Diretrizes de projeto de circuito flexível de sucesso

Com o uso de sensores e tecnologia em tudo, de telefones celulares a geladeiras, automóveis e dispositivos médicos vestíveis, as placas de circuito são um componente em muitos tipos diferentes de produtos. No mundo atual da eletrônica, qualquer produto com uma chave liga/desliga contém uma placa de circuito. Devido à sua versatilidade, o uso de circuitos flex é um dos segmentos de mercado de produtos que mais cresce.

Com a introdução de circuitos flexíveis e rígidos, os engenheiros tiveram a oportunidade de serem mais criativos na concepção de produtos novos e inovadores. As placas flexíveis e rígidas são construídas para caber em espaços tridimensionais apertados, garantindo resistência ao desgaste mecânico e à vibração. Os engenheiros podem projetar produtos que exijam que as placas caibam em espaços apertados, torçam e girem para embalagens e façam o produto viver em um ambiente mais dinâmico. Esses circuitos flexíveis têm os mesmos níveis de desempenho que as placas FR4 rígidas tradicionais, no entanto, eles têm suas próprias nuances e considerações quando se trata de projeto, fabricação e montagem.

Design/Layout

Ao projetar um circuito flexível, é importante conhecer a aplicação específica da placa. Será usado em um ambiente estático ou dinâmico? Se a placa for residir em um ambiente estático, com pouco ou nenhum movimento, o projeto do circuito precisa ter a quantidade adequada de flexibilidade para que possa ser facilmente instalado no produto. Alternativamente, se a prancha existir em um ambiente dinâmico, onde a prancha se flexionará continuamente para frente e para trás, um nível de flexibilidade que possa suportar movimento contínuo precisa ser considerado no projeto.

A aplicação exigirá uma placa flexível ou uma placa rígida flexível? Se o produto requer tecnologia de montagem em superfície unilateral, uma placa totalmente flexível é a melhor opção. Se o produto exigir tecnologia de montagem em superfície de dois lados, será necessária uma placa rígida flexível.

Seja um engenheiro de hardware, engenheiro mecânico ou um experiente designer de placa de layout, todos ficam um pouco apreensivos na primeira vez que projetam um circuito flexível. Sua suposição é que a abordagem para projetar um circuito flexível é muito diferente de uma placa rígida. Mas o fato é que o layout de um circuito flexível é muito semelhante a uma placa rígida com apenas algumas diferenças. Você configura todas as suas camadas no software como uma placa rígida. Os arquivos de saída são todos iguais. As únicas diferenças reais são a camada de cobertura, a camada de reforço e algumas regras básicas de design a serem lembradas. Entender que um circuito flexível estará flexionando por natureza significa que você precisa manter os principais recursos, como vias, traços de terminação e ângulos agudos, longe das regiões de dobra. O circuito flexível é feito de material de poliimida, por isso é mais difícil de processar, portanto, mantenha seus traços, vias, anéis anulares, almofadas e espaçamento o maior possível. Muitas vezes me perguntam quão pequeno um traço ou via que pode ser usado. Você pode ser tão pequeno quanto quiser, mas será mais difícil de fabricar e a confiabilidade entra em jogo. Você pode se safar com recursos muito mais rígidos em uma placa rígida do que em um circuito flexível. Normalmente em uma placa rígida, a máscara de solda é aplicada nas camadas externas para proteger os recursos de cobre. Em uma placa flexível, os recursos externos de cobre geralmente são protegidos por uma camada de cobertura. No arquivo de design, o designer de layout deve criar essa camada de cobertura da mesma forma que uma camada de máscara de solda. A última diferença com um design flexível é o reforço. Os reforços são usados ​​para adicionar suporte a certas regiões de uma placa de circuito flexível. Os reforços podem estar em várias regiões de um circuito flexível e podem estar em ambos os lados da placa. No arquivo de projeto, se todos os reforços estiverem representados em um arquivo, eles precisam ser identificados no desenho de fabricação em qual lado da placa eles precisam ser aplicados. Caso contrário, uma camada separada deve ser criada para os reforços superior e inferior do circuito flexível.

