O que é um Flex PCB? Um guia completo

Introdução

As placas de circuito impresso (PCB) flexíveis, normalmente designadas por circuitos flexíveis, oferecem capacidades únicas para além das tecnologias tradicionais de PCB rígidas. A sua construção flexível permite-lhes dobrar, dobrar e flexionar dinamicamente durante a utilização, tornando-as essenciais nos dispositivos e produtos electrónicos modernos devido à crescente miniaturização e inovação na eletrónica.

Compreender os fundamentos da tecnologia PCB flexível irá ajudá-lo a determinar a utilização eficaz de circuitos flexíveis nos seus produtos e designs electrónicos. Pode recorrer à PCBPit - a empresa de confiança Empresa de fabrico de placas de circuito impresso para soluções de PCB flexíveis.

 

O que é um Flex PCB?

placa flexível

Uma placa de circuito impresso flexível utiliza uma camada de base dieléctrica feita de um material polimérico flexível, como a poliimida ou o poliéster. Os traços condutores de cobre são laminados sobre a camada de base flexível para criar uma placa de circuito fina e flexível. A ausência de reforço rígido de fibra de vidro permite que a PCB flexível seja flexionada e contorcida dinamicamente durante o uso.

Nomes comuns utilizados para designar os PCB flexíveis:

  • Circuitos flexíveis
  • Circuitos flexíveis
  • Circuitos impressos flexíveis
  • Impressões flexíveis

As principais propriedades que distinguem as PCB flexíveis incluem a sua flexibilidade, leveza, comportamento dinâmico, durabilidade, integração com componentes, design que poupa espaço e possibilidade de personalização. Estas capacidades permitem que os circuitos flexíveis satisfaçam as complexas exigências físicas e eléctricas dos dispositivos electrónicos compactos e portáteis.

 

Materiais e construção de PCB flexíveis

Os materiais e a construção únicos das PCB flexíveis permitem as suas capacidades distintas. Os principais componentes da construção de um circuito flexível são:

Substrato flexível dielétrico

A camada dieléctrica de base fornece a base sobre a qual são fabricados os traços condutores. A seleção do material de substrato flexível adequado é crucial.

As opções mais comuns incluem a poliimida (Kapton), o poliéster (PET), a poliamida, os fluoropolímeros (PTFE) e o polímero de cristais líquidos (LCP). A poliimida é o material de substrato flexível mais utilizado devido à sua elevada durabilidade, propriedades térmicas e relação custo-benefício.

Folha de cobre

Uma folha de cobre recozida laminada ultrafina é laminada no substrato de base. A espessura típica da folha em PCB flexíveis varia entre 12μm e 35μm (0,5 oz a 1 oz).

Condutores

A folha de cobre é modelada utilizando processos litográficos para produzir os caminhos ou traços condutores necessários.

Cobertura

Uma fina camada dieléctrica flexível pode ser laminada sobre a camada condutora para isolamento e proteção.

Adesivo de colagem

As películas adesivas acrílicas ou à base de epóxi são utilizadas para colar o substrato de base com a folha de cobre e a camada de cobertura com os condutores.

Reforços

Em construções multicamadas, podem ser adicionadas camadas adicionais de reforço dielétrico para minimizar o enrugamento ou a deformação do PCB flexível devido a tensões térmicas.

Acabamentos e revestimentos

Uma máscara de solda reveste o padrão condutor para isolamento e anti-oxidação. O nivelamento de solda por ar quente (HASL) ou outros acabamentos de superfície podem ser aplicados às almofadas expostas.

Principais propriedades dos PCB flexíveis

Os materiais e os métodos de construção conferem propriedades características aos circuitos flexíveis, incluindo a espessura total, o raio de curvatura, a resistência ao calor, a resistência química e a leveza. Estas propriedades tornam os circuitos flexíveis de PCB adequados para uma vasta gama de aplicações electrónicas.

Características dos PCB flexíveis

  • Propriedades de alta frequência - Caminhos de sinal curtos e materiais dieléctricos finos contribuem para um excelente desempenho em alta frequência. Os substratos como o LCP oferecem propriedades RF superiores, tornando-os adequados para aplicações de alta frequência.
  • Classificações actuais - A capacidade de transporte de corrente das placas de circuito impresso flexíveis é limitada pela espessura do cobre, com classificações típicas de corrente contínua que variam entre aproximadamente 0,5A e 5A para construções comuns de circuitos flexíveis.
    Através da seleção cuidadosa dos materiais e do cumprimento das regras de conceção, as propriedades das PCB flexíveis podem ser adaptadas para satisfazer requisitos específicos das aplicações.

