PCBs flexíveis: Tipoes, Design e Aplicações

Placas de circuito impresso flexíveis se dobram para se adaptar a espaços curvos e apertados. Elas utilizam finas camadas de cobre sobre uma película flexível que permite aos engenheiros construir dispositivos menores. Você pode encontrá-las dentro de câmeras, smartphones e instrumentos médicos. A curvatura e a dobra oferecem novas opções de layout e permitem que elas transmitam sinais com alta confiabilidade.

PCBs flexíveis ajudam a reduzir o espaço e o peso dos dispositivos. Designers podem criar equipamentos finos e leves, enquanto dispositivos vestíveis ganham conforto e resistência. Fabricantes podem reduzir as etapas de montagem, economizando tempo nas linhas de produção. Placas flexíveis também suportam o movimento e o estresse do uso diário. Uma grande variedade de dispositivos, incluindo carros elétricos, drones e casas inteligentes, utilizam essa tecnologia. Esse crescimento molda muitas novas ferramentas para você.

Continue lendo enquanto analisamos os principais tipos de PCBs flexíveis, a estrutura e seus prós e contras. Também os compararemos com os PCBs rígidos mais populares e explicaremos por que você deve considerar os PCBs flexíveis. 

O que é um PCB flexível?

Uma placa de circuito impresso flexível (PCB) é uma placa eletrônica fina construída sobre uma película flexível. Ela contém trilhas de cobre que transportam energia e sinais pela placa. A película base pode se torcer ou enrolar em torno das peças. Você também pode moldá-la para se ajustar a espaços apertados ou curvos. Essa liberdade a torna ideal quando uma placa plana não é suficiente.

PCBs rígidos assentam sobre um substrato rígido e plano que resiste à flexão e mantém a forma sob tensão. PCBs flexíveis, por outro lado, dobram e flexionam com o movimento ou encaixes apertados. Você pode dobrá-los dentro de dispositivos compactos, economizando conectores e cabos. Isso também reduz o peso e as etapas de montagem. Essa mudança de design possibilita muitos novos layouts.

Placas flexíveis utilizam películas como poliamida ou poliéster como substratos. A folha de cobre adere a essa película com um adesivo especial e uma camada de cobertura protege os traços, mantendo a flexibilidade. Você pode encontrar reforços adicionados para fixar as peças e também películas de cobertura para isolamento e resistência. A quantidade e a espessura das camadas variam de acordo com o uso para equilibrar a flexibilidade e a durabilidade.

Você encontra PCBs flexíveis em câmeras, celulares, dispositivos vestíveis e sensores. Elas se encaixam em scanners médicos, óculos inteligentes e drones. Montadoras de automóveis as utilizam em painéis e sensores, enquanto naves espaciais e satélites dependem de seu peso leve e flexibilidade. Placas flexíveis também são essenciais em robôs que se movem.

Tipos de placas de circuito flexíveis

Existem muitos tipos de PCBs flexíveis usados ​​em diferentes componentes e dispositivos elétricos. Veja aqui uma análise mais detalhada de alguns deles.

PCB flexível de um lado

Uma PCB flexível de um lado coloca trilhas de cobre em um lado de uma película fina. A película de poliamida funciona como um transportador de sinal ao se curvar em pequenos espaços. Uma camada protetora fornece proteção às trilhas e marcas que servem como pontos de dobra. Este projeto de layout produz uma placa fina com custos acessíveis para circuitos eletrônicos básicos.

Engenheiros geralmente utilizam placas flexíveis de um lado para fitas de sensores e fitas de LED, bem como para conexões básicas de sinal. A placa sofrerá um único movimento de flexão durante a fabricação ou permanecerá plana. Um único corte nos chicotes e cabos reduz tanto o espaço necessário quanto o peso do sistema. A camada única de cobre também permite que as empresas de fabricação mantenham baixos custos de produção, ao mesmo tempo em que simplificam os processos de fabricação para pequenas tiragens.

O design não suportam cabeamento complexo sem jumpers adicionais. Todo o caminho do trace recebe seu planejamento meticuloso, o que elimina qualquer possibilidade de cruzamentos. Conexões adicionais requerem jumpers ou fios externos. A adição de reforços resulta em maior espessura da placa, pois eles servem como conectores ou elementos de montagem de peças.

PCB flexível de dupla face

Uma PCB flexível de dupla face contém cobre em ambos os lados de sua película. Furos passantes e microvias conectam as diversas camadas da placa. As capacidades adicionais de roteamento aumentam dentro da mesma área dimensional. Cada lado da PCB flexível possui camadas protetoras que também reforçam as áreas propensas à flexão. A placa mantém seu perfil fino ao lidar com níveis médios de complexidade e densidades de sinal.

