Dominando o Design de PCB Rígido-Flex: Habilidades Especializadas para Placas Rápidas e de Alta Qualidade

Um design de PCB rígido-flex é, de longe, considerado um PCB complexo de projetar, pois requer domínio de habilidades técnicas para fabricá-lo. De fato, ele se destaca de um design de placa de circuito comum devido à sofisticação. Inquestionavelmente, as características de um PCB rígido-flex levaram à sua adoção em mais avanços tecnológicos modernos.

Portanto, conhecer e dominar o processo de design é essencial para projetar PCBs de qualidade. Neste artigo, vamos aprender sobre o processo de design acompanhado por um guia. Além disso, citaremos problemas específicos que podem ocorrer e as medidas de precaução a tomar quando isso acontecer.

(Ilustração colorida de um PCB rígido-flex)

1. O que é PCB Rígido-Flex?

Como o nome sugere, uma placa de circuito impresso rígido-flex (RFP) é uma placa híbrida que usa uma integração de tecnologias de placas flexíveis e rígidas em uma aplicação eletrônica. Quase todos os PCBs rígido-flex projetam um componente flexível de poliamida em um reforço rígido do tipo Flame Retardant 4 (FR4).

Você descobrirá que algumas partes da placa são flexíveis enquanto outras são rígidas ao examiná-la. Além disso, você pode dobrar ou dobrar os circuitos facilmente e ainda manter as formas das áreas que requerem mais suporte.

(O fundo de alta tecnologia de PCB rígido-flex)

2. Design do Tipo de Empilhamento de Camadas Rígido-Flex

O fabricante projeta o PCB como uma pilha multicamadas para definir o layout vertical de cada camada, também conhecido como plano Z. O empilhamento de camadas tem uma fabricação de uma única unidade em qualquer placa.

2.1 A Melhor Estratégia de Empilhamento de Camadas

Uma estratégia perfeita de empilhamento de camadas deve permitir que você organize trilhas e planos de terra para bloquear EMI. Além disso, deve se adaptar ao design rígido-flex e às temperaturas do design.

Um empilhamento multicamadas é desejável. É pelas seguintes razões:

• Pode alternar entre planos de sinal e terra.
• Cada uma de suas camadas tem um dielétrico ou um prepreg entre elas.
• Coloca problemas térmicos em consideração.
• Acomoda dispositivos com elementos analógicos e digitais. No entanto, os dispositivos devem usar camadas de terra separadas no empilhamento. A essência da separação é evitar acoplamento de ruído e prevenir EMI.

2.2 Características de Camada Única

• Tem uma ou duas camadas externas de cobertura de poliamida.
• Tem furos acessíveis em um ou ambos os lados.
• Os furos de componentes não têm placas.
• Você pode usar componentes, reforços, pinos e conectores em um tipo de camada única.
• Altamente recomendável em aplicações que lidam com flexão estática e dinâmica.

2.3 Características de Dupla Camada

• Os projetistas revestem os furos, permitindo conexão entre as duas camadas.
• Você pode usar componentes, reforços, pinos e conectores, embora possa haver ausência de reforços.
• Há a presença de duas camadas condutoras com um isolante entre elas. Os projetistas podem cobrir a camada externa ou deixar os pads expostos.
• Os pads descobertos ou furos de acesso estão em ambos os lados - os vias podem ter coberturas em ambos os lados.
• Aplicável para aplicações de flexão estacionária e ativa.

2.4 Características Multicamadas

• Primeiro, PCBs multicamadas têm três ou mais camadas condutoras flexíveis. Os projetistas então colocam um componente isolante flexível entre cada camada. Por fim, podem optar por cobrir a camada externa ou expor os pads.
• O via pode ser coberto ou exposto também.
• Os furos de contato ou pads livres estão em um ou ambos os lados do PCB.
• Vários materiais são utilizáveis, por exemplo, componentes, reforços, pinos e conectores.
• Freqüentemente encontrados em aplicações de flexão estática.