Considerações sobre a conceção de PCB flexíveis

A conceção de uma PCB flexível fiável requer uma atenção especial aos aspectos de flexão dinâmica. Seguem-se as principais directrizes a considerar:

  • Largura e espaçamento do traço - Os traços mais estreitos necessitam de um maior espaçamento flexível para evitar fissuras. Recomenda-se um rácio de 2:1 entre o espaçamento e a largura do traço para regiões dinâmicas.
  • Raio de curvatura - O encaminhamento de traços perpendiculares aos eixos de curvatura é essencial. É importante manter um raio de curvatura de, pelo menos, 3X a espessura da base para regiões estáticas e 10X para regiões de curvatura dinâmica.
  • Vazios do revestimento - Para evitar o desgaste, os espaços vazios do revestimento devem ser minimizados nas áreas onde os traços estão expostos. A colocação estratégica de espaços vazios deve ser considerada em zonas de dobragem dinâmicas.
  • Reforço - Poderão ser necessários reforços adicionais nas regiões multicamadas para evitar a deformação e o enrugamento durante a flexão.
  • Adesivos - Utilize colas flexíveis de elevado desempenho concebidas para aplicações flexíveis dinâmicas. Os adesivos acrílicos são conhecidos pela sua durabilidade.
  • Vias - Devem ser utilizadas vias em forma de gota com anéis anulares adequados para evitar a propagação de fissuras a partir dos bordos do furo.
  • Cantos - Arredondar os cantos agudos dos traços com raios mais altos ajuda a reduzir as concentrações de tensão. É aconselhável evitar traços angulares nos cantos.
  • Almofadas - Aplicar almofadas ou círculos em forma de retângulo arredondado. Os coxins nas zonas de flexão devem ser aliviados termicamente com pescoços.
  • Blindagem - Películas de blindagem flexíveis ou camadas condutoras ajudam na proteção EMI/ESD. Também podem ser integrados traços de blindagem dedicados.

Ao aderir a estas directrizes especializadas, os PCB flexíveis podem ser concebidos para suportar milhões de ciclos de flexão e ter uma longa vida útil do produto.

 

Tipos e aplicações comuns de PCB flexíveis

Os circuitos flexíveis podem ser utilizados em várias configurações para aplicações de interligação e embalagem:

  • Interligações flexíveis - Os traços condutores simples ou padrões de fios são utilizados em substratos flexíveis para ligar PCB, ecrãs e outros módulos em movimentos dinâmicos.
  • Cabos flexíveis - Utilize traços de condutores paralelos sobre substratos flexíveis laminados para criar cabos de fita de alta densidade para interconexões de sinal, dados e energia.
  • Interruptores de membrana - Integrar traços condutores, espaçadores e sobreposições flexíveis para produzir interruptores de controlo ultra-finos sensíveis ao toque.
  • Placas rígidas flexíveis - Incorporar placas rígidas com secções flexíveis para criar PCB híbridas compactamente dobráveis com partes rígidas complexas.
  • Aquecedores flexíveis - Padrão de elementos de aquecimento resistivos em substratos flexíveis para criar almofadas e cobertores de aquecimento finos capazes de se adaptarem às superfícies.

Algumas aplicações comuns de PCB flexíveis incluem instrumentos médicos, dispositivos portáteis, robótica e máquinas industriais, eletrónica de consumo, eletrónica automóvel, sistemas aeroespaciais e militares. A flexibilidade, a leveza e as características dinâmicas dos circuitos flexíveis permitem possibilidades de conceção inovadoras.

 

Vantagens das PCB flexíveis

A tecnologia de PCB flexível oferece várias vantagens importantes:

  • Flexão dinâmica - Pode suportar milhões de ciclos de movimento, permitindo rolar, torcer e dobrar, o que não é possível com PCB rígidos.
  • Conforma-se à forma - Pode integrar-se perfeitamente nos contornos e caixas dos produtos, ao contrário das placas rígidas.
  • Leve - Apresenta uma massa extremamente baixa em comparação com os laminados rígidos, o que o torna adequado para dispositivos portáteis e de vestir.
  • Fator de forma fino - Permite a criação de circuitos compactos e de baixo perfil para se adaptar a espaços pequenos e facilitar produtos mais finos.
  • Duradouro - Resistente às vibrações e aos choques mecânicos graças à sua construção flexível.
  • Alta densidade - Integra as interligações, eliminando a necessidade de cabos e conectores externos.
  • Formas personalizadas - Pode ser fabricado em formas e contornos 2D ilimitados.
  • Suave e flexível - Permite a integração de sistemas electrónicos completos em tecidos.
  • Fiabilidade - Oferece um desempenho consistente ao longo da vida flexível com uma conceção adequada.
  • Poupança de custos - Simplifica a montagem, reduz a necessidade de conectores e diminui o custo total do produto.
 

