O que é uma PCB flexível? Tipos, vantagens e aplicações

A procura de placas de circuito compactas, leves e adaptáveis nunca foi tão grande. A placa de circuito impresso flexível é uma tecnologia que revolucionou a forma como concebemos e fabricamos dispositivos electrónicos. Com a sua capacidade de se dobrarem, se dobrarem e se adaptarem a várias formas, as PCB flexíveis abriram um mundo de possibilidades para engenheiros e designers. Neste guia abrangente, iremos aprofundar os meandros das PCB flexíveis, explorando as suas caraterísticas únicas, tipos, vantagens e diversas aplicações em todos os sectores.

O que é uma PCB flexível

Uma PCB flexível, também conhecida como circuito flexível ou circuito impresso flexível, é um tipo especializado de placa de circuito impresso que consiste num substrato fino e flexível com traços condutores gravados na sua superfície. Ao contrário das PCB rígidas tradicionais, que são feitas de um material sólido e inflexível como a fibra de vidro, as PCB flexíveis utilizam um substrato de polímero flexível, normalmente poliimida ou poliéster. Esta flexibilidade permite que a placa de circuito se dobre e se adapte a várias formas, tornando-a ideal para aplicações em que o espaço é limitado ou em que o dispositivo tem de se adaptar a superfícies irregulares.

A estrutura básica de uma placa de circuito impresso flexível é constituída por três componentes principais: a película de substrato dielétrico, as camadas condutoras e a camada de proteção. A película de substrato dielétrico, normalmente feita de poliimida (PI) ou tereftalato de polietileno (PET), fornece isolamento elétrico e suporte mecânico para as camadas condutoras. As camadas condutoras, normalmente feitas de cobre, são gravadas no substrato para criar o padrão de circuito desejado. O cobre pode ser electrodepositado (ED) ou recozido em rolo (RA), dependendo dos requisitos da aplicação. Uma fina camada de material isolante, frequentemente poliimida ou uma máscara de solda flexível, é aplicada sobre as camadas condutoras para as proteger de danos e de factores ambientais.

Para além destes componentes básicos, as PCB flexíveis podem também incorporar materiais adesivos para unir as camadas, bem como reforços em determinadas áreas para fornecer suporte adicional para componentes ou conectores. As principais caraterísticas que distinguem as PCB flexíveis das rígidas são a sua flexibilidade, finura e leveza. Estas propriedades permitem que os circuitos flexíveis sejam utilizados em aplicações em que as PCB rígidas tradicionais seriam impraticáveis ou impossíveis. As PCB flexíveis podem suportar repetidas dobras e flexões sem comprometer o seu desempenho elétrico, o que as torna altamente duráveis e fiáveis em ambientes dinâmicos.

Note-se que as placas de circuito impresso flexíveis podem ser combinadas com placas de circuito impresso rígidas para criar concepções híbridas conhecidas como placas de circuito impresso rígidas-flexíveis. Estas placas incorporam secções flexíveis e rígidas, permitindo uma flexibilidade e funcionalidade de design ainda maiores. As PCB rígidas-flexíveis são particularmente úteis em aplicações em que a placa de circuito precisa de fazer a transição entre componentes fixos e móveis, como em smartphones dobráveis ou dispositivos médicos.

Tipos de PCB flexíveis

As PCB flexíveis existem em várias configurações, cada uma concebida para satisfazer requisitos de aplicação específicos. Podem ser classificadas com base na sua configuração de camadas e na configuração do projeto.

Configuração de camadas

As PCB flexíveis podem ser de uma face, de duas faces ou multicamadas. Os circuitos flexíveis de uma face são o tipo mais simples e económico, consistindo numa única camada condutora num dos lados do substrato flexível. São ideais para aplicações que requerem uma baixa densidade de componentes e uma complexidade mínima, como em sensores ou interligações simples. Os circuitos flexíveis de dupla face têm camadas condutoras em ambos os lados do substrato, ligadas por orifícios de passagem chapeados (PTH). Oferecem uma maior densidade de circuitos e capacidades de manuseamento de energia em comparação com as concepções de face única e são normalmente utilizados em aplicações como câmaras digitais, dispositivos móveis e periféricos de computadores. Os circuitos flexíveis multicamadas são constituídos por três ou mais camadas condutoras, separadas por camadas isolantes e interligadas por PTHs. São concebidos para aplicações que exigem uma elevada densidade de circuitos, como os dispositivos aeroespaciais, militares e médicos avançados. Embora ofereçam um desempenho superior, os circuitos flexíveis multicamadas são também mais caros e difíceis de fabricar do que os seus homólogos de uma ou duas faces.