(Close-up em um PCB multicamadas)

3. Faixa de Aplicação de PCB Rígido-Flex

O RFP tem uma ampla gama de aplicações em eletrônica e às vezes em sistemas de controle. Dependendo do produto em que é usado, você encontrará sua aplicação em:

• eletrodomésticos
• indústria automotiva
• indústria aeroespacial
• Sistemas de torre de controle
• Sistemas de vigilância CCTV
• sistemas de automação industrial
• painéis de controle

(Exemplo de aplicação de PCB rígido-flex em uma motherboard)

4. Diretrizes para Design Rígido-Flex

Sem as diretrizes adequadas na montagem/projeto do seu RFP, o produto final pode ser propenso a desafios. Portanto, seguir as instruções estipuladas à risca pode poupar muito trabalho.

As seguintes são algumas diretrizes padrão que você pode seguir ao projetar seu PCB.

• Primeiro, prepare o tipo de material (adesivo, condutor, etc.), método de fabricação (se pressão e calor são necessários) e o número de camadas.
• Segundo, certifique-se de colocar os traços de cobre em um ângulo de 90° das dobras rígidas e flexíveis.
• Então, considere os fatores eletroquímicos que afetam tanto o circuito flexível quanto a placa rígida. Quanto a isso, você precisará focar na proporção do raio de curvatura para a espessura. Como regra, o raio de curvatura deve ser no mínimo dez vezes a espessura do material flexível.
• Além disso, você deve deixar uma distância de 0.5 mm entre o anel de cobre e vias adjacentes. Uma conexão próxima pode causar fadiga que ocorre frequentemente após dobras frequentes. Novamente, as vias devem estar em áreas imóveis na placa, ou seja, onde raramente se movem.
• Por fim, verifique as condições operacionais do produto. De outra forma, verifique condições ambientais, por exemplo, mudança de temperatura, resfriamento, umidade, choque, não inflamabilidade e vibrações.

5. Que Material Você Deve Escolher para Design de PCB Rígido-Flex?

Filmes de Substrato e Coverlay

O tipo preferível é fibra de vidro tecida entre resina epóxi. A fibra de vidro tem um certo grau de elasticidade. Por outro lado, a epóxi curada torna a placa rígida. Usar epóxi requer um estado onde há menos movimento.

Poliamida é um substituto para epóxi devido à sua flexibilidade aprimorada. Além disso, você não pode rasgar facilmente este material ou esticá-lo à mão. Finalmente, é altamente resistente ao calor, mantendo a estabilidade durante flutuações de temperatura.

Poliéster (PET) é frequentemente comumente aplicável durante o design. Uma desvantagem com este material é o fato de que não pode sobreviver por muito tempo em temperaturas extremas. Assim, você encontrará sua aplicação em produtos eletrônicos de baixo custo.

Politetrafluoretileno (PTFE) pode atuar no lugar de um PET. Você o usará principalmente em produtos de alta frequência com baixa constante dielétrica.

Coverlay atua como isolante e protege a superfície externa de danos e deterioração indesejada.

(Close-up em uma resina epóxi)

Condutores

As escolhas variam de filme de carbono e tinta à base de prata, mas o mais preferível é cobre. A escolha do cobre definitivamente acompanhará sua aplicação. Por exemplo, uma folha de cobre laminada (Electro-Deposited) é apropriada em partes de circuito flexível simples ou cobres pesados se encaixam para manter condutores de alta corrente.

Outro condutor no mercado é a folha Recozida a Rolo (RA). Tem um custo mais alto que o cobre padrão, mas a qualidade em estiramento e mola é excelente.

Adesivos

Adesivos são para flexibilidade. Sua função é unir a folha de cobre à poliamida ou outros filmes, pois calor e pressão sozinhos não podem formar uma conexão confiável. Materiais usados incluem adesivos à base de acrílico ou epóxi com espessuras de cerca de 0.5-1 mil.