PCBs flexíveis de dupla face aparecem dentro de leitores de código de barras e cabos de câmera, bem como em retroiluminações de LED. A camada adicional permite melhor desempenho ao dividir a energia das linhas de dados. Processos de fabricação que incluem operações de perfuração e galvanoplastia elevam os custos de fabricação a níveis superiores aos da construção de uma só face. A flexibilidade no posicionamento das peças e no roteamento crítico da rede demonstra ganhos para os projetistas.

O processo de roteamento em zonas de dobra exige um planejamento rigoroso para evitar rachaduras nas vias. O processo de fabricação exige o posicionamento das vias em áreas que evitem seções curvas, utilizando aberturas reforçadas na camada de revestimento. As regras do fabricante determinam as dimensões dos traços para manter a confiabilidade durante as operações de dobra. As regras estabelecidas permitem atingir alta densidade, mantendo a confiabilidade a longo prazo em sistemas vestíveis e dobráveis.

PCB flexível multicamadas

A PCB flexível multicamadas combina três ou mais camadas de cobre dentro de filmes flexíveis. As camadas internas de cobre incorporam planos de energia e planos de aterramento que funcionam para reduzir o ruído. A conexão das camadas ocorre por meio de microvias cegas ou enterradas para minimizar a necessidade de espaço. Uma camada de revestimento cobre a pilha, protegendo todas as camadas de cobre do desgaste por flexão.

Os projetos de circuitos de alta velocidade, juntamente com módulos de RF e conexões compactas para câmeras, se beneficiam deste tipo específico de PCB flexível. Um encapsulamento fino e flexível contém camadas para alimentação e aterramento durante a transmissão de sinais. Melhor integridade do sinal e controle de EMI são obtidos por meio de compensações de projeto com custos mais elevados. O processo de fabricação exige alinhamento exato, pressões de laminação específicas e tratamento térmico controlado para cada camada adesiva.

A determinação antecipada da contagem de camadas é vital, pois camadas adicionais criam espessura e processos adicionais de corrosão. Redes críticas precisam ser mapeadas em camadas internas para garantir proteção durante o movimento. O número de camadas na pilha determina as limitações do raio de curvatura, que os projetistas devem considerar ao adequar seus requisitos de projeto a essas restrições. O equilíbrio entre confiabilidade e flexibilidade pode ser mantido em toda a placa.

PCB flexível

Qualquer circuito eletrônico que utilize filme de substrato flexível para construir seu design se qualifica como uma PCB flexível. Um projeto de PCB flexível inclui configurações básicas de uma camada, juntamente com complexos tipos de construção multicamadas. A seleção dos materiais e da espessura do cobre depende do número esperado de flexões. Placas flexíveis estáticas sofrem flexão única, enquanto placas flexíveis dinâmicas precisam lidar com movimentos de flexão contínuos.

Placas flexíveis estáticas servem especificamente para suportar dobras de conjuntos de câmeras e celulares. O processo exige que você as dobre e as mantenha na nova posição. Articulações móveis e telas dobráveis ​​exigem placas flexíveis dinâmicas para operar dentro delas. Projetos especiais devem ser implementados para alívio de tensões em cobre e linhas de dobra neutras. O design da sua placa suportará milhares de ciclos de dobra sem sofrer danos.

A seleção de PCBs flexíveis permite encontrar um equilíbrio entre os requisitos de movimento e os custos do produto. O custo de curvas descartáveis ​​permanece menor do que o custo de montagens dinâmicas durante todo o projeto e a produção. A seleção do estilo de filme e revestimento apropriados, bem como o formato dos traços, depende do seu perfil de movimento e dos requisitos orçamentários, e você trabalha em conjunto com o fabricante para fazer essas escolhas.

Flexão com reforço(s)

Almofadas rígidas fixadas em PCBs flexíveis funcionam como reforços que suportam peças pesadas e conectores. Os materiais dos reforços consistem em FR4, poliamida e finas chapas metálicas. Ligações são usadas para fixar reforços em locais que exigem montagem plana ou maior resistência. Uma combinação de zonas flexíveis e rígidas no design do filme permite a fixação do conector sem causar danos ao material do filme.

O processo de projeto exige que os projetistas instalem reforços sob as bordas da placa, posicionando-os também sob as almofadas de conexão e pontos de teste. A placa é cortada no formato desejado, com pequenas aberturas mantidas para garantir que a curvatura próxima seja possível. As camadas adesivas proporcionam uma fixação segura dos reforços, evitando o acúmulo de delaminação ou saliências. As transições entre os reforços são cobertas com uma manta de cobertura para obter uma curvatura suave.