Configuração do projeto

As PCB flexíveis também podem ser classificadas com base na sua configuração de design, como as PCB rígidas-flexíveis e as PCB flexíveis de interligação de alta densidade (HDI). As PCB rígidas-flexíveis combinam as vantagens das PCB rígidas e flexíveis, consistindo em uma ou mais secções de PCB rígidas ligadas por secções de PCB flexíveis. Esta configuração permite uma embalagem tridimensional e uma maior fiabilidade, uma vez que as secções flexíveis eliminam a necessidade de conectores ou fios entre as placas rígidas. As PCB rígidas-flexíveis são amplamente utilizadas em eletrónica de consumo, sistemas automóveis e dispositivos médicos. Os circuitos flexíveis HDI são concebidos para acomodar circuitos extremamente densos com caraterísticas finas e micro vias. Estes circuitos flexíveis avançados oferecem um desempenho elétrico superior e capacidades de miniaturização em comparação com as PCB flexíveis normais. Os circuitos flexíveis HDI são essenciais em aplicações que requerem transmissão de sinais a alta velocidade, como em dispositivos de comunicação 5G ou em eletrónica avançada para vestir.

Outros

Para além destas categorias principais, existem também tipos especializados de PCB flexíveis, como os circuitos flexíveis esculpidos e os circuitos flexíveis integrados em componentes. Os circuitos flexíveis esculpidos apresentam espessuras variáveis das camadas condutoras, permitindo o controlo da impedância e uma maior flexibilidade em áreas específicas. Os circuitos flexíveis integrados em componentes, por outro lado, têm componentes electrónicos diretamente incorporados no substrato flexível, resultando numa embalagem ultrafina e compacta.

Vantagens das PCB flexíveis

As PCB flexíveis oferecem inúmeras vantagens em relação às PCB rígidas tradicionais, tornando-as uma escolha atractiva para uma vasta gama de aplicações.

Flexibilidade e conformabilidade

A vantagem mais óbvia das placas de circuito impresso flexíveis é a sua capacidade de se dobrarem e adaptarem a espaços apertados e formas irregulares. Esta flexibilidade permite aos designers criar dispositivos mais compactos e ergonómicos, uma vez que a placa de circuitos pode adaptar-se ao espaço disponível em vez de ditar o formato do dispositivo.

Redução de peso

As PCB flexíveis são significativamente mais leves do que as suas contrapartes rígidas, pesando frequentemente até 75% menos. Esta redução de peso é crucial em aplicações em que cada grama conta, como no sector aeroespacial, drones e dispositivos portáteis.

Economia de espaço em aplicações 3D

A conformabilidade das PCB flexíveis permite o embalamento tridimensional, permitindo aos designers aproveitar ao máximo o espaço disponível num dispositivo. Isto é particularmente valioso em aplicações onde o espaço é escasso, como em smartphones, smartwatches e implantes médicos.

Fiabilidade melhorada

As PCB flexíveis requerem frequentemente menos interligações do que as PCB rígidas, uma vez que as secções flexíveis podem ligar diretamente os componentes sem necessidade de conectores ou fios. Esta redução das interligações leva a uma maior fiabilidade, uma vez que há menos pontos potenciais de falha.

Melhor gestão térmica

A natureza fina e leve das placas de circuito impresso flexíveis permite uma melhor dissipação de calor em comparação com as placas de circuito impresso rígidas. Esta gestão térmica melhorada pode ajudar a prolongar a vida útil dos componentes electrónicos e evitar o sobreaquecimento em dispositivos compactos.

Resistência a vibrações e choques

A flexibilidade dos circuitos flexíveis permite-lhes suportar melhor as vibrações e os choques do que as PCB rígidas. Isto é particularmente importante em aplicações sujeitas a ambientes agressivos, como nos sectores automóvel, aeroespacial e industrial.