Desafios e limitações

Embora ofereça numerosas vantagens, a tecnologia de PCB flexível também apresenta as seguintes limitações:

  • Camadas e densidade limitadas - Normalmente, permite 1-6 camadas, restringindo a complexidade dos circuitos. A tecnologia flexível multicamadas de alta densidade ainda está a ser desenvolvida.
  • Correntes nominais mais baixas - A espessura do cobre limita a capacidade de transporte de corrente, normalmente inferior a 5A.
  • Montagem de desafios - Requer processos SMT especializados adequados a substratos flexíveis.
  • Propensão para o desgaste - Um espaçamento dinâmico de flexão incorreto pode levar a fissuras e falhas no condutor.
  • Requisito da estrutura de apoio - Os circuitos flexíveis devem ser montados em estruturas ou caixas rígidas para uma integração completa do sistema.
  • Preocupações com a gestão térmica - O substrato de polímero isolante dificulta a dissipação de calor.
  • Suscetível a danos ambientais - Requer um encapsulamento protetor adicional para atenuar os danos ambientais.

Com práticas de design sólidas e avanços nos materiais, estão a ser feitos esforços contínuos para resolver estas limitações e expandir as capacidades dos PCB flexíveis.

 

Comparação de PCB flexíveis e PCB rígidos

Embora a tecnologia de PCB rígida seja adequada para muitas aplicações, em certos casos, a transição para uma implementação de PCB flexível é vantajosa. Apresenta-se de seguida uma comparação entre as PCB flexíveis e as PCB rígidas:

Parâmetro PCB flexível PCB rígida Composição Polímero dielétrico (PI, PET) Laminado rígido (FR4) Camadas Tipicamente 1-6 camadas Até 30+ camadas Características Traços de linha fina, Pequenas vias Permite características ultra-finas (<3 mil) Densidade Densidade média É possível uma densidade muito elevada Condutividade térmica Má condução através do polímero Boa condução térmica Capacidade de corrente Tipicamente < 5A São possíveis correntes elevadas Montagem Requer um processo SMT especializado Montagem SMT normal Forma Pode produzir qualquer contorno 2D Limitada a placas rectangulares Raio de curvatura Pode flexionar-se dinamicamente Quase não há raio de curvatura Custo $$ $$$

Enquanto as PCB rígidas servem a maioria das aplicações de elevada complexidade, densidade e potência, as PCB flexíveis proporcionam a flexibilidade mecânica necessária em projectos móveis com restrições de espaço. A solução ideal é frequentemente a integração de ambas numa PCB rígida-flexível para tirar partido do melhor de ambas as tecnologias.

 

Tendências futuras em PCB flexíveis

Eis algumas das principais tendências que estão a moldar a evolução contínua da tecnologia de PCB flexíveis:

  • Construções mais finas - Redução da espessura das camadas flexíveis até 1 mil para melhorar a capacidade de dobragem.
  • Características mais pequenas - Larguras de traço mais estreitas e espaçamento até 2 mils para aumentar a integração.
  • Materiais melhorados - Novos substratos como o LCP para um melhor desempenho elétrico e de alta frequência.
  • Passo fino Componentes - Permite a montagem direta à superfície de circuitos integrados de passo ultrafino em placas de circuito impresso flexíveis.
  • Flexível de alta densidade - Desenvolvimento de placas flexíveis multicamadas até 12 camadas condutoras.
  • Incorporação de passivos - Incorporação de resistências e condensadores finos incorporados nas camadas flexíveis.
  • Circuitos extensíveis - Adoção de novos materiais para permitir que os PCB flexíveis se estiquem e deformem.
  • Processamento aditivo - Transição da gravura subtractiva para o fabrico aditivo utilizando processos de impressão ou de galvanização.
  • Circuitos flexíveis estruturados em 3D - Técnicas de fabrico de estruturas de circuitos flexíveis fora do plano.
 

À medida que a ciência dos materiais e os processos de fabrico amadurecem, a tecnologia de PCB flexíveis abrirá portas a designs electrónicos mais inovadores que antes não eram viáveis.

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