Circuitos flexíveis e rígido-flexíveis

Atualmente, a tecnologia “flexible-circuits” ou no português conhecida como circuitos flexíveis, impressão flexível, circuitos flex ou então o híbrido rígido-flexível, é usada em uma grande variedade de produtos. Grande crédito devido aos esforços de engenheiros japoneses que trabalhavam na área de encapsulamento, descobriram incontáveis formas de se empregar a tecnologia. Na última década, manteve-se como um dos segmentos da indústria eletrônica com maior crescimento. Uma variante mais recente dessa tecnologia é a "eletrônica flexível", que, frequentemente, envolve a integração de funções ativas e passivas.

 

Circuitos flexíveis e rígido-flexíveis rapidamente cresceram no setor de manufatura eletrônica, dentre os fatores podemos citar múltiplas aplicações e facilidade de posicionamento em projetos eletrônicos, interconexão entre placas, ou interface com componentes externos.

 

Oferece grande atrativo pela redução dos custos totais quando se substituem interconexões convencionais, o que pode reduzir em até 60% o custo e até 75% do volume ocupado.

 

O advento desse processo de fabricação fez com que equipamentos portáteis, tais como telefones celulares, câmeras digitais compactas pudessem ser desenvolvidas com novos designs, levando a um processo de miniaturização, já que os componentes puderam ser conectados em um modo dinâmico e tridimensional.

 

Um ponto interessante é que o circuito se adapta ao design mecânico e não o contrário, como normalmente aconteceria no processo de design, onde após a placa de circuito pronta o design mecânico era realizado.

 

Exemplo de uma placa de circuito rígido-flexível conectando placas rígidas.
Figura 1. Exemplo de uma placa de circuito rígido-flexível conectando placas rígidas.

 

Circuito tridimensional construído com PCB rígido-flexível.
Figura 2. Circuito tridimensional construído com PCB rígido-flexível.

 

São compostos basicamente de filmes flexíveis dispostos em finas camadas com trilhas condutoras. Estes geralmente constituem a base flexível de circuito laminado, que pode ser usado para interligar dispositivos eletrônicos, como telas de LCD e teclado num computador portátil - como uma substituição de fiação (chicotes), ou pode ter componentes eletrônicos diretamente soldados através de solda ou cola condutiva, para formar uma placa de circuito maleável.

 

 

Aplicações

 

A diversidade de designs que podem ser feitos combinando circuitos rígidos e flexíveis, propicia “infinitas” aplicações. É claro que a tecnologia é adequada para uma gama de aplicações de circuito onde a placa rígida ainda é usada.

 flex-e-rigid-flex-pcbs-tabela-01

 

Aplicações de circuitos flexíveis na construção de circuitos eletrônicos.
Figura 3. Aplicações de materiais flexíveis na construção de circuitos eletrônicos.

 

Na indústria automotiva, circuitos flexíveis são usados em instrumentos do painel, controladores sob o capô, circuitos escondidos dentro da cobertura do teto de uma cabine e em sistemas ABS. Em computadores, são empregados em circuitos que movem a cabeça de tinta das impressoras e no braço carregador da cabeça de leitura/gravação do disco rígido. No campo da medicina são encontrados em dispositivos onde muitas interconexões são necessárias em pouco espaço disponível.

 

Aplicação de circuito flexível na construção de teclados.
Figura 4. Aplicação de circuito flexível na construção de teclados.

 

Células solares flexíveis foram desenvolvidas como uma alternativa mais leve para fornecimento de energia em satélites. Podem ser enroladas para o lançamento e desenroladas posteriormente. Atualmente, na era dos “wearable devices” podem ser costuradas em mochilas e em roupas.

 

 

Benefícios

 

São projetados seguindo principalmente os rigores da indústria aeroespacial, médica e militar, onde a confiabilidade deve ser levada a níveis mais altos. O circuito flexível tem a capacidade de ser dobrado ou vincado e, posicionado em áreas reduzidas propiciando a miniaturização dos produtos, consequentemente implica em uma redução do peso.

 

A seguir, temos alguns dos benefícios trazidos pela tecnologia na indústria do dia a dia.