Capacidades de embalagem de alta densidade

As PCB flexíveis podem acomodar a colocação de componentes de alta densidade, graças à sua capacidade de se adaptarem a espaços apertados e à disponibilidade da tecnologia de circuitos flexíveis HDI. Isto permite aos projectistas criar dispositivos mais compactos e com mais funcionalidades sem comprometer o desempenho.

Redução do tempo e dos custos de montagem

Ao eliminar a necessidade de conectores e fios entre placas, as PCB flexíveis podem simplificar o processo de montagem e reduzir os custos globais de fabrico. Isto é especialmente verdadeiro para as PCB rígidas-flexíveis, que integram secções rígidas e flexíveis numa única placa unificada.

Maior liberdade na conceção dos produtos

A flexibilidade e a conformabilidade dos circuitos flexíveis dão aos projectistas maior liberdade para criar produtos inovadores e esteticamente agradáveis. As PCB flexíveis podem permitir factores de forma e designs únicos que seriam impossíveis apenas com PCB rígidas.

Durabilidade melhorada em aplicações de flexão dinâmica

Em aplicações que requerem dobras ou flexões repetidas, como em dobradiças ou mecanismos de dobragem, as PCB flexíveis oferecem uma durabilidade superior em comparação com as PCB rígidas ou a cablagem tradicional. A capacidade de suportar a flexão dinâmica sem comprometer o desempenho elétrico torna os circuitos flexíveis ideais para estas aplicações exigentes.

Capacidade de substituição de cablagens volumosas

As PCB flexíveis podem frequentemente substituir cablagens complexas e volumosas, simplificando a conceção geral do sistema e reduzindo o peso e os requisitos de espaço. Isto é particularmente valioso em aplicações automóveis e aeroespaciais, onde a cablagem pode representar uma parte significativa do peso total do sistema.

Desvantagens dos PCB flexíveis

Apesar das suas inúmeras vantagens, as PCB flexíveis também têm alguns inconvenientes que os projectistas devem ter em conta quando decidem utilizá-las numa determinada aplicação.

Custos iniciais mais elevados

Em comparação com as PCB rígidas, as PCB flexíveis têm frequentemente custos iniciais de conceção e fabrico mais elevados. Isto deve-se aos materiais, processos e equipamentos especializados necessários para produzir circuitos flexíveis. Os custos mais elevados podem constituir um obstáculo para algumas aplicações, em especial as que têm restrições orçamentais ou volumes de produção reduzidos.

Processo de conceção mais complexo

A conceção de PCBs flexíveis requer uma compreensão mais profunda dos materiais, propriedades mecânicas e processos de fabrico envolvidos. Os projectistas têm de considerar factores como o raio de curvatura, a seleção de materiais e o empilhamento de camadas para garantir que o circuito flexível terá um desempenho fiável na aplicação pretendida. Esta complexidade pode levar a ciclos de conceção mais longos e à necessidade de conhecimentos especializados.

Potencial de danos durante o manuseamento ou a montagem

A natureza fina e flexível dos circuitos flexíveis torna-os mais susceptíveis a danos durante o manuseamento e a montagem, em comparação com as PCB rígidas. Devem ser tomadas as devidas precauções para evitar dobrar, rasgar ou esticar o circuito flexível, o que pode levar a falhas eléctricas ou a uma menor fiabilidade.

Disponibilidade limitada de fabricantes

Embora a procura de PCB flexíveis tenha crescido nos últimos anos, nem todos os fabricantes de PCB têm as capacidades ou conhecimentos necessários para produzir circuitos flexíveis de alta qualidade. Esta disponibilidade limitada pode tornar mais difícil encontrar um fornecedor adequado, especialmente para projectos complexos ou de grande volume.

Desafios na reparação ou modificação

Uma vez fabricada uma PCB flexível, pode ser mais difícil de reparar ou modificar do que uma PCB rígida. O substrato flexível e as camadas protectoras têm de ser cuidadosamente removidos e reaplicados para aceder às camadas condutoras, o que pode ser um processo delicado e moroso.

Potenciais problemas com a integridade do sinal

Em aplicações de alta frequência, a natureza flexível do substrato pode levar a problemas de integridade do sinal se não for corretamente concebido e controlado. Factores como a correspondência de impedâncias, diafonia e interferência electromagnética (EMI) devem ser cuidadosamente considerados para garantir um desempenho fiável.

