimicamente é revestido. Este circuito flex de um ou dois lados é perfurado, revestido por meio de e gravado em etapas muito semelhantes às dos núcleos de 2 lados típicos em placas rígidas.

A animação GIF abaixo mostra as etapas de criação de uma placa de circuito flexível típica de dois lados.

• Saiba mais sobre a fabricação de PCBs flexíveis e rígido-flexíveis

Figura 5: Animação GIF mostrando o processo de construção do circuito flex.

1. Aplicação de Revestimento Adesivo/Semente

Aplica-se um adesivo epóxi ou acrílico, ou utiliza-se a pulverização catódica para criar uma fina camada de cobre para uma chave de galvanização.

2. Adição de Folha de Cobre

Seja pela laminação de folha de cobre RA/ED ao adesivo (a abordagem mais comum) ou pela galvanoplastia na camada de semente.

3. Perfuração

Os furos para vias e pads são mais frequentemente perfurados mecanicamente. Vários substratos flexíveis revestidos podem ser perfurados simultaneamente, combinando-os a partir de múltiplos rolos, perfurando entre placas de trabalho e, em seguida, desenrolando para separar rolos do outro lado da máquina de perfuração. Painéis flex pré-cortados podem ser combinados e perfurados entre blanks rígidos da mesma forma que os núcleos rígidos são perfurados, embora isso exija um registro mais cuidadoso e a precisão do alinhamento seja reduzida. Para furos ultra-pequenos, a perfuração a laser está disponível, embora com um custo muito maior porque cada filme tem que ser perfurado separadamente. Isso utilizaria lasers Excimer (ultra-violeta) ou YAG (Infra-Vermelho) para maior precisão (microvias), lasers CO2 para furos médios (4+ mils). Furos grandes e recortes são feitos com punção, mas este é um passo de processo separado.

4. Galvanização de Furo Passante

Uma vez feitos os furos, o cobre é depositado e quimicamente revestido da mesma forma que os núcleos de placas rígidas.

5. Impressão de Resistência à Gravação

Uma resistência à gravação fotossensível é revestida nas superfícies do filme, e o padrão de máscara desejado é usado para expor e desenvolver a resistência antes da gravação química do cobre.

6. Gravação e Descascamento

Após o cobre exposto ser gravado, a resistência à gravação é quimicamente removida do circuito flexível.

7. Cobertura

As áreas superior e inferior do circuito flexível são protegidas por uma cobertura que é cortada no formato. Pode haver componentes de fato montados em seções do circuito flexível, caso em que a cobertura também atua como uma máscara de parada de solda. O material de cobertura mais comum é filme adicional de poliimida com adesivo, embora processos sem adesivo estejam disponíveis. No processo sem adesivo, máscara de solda fotoimprimível (a mesma usada em seções de placas rígidas) é usada, essencialmente imprimindo a cobertura no circuito flexível. Para designs mais grosseiros e mais baratos, a serigrafia também é uma opção com cura final por exposição a UV.

Figura 6: Um exemplo de circuito flexível com cobertura - note que as aberturas na cobertura são geralmente menores do que os pads dos componentes.

Uma nota importante a fazer sobre o coverlay é que ele é tipicamente colocado apenas nas partes do circuito flexível que serão, em última análise, expostas. Para placas rígido-flexíveis, isso significa que o coverlay não é colocado onde as seções rígidas estarão, exceto por uma pequena sobreposição - geralmente cerca de ½ mm. O coverlay pode ser incluído em toda a seção rígida, embora isso afete negativamente a adesão e a estabilidade no eixo z da placa rígida ao fazer isso. Esse tipo de coverlay seletivo é referido como "bikini coverlay" pelos fabricantes de placas que usam esse processo porque ele apenas cobre o essencial. Além disso, recortes para pads de componentes ou conexões no coverlay deixam pelo menos dois lados do pad land para ancorar sob ele. Voltaremos a este assunto no próximo blog.

8. Cortando a Placa Flexível

O último passo na criação do circuito flexível é cortá-lo. Isso é frequentemente referido como "blanking". A abordagem de custo-efetividade para grandes volumes de blanking é o uso de um conjunto de punção e matriz hidráulicos, o que envolve custos de ferramental relativamente altos. No entanto, este método permite cortar vários circuitos flexíveis ao mesmo tempo. Para protótipos e produções de baixo volume, utiliza-se uma faca de blanking. A faca de blanking é basicamente uma lâmina de barbear looonga, dobrada na forma do contorno do circuito flexível e fixada em uma ranhura roteada em uma placa de suporte (MDF, madeira compensada ou plástico grosso como teflon). Os circuitos flexíveis são então pressionados contra a faca de blanking para serem cortados. Para protótipos ainda menores, cortadores X/Y (semelhantes aos usados na fabricação de placas de vinil) poderiam possivelmente ser usados.