A introdução de reforços afeta a espessura da placa em áreas específicas, portanto, é necessário verificar a acessibilidade das ferramentas de montagem. É necessário modificar os estênceis de pasta de solda e as configurações do equipamento de coleta e colocação. O processo de configuração adicional garante que as peças mantenham o alinhamento adequado e que as juntas de solda mantenham sua resistência, apesar dos movimentos na película flexível circundante.

PCB rígido-flex

Uma PCB rígida-flexível combina seções de placa rígida e seções flexíveis em uma única peça. O processo de fabricação envolve a colocação de filmes flexíveis entre as camadas rígidas antes da colagem de todas as camadas. O design híbrido elimina a necessidade de cabos, pois as ilhas rígidas utilizam pontes flexíveis para se conectarem entre si. A placa mantém sua resistência em áreas específicas, mas desenvolve flexibilidade em outras seções.

Aplicações de PCB rígido-flexíveis existem em implantes aeroespaciais, médicos e equipamentos militares. Essas placas funcionam eficazmente em ambientes exigentes que exigem diferentes níveis de rigidez. A placa contém peças rígidas que suportam componentes pesados ​​e seções flexíveis que criam estruturas semelhantes a cabos ou capacidades de dobramento. A fabricação requer colagem exata das camadas, laminação controlada e alinhamento preciso das áreas de cobre.

O processo de projeto de estruturas rígidas e flexíveis começa com o estabelecimento de ajustes mecânicos e a determinação dos perfis de dobra desde o início. Seu projeto determina as regiões planas e as áreas que precisam ser dobradas. Sua ferramenta CAD precisa auxiliar no projeto de elementos de empilhamento rígidos e flexíveis. O processo de planejamento cuidadoso resulta em uma única montagem que reduz os requisitos de peso e espaço e simplifica as etapas de montagem.

Estrutura de PCBs flexíveis

A construção de uma placa flexível assemelha-se a uma estrutura fina tipo sanduíche com propriedades dobráveis. O principal componente desse sistema é um material de substrato flexível. As películas atuam como uma base onde a folha de cobre se fixa para criar os circuitos necessários.

As camadas adesivas funcionam como materiais de ligação para manter os componentes do circuito na posição durante as operações de dobra. Os traços de cobre recebem proteção contra desgaste e umidade por meio da aplicação de uma camada de revestimento superior.

Quanto você pode dobrar uma PCB?

O raio de curvatura determina a curvatura máxima das placas flexíveis. A medida padrão para flexibilidade de flexão é igual a dez vezes a espessura da placa. Um raio de 1 mm serve como requisito mínimo para dobrar uma placa de 0.1 mm de espessura sem causar danos. Uma única dobra funciona com cinco vezes a espessura, mas isso pode levar a fraturas na placa.

As escolhas de materiais afetam a flexibilidade. O material poliamida mantém suas propriedades de resistência quando aquecido e suporta diversos ciclos de flexibilidade. O poliéster é mais indicado para projetos de dobras estáticas. A espessura do cobre também é importante. A resistência à flexão do cobre fino aumenta enquanto a tensão necessária diminui.

Papel do reforço no projeto de PCB flexível

Os reforços servem para manter a planura e a estabilidade das almofadas dos componentes. Os reforços encontram sua posição sob conectores, CIs e pontos de teste. As juntas de solda tendem a rachar quando os reforços estão ausentes durante a flexão. Você deve usar adesivo resistente ao calor para conectar os reforços. O componente permanece fixo na posição enquanto o movimento da placa permanece bloqueado.

Os materiais de reforço mais utilizados são FR4, poliamida e alumínio. O FR4 oferece uma base rígida e de baixo custo. Os reforços de poliamida se adaptam à flexibilidade do substrato. O alumínio serve como um material resistente para conectores que precisam de suporte estrutural adicional. Os reforços precisam ser moldados antes da dobra, enquanto você mantém as bordas expostas para o processo. A colocação dos reforços ocorre abaixo dos componentes ou nas bordas da placa para direcionar os processos de montagem.

A adição de reforços afeta a espessura de áreas específicas da placa. Antes da montagem, é necessário considerar os requisitos de altura e as folgas de montagem. A proteção contra tensões ambientais é feita aplicando fita adesiva ou manta de cobertura nas bordas dos reforços. A colocação das bordas dos reforços sob a fita adesiva ou manta de cobertura garante a qualidade do roteamento e protege a película contra descamação nas junções entre o reforço e a seção flexível.