 

Redução de invólucros

 

- Permite reduzir substancialmente o tamanho do invólucro onde será posicionado o circuito;

- A capacidade do circuito flexível em ser dobrado ou vincado agrega miniaturização dos dispositivos.

 

Redução de custos

 

- Como dito anteriormente, filmes de poliamida flexível e filme requerem área muito menor, reduzindo o tamanho da embalagem e os custos gerais dos materiais;

- Circuitos flexíveis quando aplicados em interligações entre placas ou interfaces externas, reduz o número de conectores a serem soldados.

 

Substituição de fios e chicotes

 

- Circuitos flexíveis usados para substituir a fiação e conectores reduz erros durante processo de montagem manual.

 

Aplicações de alta temperatura

 

- Possuem capacidade térmica maior do que outros materiais dielétricos, melhorando significativamente a taxa de dissipação de calor;

- Poliamida possui efeitos de expansão e contração minimizados.

 

Aplicações de alta densidade

 

- Circuitos flexíveis permitem trilhas estreitas e que componente sejam soldados junto a fita, permitindo dispositivos com alta densidade de componentes.

 

Confiabilidade e Durabilidade

 

- A estabilidade térmica da poliamida permite que o circuito suporte altas temperaturas, resistência mecânica elevada, resistência à vibração, etc.

 

 

Classificação / Manufatura

 

Circuitos puramente flexíveis e rígido-flexíveis são categorizados segundo o padrão IPC-6013 em Classes e Tipos.

 

Classes – Existem 3 classes e são baseadas no nível de inspeção e teste requeridos, além da performance do produto quando finalizado.

 

Classe 1: possuem requerimentos mínimos de inspeção, testes e performance. Consequentemente, o custo de produção é baixo e normalmente são usados em eletrônicos “descartáveis” como etiquetas RFID e brinquedos.

Classe 2: possuem requerimentos moderados de inspeção, testes e performance. Custos de produção um pouco mais elevado do que circuitos classe 1 e podem ser encontrados em câmeras portáteis, celulares, palms, laptops e similares.

Classe 3: possuem os requisitos mais elevados. Por consequência, os custos de produção são bem elevados, equipamentos que utilizam essa classe de circuitos são aqueles que necessitam de confiabilidade e alto desempenho, como produtos médicos (marcapasso) ou aplicação militar e aeroespacial.

 

Tipos – É determinado pela construção das chapas, número de camadas condutoras, construção/materiais e presença de furos transversais com acabamento (Platted through Holes).

 

Camada Simples

 

IPC-6013 Tipo 1:

Camada condutora única.

Material Isolante em um ou nos dois lados.

Acesso a camada condutora por um lado, ou pelos dois.

 

Ilustração do circuito de camada única.
Figura 5. Ilustração do circuito de camada única.

 

Camada Dupla

 

IPC-6013 Tipo 2

Duas camadas condutoras com filme isolante entre elas.

Furos de interconexão com cobertura de material condutor.

Material isolante de cobertura em um ou nos dois lados.

Acesso às camadas condutoras por um lado ou ambos.

 

Circuito de camada dupla.
Figura 6. Circuito de camada dupla.

 

Multicamada

IPC-6013 Tipo 3

Três ou mais camadas condutoras.

Material isolante flexível entre as camadas condutoras.

Furos de interconexão com cobertura de material condutor.

Acesso às camadas condutoras por um lado ou por ambos.

 

Circuito flexível de múltiplas camadas.
Figura 7. Circuito flexível de múltiplas camadas.

 

Rígido-flexível

IPC-6013 Tipo 4

Duas ou mais camadas condutoras

Material isolante pode ser rígido ou flexível

Furos de interconexão trabalhados nas áreas flexíveis ou rígidas.

Acesso às camadas condutoras por um lado ou por ambos.

 

Circuito híbrido, camada flexível e rígida no mesmo circuito.
Figura 8. Circuito híbrido, camada flexível e rígida no mesmo circuito.