Quando é necessário suporte adicional para uma área específica na placa de circuito flexível ou é necessária proteção para componentes ou conectores conectados, a melhor opção é incluir um reforço no projeto. Isso eliminará o movimento do circuito e protegerá a integridade das juntas de solda. É importante lembrar que o reforço é melhor colocado no lado oposto do componente que está suportando. Existem vários tipos de reforços para escolher; poliimida, FR4, aço inoxidável, alumínio ou muitas outras opções. A espessura do reforço depende de como a placa será usada. Quanto mais espesso o reforço, mais suporte ele fornece. Se a placa estiver sendo usada em espaços pequenos/apertados, a espessura do reforço pode ser um problema que requer um reforço mais fino. VEJA A IMAGEM MAIS RÍGIDA.

Agora que o projetista completou seu primeiro circuito flexível, ele tem a tarefa de fazer o layout de seu primeiro rígido-flex. O nível de confusão e apreensão aumentou cinco vezes. Os engenheiros geralmente pensam que a parte flexível da placa está colada ou de alguma forma presa à seção rígida da placa. VEJA A IMAGEM RÍGIDO-FLEX. Rigid-flex é construído como todas as pranchas rígidas e flexíveis com o método de camadas empilhadas sobre camadas. Quando se trata de projetar rígido-flex, a abordagem é da mesma forma que as outras placas de circuito. A principal diferença é que certas regiões das camadas rígidas ficarão em branco no arquivo de projeto. O fabricante da placa reconhecerá isso como uma região flexível e planejará a placa de acordo.

Ao contrário de uma placa rígida, o circuito flexível tem muitas variações, portanto, é muito importante ter um desenho de fabricação detalhado para acompanhar o projeto. O desenho de fabricação deve destacar todos os detalhes para que não seja esquecido pelo fabricante. O pior é ter o fabricante assumido o que você precisa. Os circuitos flexíveis têm muitas variáveis ​​móveis, então os detalhes são muito importantes.

Material

O circuito flexível é geralmente construído com material de poliimida. A maioria dos fabricantes nos EUA usará poliimida feita pela Dupont. Fabricantes fora dos EUA podem usar outros fornecedores de materiais devido ao custo e disponibilidade. No entanto, como o circuito flex é único, é uma boa ideia usar o mesmo material no protótipo que eventualmente será usado na produção em volume. Durante o teste, você está tentando ver quantos ciclos o circuito flexível pode suportar. Abaixo está uma regra geral sobre um raio de curvatura de circuito flexível. Anexo A.

A regra do raio da dobra é apenas uma diretriz geral. A maneira absoluta de determinar o quanto um circuito flexível pode dobrar ou quantos ciclos ele suportará é fazer um teste de estresse.

Alguns fatores afetarão o quanto um circuito flexível pode flexionar. A seleção de materiais é muito importante. Embora a espessura da placa determine a flexibilidade, o material ajudará na qualidade e no ciclo de vida do circuito flexível. O tipo de cobre usado em um circuito flexível é muito crítico. Existem dois tipos de cobre disponíveis no mercado, cobre ED (cobre depositado) e cobre recozido em rolo. Se possível, o cobre ED deve ser evitado, pois é um processo revestido e o cobre será muito frágil. O cobre recozido em rolo é o preferido. O cobre é laminado sobre o material flexível, portanto, é muito maleável. Com isso dito, também é importante chamar a atenção para a direção do grão em seu desenho de fabricação. Você quer que o grão vá na mesma direção da sua direção de dobra. Áreas de cobre sólido, como planos de aterramento, devem ser hachurados quando possível. Isso ajudará a tornar o circuito flexível mais flexível.

Fabricação

Agora que o projeto está concluído, vamos construir a placa flexível o mais rápido possível. Como todos os projetos de engenharia, esta placa flexível está atrasada, então precisamos dela para amanhã. Afinal, placas rígidas podem ser construídas em um ou dois dias, então por que não flexibilizar os circuitos. Pare! Não tão rápido meu amigo.