Opções limitadas de colocação de componentes

Embora as PCB flexíveis possam acomodar a colocação de componentes de alta densidade, a natureza flexível do substrato pode limitar o tamanho e o tipo de componentes que podem ser utilizados. Os componentes pesados ou de grandes dimensões podem exigir um suporte ou reforço adicional para evitar danos no circuito flexível durante a dobragem ou a flexão.

Aplicações de PCB flexíveis

Os PCB flexíveis têm vindo a ser amplamente utilizados numa vasta gama de indústrias, graças às suas propriedades e vantagens únicas.

Eletrónica de consumo

A indústria da eletrónica de consumo tem sido um dos principais motores da adoção de PCB flexíveis. Os circuitos flexíveis são amplamente utilizados em smartphones, tablets e dispositivos portáteis, como smartwatches e rastreadores de fitness. Nestas aplicações, as PCB flexíveis permitem designs compactos, leves e ergonómicos que se adaptam ao invólucro do dispositivo e suportam o stress da utilização diária. Por exemplo, num smartwatch, uma PCB flexível pode ser dobrada para se adaptar aos contornos da caixa do relógio, permitindo um design mais confortável e elegante.

Indústria automóvel

Os PCB flexíveis desempenham um papel crucial na eletrónica automóvel moderna, onde são utilizados em aplicações como ecrãs do painel de instrumentos, sistemas de airbag e módulos de controlo do motor. A capacidade dos circuitos flexíveis para resistir a vibrações, choques e temperaturas extremas torna-os ideais para o ambiente agressivo de um veículo. Num sistema de airbag, por exemplo, um PCB flexível pode ser dobrado e colocado no volante, permitindo uma ativação fiável em caso de colisão.

Dispositivos médicos

A indústria de dispositivos médicos adoptou os PCB flexíveis pela sua capacidade de se adaptarem ao corpo humano e permitirem dispositivos miniaturizados e implantáveis. Os circuitos flexíveis são utilizados em pacemakers, aparelhos auditivos e sondas de ultra-sons, entre outras aplicações médicas. Num pacemaker, uma placa de circuito impresso flexível pode ser dobrada para caber dentro do invólucro compacto de titânio, continuando a fornecer ligações eléctricas fiáveis à bateria e aos sensores. A biocompatibilidade e a durabilidade dos circuitos flexíveis tornam-nos adequados para implantação a longo prazo e exposição a fluidos corporais.

Aeroespacial e Defesa

As PCB flexíveis são essenciais nas aplicações aeroespaciais e de defesa, onde a redução de peso, a economia de espaço e a fiabilidade são fundamentais. Os circuitos flexíveis são utilizados em satélites, sistemas de controlo de aeronaves e dispositivos de comunicação militar, onde podem substituir cablagens pesadas e volumosas. Num satélite, por exemplo, os PCB flexíveis podem ser utilizados para interligar vários subsistemas, como a gestão de energia, o processamento de dados e os módulos de comunicação, minimizando o peso e o volume.

Aplicações industriais

Em ambientes industriais, os PCB flexíveis são utilizados numa vasta gama de aplicações, incluindo robótica, painéis solares flexíveis e impressoras 3D. A capacidade dos circuitos flexíveis para resistirem a flexões repetidas e a condições ambientais adversas torna-os adequados para utilização em sistemas de automação e controlo industrial. Num braço robótico, os PCB flexíveis podem ser utilizados para encaminhar sinais e energia entre as várias articulações e actuadores, permitindo um controlo de movimento suave e preciso.

Materiais utilizados em PCB flexíveis

A escolha dos materiais utilizados nas PCB flexíveis é fundamental para o seu desempenho, fiabilidade e durabilidade. Os principais componentes de uma PCB flexível incluem o substrato de base, as camadas condutoras, a camada de cobertura, os adesivos e os acabamentos de superfície.

Materiais de base (substratos)

O material de base, ou substrato, é a fundação de uma PCB flexível, fornecendo isolamento elétrico e suporte mecânico para as camadas condutoras. Os materiais de base mais comuns utilizados em circuitos flexíveis são:

1. Poliimida (PI): A PI é o material de substrato mais utilizado para PCB flexíveis, graças à sua excelente estabilidade térmica, resistência química e propriedades mecânicas. A PI pode suportar temperaturas elevadas (até 400°C) e tem um coeficiente de expansão térmica (CTE) relativamente baixo, o que a torna adequada para aplicações com condições ambientais exigentes.
2. Politereftalato de etileno (PET): O PET é uma alternativa de baixo custo ao PI, oferecendo boas propriedades eléctricas e flexibilidade. No entanto, o PET tem uma resistência à temperatura inferior à do PI, o que limita a sua utilização em aplicações de alta temperatura.
3. Polietileno naftalato (PEN): O PEN é um material de substrato de elevado desempenho que oferece melhores propriedades térmicas e mecânicas do que o PET, mas a um custo mais elevado. O PEN é frequentemente utilizado em aplicações que requerem um equilíbrio entre desempenho e custo.