Laminação e Usinagem

Se o circuito flexível for formar parte de um empilhamento combinado rígido/flexível (que é o que nos interessa), o processo não para por aí. Agora temos um circuito flexível que precisa ser laminado entre as seções rígidas. Isso é o mesmo que uma camada central individual perfurada, banhada e gravada, apenas muito mais fina e flexível devido à falta de fibra de vidro. Como mencionado anteriormente, no entanto, uma camada menos flexível poderia ser feita com PI e vidro, dependendo da aplicação alvo. Como isso está sendo laminado com seções rígidas, ele finalmente tem que ser enquadrado em um painel que se acopla com as seções do painel da placa rígida também.

Empilhamentos Laminados

O circuito flexível é laminado no painel junto com as seções rígidas e quaisquer outras seções flexíveis, com adesivo adicional, calor e pressão. Múltiplas seções flexíveis não são laminadas adjacentes umas às outras. Isso geralmente significa que cada seção flexível tem um número máximo de camadas de cobre de 2, para que a flexibilidade seja mantida. Essas seções flexíveis são separadas por pré-impregnados rígidos e núcleos ou folhas de ligação PI com adesivos epóxi ou acrílicos.

Essencialmente, cada painel rígido é separadamente roteado nas áreas onde o flexível vai ser permitido, bem, flexionar.

Aqui está um exemplo de processo de laminação em uma placa rígido-flexível, com dois circuitos flexíveis de 2 camadas embutidos entre três seções rígidas. A pilha de camadas ficaria como a mostrada nas figuras 3 e 4.

Figura 7: Como os painéis flexíveis gravados, metalizados, com cobertura e recortados são combinados com os painéis rígidos de vidro-epóxi.

Figura 8: Detalhe da pilha de camadas mostrando furos metalizados para cada seção flexível, bem como furos metalizados finais na seção rígida.

Na pilha de camadas exemplo mostrada na Figura 8, temos dois circuitos flexíveis pré-gravados e cortados, cada um com dupla face e metalização passante. O circuito flexível foi recortado em um painel de montagem final incluindo bordas para enquadramento - isso manterá o circuito flexível plano durante a montagem final após a laminação com as seções do painel rígido. Certamente existem alguns riscos potenciais com o suporte inadequado dos cotovelos do circuito flexível e grandes seções abertas durante a montagem - especialmente no calor de um forno de refusão. Abordarei algumas dessas questões ao olhar para os aspectos de design na minha próxima postagem no blog.

O coverlay também é aplicado - como adesivos laminados com adesivo, ou por um processo de impressão fotográfica, como mencionado anteriormente. Uma vez que os painéis flexíveis e rígidos finais neste empilhamento de 6 camadas são colocados juntos, eles são laminados com as camadas finais de folha de cobre mais externas (superior e inferior). Em seguida, é feita outra perfuração para os furos passantes metalizados de cima para baixo. Opcionalmente, também podem ser feitas vias cegas perfuradas a laser (de cima para o primeiro flexível, de baixo para o último flexível), adicionando novamente despesas ao design.

Os passos finais são a impressão da máscara de solda stop superior e inferior, serigrafia superior e inferior e revestimento protetor (como ENIG) ou nivelamento por ar quente (HASL).

Múltiplos Sub-Empilhamentos 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. Novamente, sabe-se que o cobre é endurecido pelo trabalho e fraturas por fadiga ocorrerão eventualmente, com ciclos de flexão repetidos e raios apertados. Uma maneira de mitigar isso é usar apenas circuitos flex 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, como mostrado na Figura 9.

Como o poliimida é muito elástico, isso não é um problema e durará muito mais sob movimento repetido do que várias camadas de cobre. Da mesma forma, ter vários circuitos flexíveis separados é muitas vezes necessário, mas é melhor evitar ter dobras em seções sobrepostas onde o comprimento das seções flexíveis limita o raio de curvatura.

• Aprenda mais sobre PCBs flexíveis estáticos e dinâmicos

Figura 9: Para circuitos de dobra altamente repetitiva, é melhor usar cobre RA em flex de camada única para aumentar a vida útil à fadiga (em ciclos antes da falha) do cobre no circuito.

Esferas Adesivas

Como mencionei na semana passada, 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.

A dispensação automática de fluidos pode ser usada, mas você precisa ter muito cuidado para colaborar com os engenheiros de montagem para garantir que você não acabe com grandes quantidades 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 as equipes de fabricação e montagem.

Reforços & Terminações

As extremidades dos circuitos flexíveis tipicamente terminam em um conector, se não na própria montagem 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-flexíveis também.

• Saiba mais sobre terminações de PCBs flexíveis

O Painel

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

Figura 10: Exemplo de painel final Rígido-Flexível. Note que este tem bordas dianteiras e traseiras da placa, e circuito flexível, recortados. Os lados rígidos são entalhados com V-groove para serem quebrados posteriormente. Isso economizará tempo na montagem no invólucro.

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