Ao fabricar um circuito flexível requer um tempo de espera mais longo. As placas flexíveis são mais difíceis de fabricar do que as placas de circuito rígido tradicionais, portanto, exigem mais tempo de fabricação. Circuitos flexíveis construídos com material de poliimida. O material é fino, frágil e difícil de manusear. A furação das vias é diferente. A química para plaquear as vias é diferente. Pode haver muito trabalho manual envolvido com o(s) reforço(s) e a cobertura. Todas essas diferenças restringem a maioria dos fabricantes de construir circuitos flexíveis em menos de três dias úteis. Aqui, estamos falando apenas de circuitos flexíveis de 2 camadas. Se o circuito flexível tiver uma contagem de camadas mais alta, o tempo de giro pode subir para duas a três semanas para fabricar.

Agora entramos na fabricação de circuitos rígidos-flex. Circuito rígido-flex é verdadeiramente um animal totalmente diferente. O planejamento inicial e o came de um Rigid-flex podem facilmente levar de 2 a 3 dias para serem executados antes que a placa possa realmente ser liberada para o chão de fábrica. Este trabalho de engenharia inicial é muito crítico porque o rigid-flex tem muitas etapas diferentes e cada passo é crítico para o sucesso da fabricação do rigid-flex. Uma das coisas mais importantes a serem observadas é que o rigid-flex vem em muitos empilhamentos diferentes. É raro ver vários trabalhos rígidos flexíveis em um chão de fábrica com empilhamento semelhante. Com uma placa rígida, todas as placas de 6 camadas são processadas da mesma maneira. Com o rigid-flex, você pode ter 5 trabalhos com 6 camadas no chão de fábrica e todos podem ser processados ​​de forma diferente.

Exemplo-

Placa nº 1 – placa de 6 camadas – tem 4 camadas rígidas com 2 camadas flexíveis.

Placa #2 – placa de 6 camadas – tem 3 camadas rígidas com 3 camadas flexíveis.

Placa nº 3 — placa de 6 camadas — rígida de 4 camadas com 2 camadas flexíveis, mas as 2 camadas flexíveis estão em camadas diferentes.

A outra dificuldade da fabricação de circuitos rígidos-flex é a combinação de trabalhar com dois tipos diferentes de materiais. Rigid-flex está combinando material rígido com material de circuito flexível. Eles têm duas propriedades diferentes, por isso é difícil de trabalhar. Esta é a razão pela qual você não vê muitos fabricantes de placas de circuito construindo circuitos rígidos e flexíveis na mesma instalação. Cada fabricante de placa de circuito se apega ao que eles constroem melhor, respectivamente. A falha mais comum com o circuito rígido-flex é atribuída ao processo de galvanização. Se o chapeamento das vias não for feito corretamente, resultará em vazios, trincas e delaminação. Os dois materiais diferentes têm uma taxa de expansão do eixo Z diferente, de modo que o revestimento inadequado exporá facilmente a má qualidade.

Devido à complexidade de um circuito flexível, ao custo do material, tempo de processamento, química, perfuração e manuseio, o custo para fabricar uma placa flexível é maior do que o de uma placa de circuito rígido tradicional. Os compradores às vezes ficam chocados com o preço diferente entre os circuitos rígidos e flexíveis. Felizmente, eles agora entendem por que há uma diferença de preço e por que os circuitos flexíveis não podem ser construídos tão rápido quanto as placas de circuito rígido tradicionais.

À medida que os produtos eletrônicos se tornam menores, o circuito flexível se tornará mais popular e comum na indústria eletrônica. Embora o custo seja mais alto, existem muitas aplicações úteis para circuitos flexíveis. Os circuitos flexíveis podem ser dobrados e apertados em um espaço apertado. Os circuitos flexíveis podem se mover para frente e para trás em um ambiente dinâmico. A indústria eletrônica não precisa mais ser tão rígida. O circuito flexível pode ajudar os designers a expandir sua imaginação e desenvolver produtos eletrônicos mais frios e avançados.

Artigo de Tuan Tran, Diretor da hitechcircuits