Materiais condutores

As camadas condutoras numa PCB flexível são responsáveis pelo transporte de sinais eléctricos e de energia entre os componentes. Os materiais condutores mais comuns utilizados nos circuitos flexíveis são:

1. Cobre: O cobre é o condutor mais utilizado em PCB flexíveis, graças à sua excelente condutividade eléctrica, condutividade térmica e propriedades mecânicas. Existem dois tipos principais de cobre utilizados em circuitos flexíveis:

• Cobre electrodepositado (ED): O cobre ED é depositado no substrato através de um processo de galvanoplastia, resultando numa camada fina e uniforme. O cobre ED é frequentemente utilizado em projectos de alta densidade e aplicações HDI.
• Cobre recozido laminado (RA): O cobre RA é produzido por laminagem mecânica e recozimento da folha de cobre, resultando numa camada mais espessa e mais dúctil. O cobre RA é preferido em aplicações que requerem flexão ou dobragem repetida, uma vez que oferece uma melhor resistência à fadiga em comparação com o cobre ED.

1. Alumínio: O alumínio é por vezes utilizado como alternativa ao cobre em PCB flexíveis, particularmente em aplicações que requerem soluções leves e de baixo custo. No entanto, o alumínio tem uma condutividade eléctrica e térmica inferior à do cobre, o que limita a sua utilização em aplicações de elevado desempenho.
2. Tinta de prata: As tintas condutoras à base de prata são utilizadas em algumas aplicações de PCB flexíveis, em especial na eletrónica impressa e nos dispositivos portáteis. As tintas de prata podem ser impressas por serigrafia ou jato de tinta em substratos flexíveis, permitindo a criação de circuitos finos e extensíveis.
3. Outros condutores especializados: Nalgumas aplicações de nicho, podem ser utilizados outros materiais condutores, como o Constantan (liga de cobre-níquel) ou o Inconel (superliga à base de níquel-crómio), devido às suas propriedades específicas, como a alta resistência ou a resistência à corrosão.

Revestimento e materiais de proteção

Os materiais de cobertura e proteção são utilizados para isolar e proteger as camadas condutoras numa PCB flexível. Os materiais mais comuns utilizados para este efeito são:

1. Película de poliimida: A película PI é frequentemente utilizada como material de cobertura, proporcionando um excelente isolamento, proteção mecânica e flexibilidade. O revestimento de PI é normalmente ligado às camadas condutoras através de adesivos.
2. Máscara de solda flexível: A máscara de solda flexível é um revestimento de polímero fotoimageável que é aplicado sobre as camadas condutoras para as proteger da oxidação e evitar curto-circuitos durante a soldadura. A máscara de solda flexível também ajuda a definir as áreas soldáveis no circuito flexível.
3. Materiais de revestimento: Os materiais de revestimento são revestimentos finos e protectores que são aplicados sobre as camadas condutoras para proporcionar isolamento e proteção ambiental. Os materiais de revestimento comuns incluem revestimentos acrílicos, de poliuretano e à base de silicone.

Adesivos

Os adesivos são utilizados em PCB flexíveis para unir as várias camadas, garantindo estabilidade mecânica e fiabilidade. Os dois principais tipos de adesivos utilizados em circuitos flexíveis são:

1. Acrílico: Os adesivos acrílicos oferecem uma boa força de ligação, flexibilidade e resistência química. São frequentemente utilizados para colar a cobertura ou as películas de proteção às camadas condutoras.
2. Epóxi: As colas epoxídicas proporcionam uma excelente resistência mecânica e estabilidade térmica, tornando-as adequadas para aplicações com condições ambientais exigentes. As colas epoxídicas são frequentemente utilizadas para unir as camadas de substrato em circuitos flexíveis multicamadas.