Você também pode usar silicones e colas de fusão a quente em interfaces flexíveis e rígidas.

(Uso de silicone)

6. Software para Design de PCB Rígido-Flex

Você pode usar o software em designs de PCB para animar e definir distintamente seus PCBs. Aqui estão duas maneiras conhecidas de iniciar o processo:

Ferramentas Integradas ECAD/MCAD

ECAD/MCAD permite colaboração bidirecional entre domínios elétricos e mecânicos. As ferramentas validam visualmente designs com 3D fotorrealista para reduzir iterações. Elas simplificam o processo de design verificando o seguinte.

Altium Designer

O PCB do Altium Designer é uma configuração de design em camadas que suporta cerca de 32 camadas de sinal e 16 camadas de plano. Inquestionavelmente, o avançado Altium Designer é o único software de design de PCB com a capacidade de fornecer as ferramentas necessárias para montagem de PCB rígido-flex em uma única plataforma.

Alternativamente, o Altium Designer compreende um poderoso motor de renderização 3D que apresenta uma representação realista tridimensional da placa de circuito. O motor suporta placas de circuito rígido-flex e pode examinar a placa em estado plano.

7. Precauções para Design de PCB Rígido-Flex

A falha em seguir as diretrizes pode resultar em consequências desastrosas. Além disso, pode levar a desperdício de materiais, tempo e dinheiro caso você perca uma etapa no procedimento.

Existem algumas precauções gerais que você precisará ter em mente antes do processo de design, e elas incluem:

• Evite dobrar nos cantos. Se você fizer isso, certifique-se de que os cantos sejam curvos, não afiados.
• Você não deve colocar componentes ou vias perto da linha de dobra. As linhas de dobra afetam o roteamento causando estresse no material.
• Use polígonos hachurados para manter a flexibilidade ao transportar um plano de potência ou terra no circuito flexível.
• Mude progressivamente a largura dos traços. Mudanças súbitas na largura dos traços podem levar a um ponto fraco.
• Mantenha as camadas flexíveis no mínimo de duas para máxima flexibilidade e baixo custo.
• Use uma placa de circuito impresso com a menor espessura e tipos de materiais reduzidos. Um RFP espesso afeta a miniaturização de produtos de montagem e consequentemente incomoda o processo de fabricação.
• A disposição dos fios mostra os requisitos de resistência à dobra para aumentar a resistência a choques.

8. Problemas Frequentemente Encontrados no Design de PCB Rígido-Flex

• Raio e posição de curvatura de PCB flexível

Quando a placa dobra por um longo período, algumas partes do circuito flexível terão estresse extra mais que suas contrapartes. Um raio menos arredondado também contribui para estresse físico.

• Podem haver problemas envolvendo os requisitos mecânicos para PCB rígido-flexível. Isso se refere à espessura da placa de circuito (placas espessas são ineficientes), forma de dobra, frequência de dobra e razão de diâmetro do furo de perfuração para espessura da placa.
• Se você não posicionar corretamente o espaço entre um pad e traço de cobre, pode haver curtos. Portanto, a distância deve ser capaz de abrigar a máscara.
• Traços empilhados encontrados em um ponto semelhante no lado oposto dos dielétricos experimentam estresse devido à sua posição, o que tragicamente causa sua fratura.
• Os projetistas podem causar danos aos traços subjacentes em casos onde aplicam uma quantidade excessiva de filme de cobertura no PCB.

Resumo

Em suma, tomar medidas de precaução apresenta uma porcentagem maior de eficácia no design de PCB. Tal ação é louvável, pois economiza custo, alonga a vida útil da placa e, em um aspecto geral, mantém a qualidade do plano.

Esperamos que você tenha adquirido algum conhecimento básico de rígido-flex deste artigo. Em caso de dúvidas, preocupações ou comentários, entre em contato conosco. De fato, ficaremos mais do que felizes em tê-lo a bordo em nossa sessão gradual de aprendizado.