 

A tecnologia emprega grande variedade de materiais para dar-lhe o desempenho elétrico e mecânico necessário. No entanto, para obter o menor custo possível, durante a produção aconselha-se usar materiais considerados padrão. Matéria-prima incomum no projeto pode aumentar significativamente o custo e o tempo de produção.

 

Materiais condutores:

Folha de cobre – ¼ oz, 1/3 oz, ½ oz, 1 oz, 2 oz.

Alumínio

Carbono

Ligas de prata

Materiais isolantes:

Filme de poliamida

Filme de poliéster

PET

Máscara de solda:

Cobertura de poliamida e poliéster

Adesivos:

Epoxy 0.001”, 0.002”

Filme acrílico

Prepreg

Materiais de reforco:

FR4

Filme de poliamida adesiva

 

O que se deve atentar é que cada empresa possui seus próprios materiais e diferentes processos de fabricação. Atualmente, disponíveis para esse tipo de tecnologia tem-se os seguintes acabamentos de superfície:

- ENIG

- ENEPIG

- Hard Nickel/Gold

- HASL

- Imersão em estanho

- OSP

 

 

Normas / Materiais de consulta

 

Existem diversos documentos de onde os designers podem retirar informações importantes durante o projeto. Muitos fabricantes possuem seus próprios guias que são focados em seus processos de produção.

 

Na Tabela abaixo, estão listados alguns dos documentos que considero mais importantes, diretivas do orgão IPC (Institute of Printed Circuits) onde diversos aspectos do processo de design são levados em consideração, produção e qualificação de placas de circuito, dentre elas as Rigid-Flex.

 flex-e-rigid-flex-pcbs-tabela-02

 

Conclusão

 

De longe o maior atrativo da tecnologia flexível e seus derivados está na diversidade de aplicações e redução de custos e volume.

 

Devido ao fato de que cada empresa possui seus próprios materiais, e métodos de produção, é interessante antes de começar o processo de design, que se entre em contato e saiba quais são as limitações e regras impostas pelo fabricante.

 

Um ponto a ter em mente é que muitas das vantagens inerentes dos circuitos flexíveis, tais como montagem simplificada e redução de erros, são vantagens a nível de sistema. Por isso, é importante notar que, muitas vezes, para uma determinada aplicação, o custo de um único circuito flexível pode ser mais caro do que um homólogo rígido. No entanto, o benefício em nível sistêmico em migrar o projeto para circuitos flexíveis ou rígido-flexíveis em termos de liberdade de design, flexibilidade, desempenho dinâmico, confiabilidade e redução de erros, representam a verdadeira oportunidade de gerar valor e corte de custos.

 

 

Referências

 

“Printed Circuit Techniques” by Cledo Brunetti and Roger w. Curtis (National Bureau of Standards Circular 468 first issued 15 November 1947)

"Flexible Circuits" by Steve Gurley, CRC Press, Boca Raton, FL 1984

"Flexible Circuit Technology" 3rd Edition by Joseph Fjelstad, BNR Publishing, Seaside OR 2006

"Flexible Printed Circuitry" by Thomas Stearns, McGraw-Hill, NY, NY 1995

"Handbook of Flexible Circuits" by Ken Gilleo, Van Nostrand Reinhold, NY, NY 1992

"Coombs' Printed Circuits Handbook" 6th Edition (Part 15 Flexible Circuits by Dominique Numakura) McGraw-Hill, NY, NY 2008

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Felipe Iglesias
Engenheiro eletrônico pela Universidade de Brasília. Atualmente é mestrando em aeronáutica e aeroespacial na Universidade de Pequim, onde trabalha com desenvolvimento de satélites. Trabalha na LOOP Engenharia da Computação no desenvolvimento de projetos eletrônicos e cuida da fabricação e montagem de PCBs junto à empresas chinesas.

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Herbert Menezes
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Herbert Menezes

As fabricantes de PCB aqui no Brasil já estão fazendo flex-PCB? Há uns 5 anos atrás tive que ir para a Alemanha para entender a tecnologia e depois encontrar um fabricante, pois aqui no Brasil o pessoal ainda não conseguia produzir.

Pablo Henrique Lima
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Pablo Henrique Lima

Hey Felipe! Fantástico artigo cara!