Acabamentos de superfície

Os acabamentos de superfície são aplicados às almofadas de cobre expostas numa placa de circuito impresso flexível para as proteger da oxidação e melhorar a soldabilidade. A escolha do acabamento de superfície depende dos requisitos específicos da aplicação, tais como as condições ambientais, o prazo de validade e o processo de montagem. Os acabamentos de superfície comuns utilizados em circuitos flexíveis incluem:

1. ENIG (ouro de imersão em níquel eletrolítico): O ENIG é um acabamento de superfície de duas camadas que consiste numa fina camada de ouro sobre uma camada de barreira de níquel. O ENIG oferece uma excelente soldabilidade, resistência à corrosão e prazo de validade, o que o torna uma escolha popular para aplicações de elevada fiabilidade.
2. HASL (nivelamento de solda por ar quente): O HASL é um revestimento de solda sem chumbo ou estanho que é aplicado às almofadas de cobre e depois nivelado com ar quente. O HASL proporciona uma boa soldabilidade e é uma opção económica para muitas aplicações.
3. Estanho de imersão: O estanho de imersão é um acabamento de superfície de camada única que é aplicado diretamente sobre as almofadas de cobre. Oferece uma boa soldabilidade e é frequentemente utilizado em aplicações com requisitos de vida útil mais curtos.
4. OSP (conservante orgânico de soldabilidade): OSP é um revestimento fino e orgânico que é aplicado às almofadas de cobre para evitar a oxidação e manter a soldabilidade. O OSP é uma opção de baixo custo que é adequada para aplicações com um prazo de validade mais curto e condições ambientais menos exigentes.

Processo de fabrico de PCB flexíveis

O processo de fabrico de placas de circuito impresso flexíveis partilha muitas semelhanças com o das placas de circuito impresso rígidas, mas com algumas diferenças fundamentais para acomodar as propriedades únicas dos materiais flexíveis. O processo pode ser amplamente dividido em duas categorias principais: fabrico subtrativo e aditivo.

Visão geral dos métodos de fabrico

O processo de fabrico subtrativo envolve a remoção selectiva de material de um substrato revestido a cobre para criar o padrão de circuito desejado. Este é o método mais comum utilizado no fabrico de placas de circuito impresso flexíveis e envolve normalmente a aplicação de uma camada fotorresistente ao substrato revestido a cobre, a exposição da fotorresistência à luz UV através de uma fotomáscara com o padrão de circuito desejado, a revelação da fotorresistência para remover as áreas não expostas, a gravação do cobre exposto utilizando uma solução química e a remoção da fotorresistência restante para revelar o padrão de circuito final.

O processo de fabrico aditivo envolve a deposição selectiva de material condutor no substrato para criar o padrão de circuito desejado. Este método é menos comum no fabrico de PCB flexíveis, mas está a ganhar popularidade para determinadas aplicações, como a eletrónica impressa e os dispositivos portáteis. Os processos aditivos incluem serigrafia, impressão a jato de tinta e impressão a jato de aerossol.

Processo de fabrico passo a passo

O processo de fabrico subtrativo de PCB flexíveis envolve normalmente as seguintes etapas:

Preparação do material

O material do substrato flexível, normalmente poliimida ou PET, é limpo e preparado para as etapas de processamento subsequentes. A folha de cobre é então laminada sobre o substrato utilizando calor e pressão, com uma camada adesiva no meio.

Imagiologia e gravura de camadas condutoras

Uma camada fotorresistente é aplicada ao substrato revestido a cobre e depois exposta à luz UV através de uma fotomáscara com o padrão de circuito pretendido. A camada fotorresistente é revelada e o cobre exposto é gravado com uma solução química, deixando para trás o padrão de circuito desejado.

Laminação de camadas

No caso das placas de circuito impresso flexíveis multicamadas, as camadas individuais são alinhadas e laminadas entre si utilizando calor e pressão, com camadas adesivas entre elas.

Perfuração de Vias e Furos de Passagem

Os furos são efectuados através das camadas laminadas para criar vias e orifícios de passagem para interligar as diferentes camadas. A perfuração a laser é frequentemente utilizada para furos mais pequenos e mais precisos.

Chapeamento de furos

Os orifícios perfurados são revestidos com cobre para criar ligações eléctricas entre as camadas. Normalmente, isto é feito utilizando revestimento de cobre sem eletrólito seguido de revestimento de cobre eletrolítico.