Dicas de projeto para placas de circuito impresso flexíveis

Planeje a largura e o espaçamento dos traços no início do layout. Traços mais largos conduzem mais corrente, mas adicionam rigidez. Traços mais estreitos permitem curvas mais fechadas, mas limitam a corrente. Use espaçamento consistente para evitar curto-circuito sob flexão. Mantenha os valores mínimos dentro das capacidades do seu fabricante.

Mapeie as áreas de dobra e mantenha as malhas sensíveis afastadas. Marque as linhas de dobra onde a placa se curvará suavemente. Evite colocar vias em zonas de dobra. Adicione padrões de relevo, como formas de osso de cachorro, nas extremidades dos traços. Isso distribui a tensão e evita rachaduras quando a placa flexiona.

Posicione os componentes fora das zonas de curvatura sempre que possível. Use peças de montagem em superfície com perfis baixos. Se precisar colocar peças em uma zona de curvatura, use conectores flexíveis ou soquetes com força de inserção zero. Passe redes de alta velocidade ou alta precisão em seções estáveis ​​para reduzir a distorção do sinal causada pelo movimento flexível.

Escolha ferramentas CAD que lidem com empilhamento flexível e simulação de dobra. Muitas ferramentas de PCB permitem desenhar linhas de dobra neutras e visualizar a tensão do cobre. Defina a formação de camadas com substrato, adesivo, cobre e camada de cobertura. Exporte dados de dobra para CAD mecânico para projeto de gabinete. Esse fluxo de trabalho garante que você detecte problemas de encaixe ou colisão antecipadamente.

Sobre PCBasic

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Vantagens dos PCBs flexíveis

PCBs flexíveis oferecem muitas vantagens que permitem projetar layouts compactos com poucas peças. Aqui estão as principais vantagens.

.  Economiza espaço dobrando a placa em locais apertados.

.  Eles reduzem o peso do seu dispositivo usando películas finas.

.  Você remove cabos e conectores extras do seu design.

.  Eles reduzem as etapas de montagem e aceleram a produção.

.  Eles duram mais em peças móveis com placas que dobram.

.  Você reduz os custos de envio com um produto final mais leve.

Deficiências de PCBs flexíveis

Embora as PCBs flexíveis apresentem muitas vantagens, elas também apresentam algumas desvantagens. Aqui estão algumas.

.  Você pode pagar mais em taxas de material e processamento especial.

.  Eles precisam de manuseio cuidadoso e acessórios de montagem personalizados.

.  Elas limitam a quantidade de carga que você coloca nas áreas de curvatura.

.  Você deve adicionar reforços para conectores ou peças pesadas.

.  Eles exigem testes e inspeção para detectar danos na flexão precocemente.

PCB flexível vs. PCB rígido-flexível

Os métodos de fabricação de PCBs flexíveis e rígido-flexíveis diferem, embora atendam aos mesmos requisitos funcionais. A tabela a seguir ilustra as principais diferenças entre PCBs flexíveis e rígido-flexíveis.

Serviços de fabricação de protótipos de PCB flexíveis da PCBasic

O serviço de fabricação de protótipos de PCB flexíveis de resposta rápida da PCBasic atende a qualquer nível de complexidade de protótipo. Você pode enviar seus arquivos Gerber e especificações de empilhamento usando nossa plataforma online. A revisão de projeto por nossos engenheiros fornece consultoria sobre o raio de curvatura, bem como as características da largura do traço, além das dimensões da passagem da camada de revestimento. A comunicação entre você e o fabricante ocorre por e-mail e chat em tempo real.

A PCBasic utiliza cortadores a laser de precisão para fresar seu protótipo antes de adicionar folha de cobre a filmes de poliimida por meio de processos de plotagem. Acompanhamos suas necessidades para unir materiais de revestimento e reforços. A montadora da nossa empresa realiza operações de soldagem de peças e testes funcionais por meio de procedimentos de ciclo flexível. O relatório inclui fotos, registros de testes e documentação completa.

Conclusão

A tecnologia de PCB flexível revela novos designs de produtos por meio da minimização do uso de espaço, da redução dos requisitos de peso e dos procedimentos de montagem simplificados. A seleção inclui placas de face única e designs multicamadas e rígido-flexíveis, dependendo dos requisitos do seu projeto. A confiabilidade em movimento é possível por meio do planejamento cuidadoso de materiais, traços e considerações de flexão.

A expertise e o rápido caminho de criação e produção de protótipos que fabricantes como a PCBasic oferecem aos seus clientes. O uso do tipo de placa flexível apropriado permite desenvolver dispositivos dinâmicos e finos com eficiência e segurança.