Aplicação de cobertura ou máscara de solda

Uma camada de cobertura ou uma máscara de soldadura flexível é aplicada sobre as camadas exteriores para proteger os circuitos e definir as áreas soldáveis. A camada de cobertura ou máscara de solda é normalmente aplicada utilizando um processo de fotoimagem semelhante ao utilizado para a modelação dos circuitos.

Aplicação de acabamento de superfície

Um acabamento de superfície, como ENIG, HASL ou estanho de imersão, é aplicado às almofadas de cobre expostas para as proteger da oxidação e melhorar a soldabilidade.

Corte e modelação do circuito final

O painel flexível de PCB é cortado e moldado no formato final desejado utilizando métodos como o corte por matriz, o corte a laser ou a fresagem.

Controlo de qualidade e testes

Ao longo do processo de fabrico, são utilizados vários procedimentos de controlo de qualidade e de ensaio para garantir a fiabilidade e o desempenho dos PCB flexíveis. Os testes eléctricos, os testes de flexibilidade mecânica e os testes de esforço ambiental são alguns dos principais métodos de teste utilizados. Os ensaios eléctricos envolvem testes de continuidade e de resistência de isolamento para verificar a integridade eléctrica dos circuitos. Isto pode ser efectuado utilizando testadores de sonda voadora ou dispositivos de fixação de cama de pregos. Os ensaios de flexibilidade mecânica submetem as placas de circuito impresso flexíveis a ensaios de flexão e de flexão para garantir que podem suportar as tensões mecânicas esperadas na aplicação final. Isto pode incluir testes de flexão cíclica, testes de torção e testes de dobragem. Os ensaios de esforço ambiental expõem os PCB flexíveis a várias condições ambientais, como temperaturas elevadas, humidade e ciclos térmicos, para avaliar a sua durabilidade e fiabilidade nestas condições.

Considerações sobre o design de PCB flexíveis

A conceção de PCB flexíveis requer uma análise cuidadosa de vários factores para garantir um desempenho, fiabilidade e capacidade de fabrico ideais. Algumas das principais considerações de conceção incluem o raio de curvatura e a flexibilidade, a colocação de componentes, a conceção de traços, o empilhamento de camadas, a gestão de tensões mecânicas e considerações eléctricas.

Raio de curvatura e flexibilidade

O raio de curvatura é um parâmetro crítico na conceção de placas de circuito impresso flexíveis, uma vez que determina a curvatura mínima permitida que o circuito pode suportar sem sofrer danos. O raio de curvatura é normalmente especificado como um múltiplo da espessura da placa de circuito impresso, com um múltiplo maior a indicar uma curvatura mais gradual e um múltiplo mais pequeno a indicar uma curvatura mais apertada. Para calcular o raio de curvatura mínimo, os projectistas podem utilizar a seguinte fórmula:

Raio de curvatura mínimo = (espessura da placa de circuito impresso) × (fator de raio de curvatura)

O fator do raio de curvatura depende dos materiais utilizados e do número esperado de ciclos de curvatura. Para a flexão estática (curvas únicas), é normalmente utilizado um fator de 6-10, enquanto que para a flexão dinâmica (curvas repetidas), é recomendado um fator de 12-20. Os projectistas também devem considerar o impacto das escolhas de materiais na flexibilidade. A utilização de substratos mais finos, materiais de revestimento mais flexíveis e cobre dúctil (como o cobre RA) pode ajudar a melhorar a flexibilidade global da PCB.

Colocação de componentes

Ao colocar componentes numa placa de circuito impresso flexível, os projectistas devem considerar a localização das áreas flexíveis e o movimento de flexão esperado. Os componentes devem ser colocados nas áreas rígidas da placa de circuito impresso sempre que possível para evitar sujeitá-los a tensões mecânicas durante a flexão. Se os componentes tiverem de ser colocados nas áreas flexíveis, os projectistas podem utilizar reforços para fornecer suporte adicional. Os reforços são normalmente feitos de materiais como poliimida, FR-4 ou metal e são ligados à PCB na área do componente para reduzir a tensão de flexão local.

Desenho de traços

A conceção dos traços é fundamental para garantir a fiabilidade e o desempenho das PCB flexíveis. Ao encaminhar os traços em áreas flexíveis, os projectistas devem utilizar traços mais largos, aumentar o espaçamento entre traços, encaminhar os traços perpendicularmente ao eixo de curvatura, utilizar traços curvos e considerar as diferentes taxas de expansão dos materiais. Os traços mais largos são mais resistentes à fissuração e à fadiga durante a dobragem. Recomenda-se uma largura mínima de traço de 0,2 mm para áreas flexíveis. Aumentar o espaçamento entre traços ajuda a reduzir o risco de curto-circuitos e interferência de sinal durante a flexão. Recomenda-se um espaçamento mínimo de 0,2 mm. O encaminhamento de traços perpendiculares à direção de flexão ajuda a minimizar a tensão nos traços durante a flexão. A utilização de traços curvos em vez de ângulos agudos ajuda a distribuir a tensão de flexão de forma mais uniforme e reduz o risco de fissuras. Os traços de cobre e o material do substrato podem ter diferentes coeficientes de expansão térmica (CTE), o que pode levar a tensões e delaminação durante as mudanças de temperatura. A utilização de um material de substrato com um CTE mais próximo do do cobre, como a poliimida, pode ajudar a mitigar este problema.

Empilhamento de camadas

O empilhamento de camadas de uma PCB flexível desempenha um papel crucial na determinação do seu desempenho elétrico e fiabilidade mecânica. Ao conceber o empilhamento de camadas, considere a utilização de designs simétricos, minimizando o número de camadas, utilizando materiais dieléctricos finos e considerando a colocação de planos de terra e de potência. A utilização de um empilhamento de camadas simétrico, com um número igual de camadas em ambos os lados do eixo neutro, ajuda a equilibrar as tensões mecânicas durante a flexão e reduz o risco de delaminação. A utilização de menos camadas ajuda a melhorar a flexibilidade e a reduzir a espessura total da placa de circuito impresso. No entanto, isto deve ser equilibrado com os requisitos eléctricos do projeto. A utilização de materiais dieléctricos mais finos, como a poliimida, ajuda a reduzir a espessura total da placa de circuito impresso e a melhorar a flexibilidade. A colocação de planos de terra e de potência perto das camadas exteriores ajuda a melhorar a blindagem e a reduzir as interferências electromagnéticas (EMI).

Gestão das tensões mecânicas

A gestão do stress mecânico é fundamental para garantir a fiabilidade a longo prazo das PCB flexíveis. Algumas estratégias para gerir o stress incluem a utilização de caraterísticas de alívio de tensão, a utilização de conectores flexíveis, evitar curvas acentuadas e utilizar reforços. A incorporação de caraterísticas de alívio de tensão, como ranhuras ou recortes, perto dos pontos de transição entre áreas rígidas e flexíveis ajuda a reduzir a concentração de tensão e a evitar rasgões. A utilização de conectores flexíveis, como os conectores ZIF (força de inserção zero) ou LIF (força de inserção baixa), ajuda a reduzir a tensão na placa de circuito impresso durante o acoplamento e o desacoplamento. Evitar curvas acentuadas e utilizar curvas graduais ajuda a distribuir a tensão de flexão de forma mais uniforme e reduz o risco de danos. A utilização de reforços em áreas de elevada tensão, como perto de conectores ou componentes, ajuda a reduzir a tensão de flexão local e a melhorar a fiabilidade.

Considerações eléctricas

Para além das considerações mecânicas, os projectistas devem também ter em conta o desempenho elétrico das PCB flexíveis. Algumas das principais considerações eléctricas incluem o controlo da impedância, a blindagem EMI e a integridade do sinal. A manutenção de uma impedância consistente é fundamental para os projectos de alta velocidade. Os projectistas devem controlar cuidadosamente a largura do traço, o espaçamento e a espessura do dielétrico para obter a impedância desejada. As PCB flexíveis podem ser mais susceptíveis a EMI devido às suas finas camadas dieléctricas e à falta de um plano de terra contínuo. A utilização de técnicas de blindagem, tais como cobre ligado à terra ou revestimentos condutores, pode ajudar a reduzir a EMI. Garantir a integridade do sinal é fundamental para projectos de alta velocidade. Os projectistas devem controlar cuidadosamente o encaminhamento, a impedância e a terminação do traço para minimizar as reflexões de sinal e a diafonia.