Placas de circuito impresso flexíveis rígidassão amplamente utilizados em eletrônicos de consumo, eletrônicos automotivos, aeroespaciais e outros campos devido à sua capacidade de fornecer suporte mecânico estável em áreas rígidas e conexões de flexão flexíveis em áreas flexíveis. Desde a conexão de tela dobrável de smartphones até a complexa fiação dentro dos compartimentos do motor do carro, as placas de circuito impresso rígidas e flexíveis desempenham um papel crucial. Em seu processo de projeto e fabricação, o controle do raio de curvatura é um elemento central para garantir o desempenho e a confiabilidade do produto. O raio de curvatura inadequado pode causar uma série de problemas sérios, como rachaduras na folha de cobre, descascamento da camada dielétrica, quebra de circuito, etc., que podem levar à falha de toda a função do produto eletrônico.
1, estrutura de placa de circuito impresso flexível rígida e princípio de flexão
1. Composição estrutural
Uma placa de circuito impresso rígida e flexível consiste em uma região rígida, uma região flexível e uma região de transição entre as duas. Materiais de base rígidos como FR-4 são geralmente usados em áreas rígidas, e folhas de cobre multi{3}}camadas e camadas dielétricas são sobrepostas, assim como a placa de circuito impresso multicamadas tradicional, para fornecer uma base sólida para a instalação de componentes. A área flexível é feita de poliimida como substrato, combinada com folha de cobre e filme de cobertura, conferindo à placa capacidade de flexão. A zona de transição é uma parte fundamental para conseguir uma ligação suave entre rigidez e flexibilidade. Através de processos de laminação específicos, é garantida a continuidade das conexões elétricas e das propriedades mecânicas entre as diferentes zonas.
2. Princípio de flexão
Quando a área flexível da placa de circuito impresso rígida e flexível dobra, o material interno é submetido a tensão de compressão e o material externo é submetido a tensão de tração. À medida que o grau de flexão aumenta, a tensão acumula-se continuamente. Existe um limite para a tensão que os materiais podem suportar e, uma vez excedido esse limite, pode causar danos materiais. Quanto menor o raio de curvatura, maior será a diferença de tensão entre os lados interno e externo do material e maior será o risco de danos. Por exemplo, em dispositivos vestíveis, as placas de circuito impresso rígidas e flexíveis precisam ser dobradas com frequência. Se o raio de curvatura não for projetado corretamente, poderá ocorrer quebra da folha de cobre em um curto período de tempo, causando mau funcionamento do dispositivo.
2, Fatores-chave que afetam o raio de curvatura
1. Características dos materiais
folha de cobre
A folha de cobre, como principal camada condutora, tem um impacto significativo no seu desempenho de flexão devido à sua espessura. A folha de cobre espessa (35 μm ou mais espessa) gera maior tensão de tração e é propensa a rachar quando dobrada devido à sua alta rigidez. A estrutura de folha de cobre multi-camadas aumentará a espessura total da área flexível, aumentando assim o raio de curvatura necessário. Por exemplo, placas de circuito impresso rígidas e flexíveis de folha de cobre espessa usadas em alguns circuitos de energia exigem um raio de curvatura maior para garantir confiabilidade em comparação com placas com espessura de folha de cobre comum.
substrato
A espessura do substrato do filme PI comumente usado em áreas flexíveis é o fator chave que determina seu desempenho de flexão. Substratos finos (25 μm ou menos) são adequados para projetos com raios de curvatura pequenos, mas sua resistência mecânica é baixa e a flexão-de longo prazo é propensa à falha por fadiga. Substratos espessos (50 μm ou mais) têm alta resistência mecânica, mas baixo desempenho de flexão e requerem um raio de curvatura maior. Na fiação interna de smartphones que exige muito espaço, substratos PI finos são frequentemente usados para obter um raio de curvatura pequeno e atender aos requisitos de layout de espaço compacto.
filme de capa
A espessura e as propriedades do material da película de cobertura afetam a distribuição de tensões durante a flexão. A película de cobertura fina pode melhorar o desempenho de flexão de áreas flexíveis, mas a resistência ao desgaste e o desempenho de isolamento podem ser reduzidos. A película de cobertura espessa aumenta a rigidez à flexão, exigindo um raio de curvatura maior. Na placa de circuito impresso rígida e flexível usada para conectar sensores automotivos, para garantir confiabilidade-de longo prazo em ambientes complexos, um filme de cobertura um pouco mais espesso e de alto-desempenho é selecionado e, consequentemente, o design do raio de curvatura precisa ser aumentado.
2. Estrutura do conselho
número de camadas
Quanto mais camadas houver na parte flexível, maior será a espessura total e pior será o desempenho de flexão. O empilhamento excessivo pode aumentar o estresse interno, tornando-o mais sujeito a problemas durante a flexão. Portanto, no projeto, o número de camadas flexíveis deve ser minimizado tanto quanto possível para melhorar o desempenho de flexão.
Empilhamento simétrico
A simetria das estruturas laminadas em áreas flexíveis é crucial. Estruturas assimétricas, como a espessura da folha de cobre ou a assimetria da espessura do substrato, podem gerar concentração de tensão durante a flexão, aumentando muito o risco de trincas ou delaminação. Somente garantindo o empilhamento simétrico é que a tensão pode ser distribuída uniformemente e um bom desempenho de flexão pode ser garantido.
3, Padrões de controle de raio de curvatura e métodos de cálculo
1. Padrões da indústria
Padrões da indústria como IPC-2223 fornecem orientação sobre o raio de curvatura de placas de circuito impresso rígidas e flexíveis. De modo geral, o raio de curvatura recomendado é de 10 a 15 vezes a espessura da placa flexível para evitar rachaduras e falhas mecânicas. Mas diferentes cenários de aplicação têm diferentes requisitos de confiabilidade e os padrões também podem variar. Em áreas com requisitos de alta confiabilidade, como a indústria aeroespacial, os padrões de raio de curvatura são frequentemente mais rigorosos.
2. Cálculo de fórmula empírica
Flexão única
Com base em ampla experiência prática, a fórmula para calcular o raio de curvatura mínimo durante uma única dobra é: Rmin1=k1 × T, onde Rmin1 é o raio de curvatura mínimo durante uma única dobra, T é a espessura total da peça flexível e k1 é o coeficiente de flexão único, geralmente variando de 6 a 10. Por exemplo, se a espessura total da peça flexível for 0,2 mm, quando k1 for considerado 8, Rmin1=8 × 0.2=1.6mm.
flexão repetida
Para cenários de aplicação que exigem flexão frequente, a fórmula para calcular o raio de flexão mínimo para flexão repetida é: Rmin2=k2 × T. Rmin2 é o raio de flexão mínimo para flexão repetida e k2 é o coeficiente para flexão repetida, geralmente entre 12 e 20. Se a espessura total da peça flexível ainda for 0,2 mm e k2 for definido como 15, Rmin2=15 × 0.2=3mm.
4, Medidas de otimização para raio de curvatura
1. Otimização da fiação
Evite curvas em ângulo reto
Em áreas curvas, as linhas de sinal devem evitar curvas em ângulo reto e usar um método de fiação de transição curva. Em ângulos retos, ocorre concentração de tensão, enquanto transições circulares podem efetivamente dispersar a tensão e reduzir o risco de rachaduras na folha de cobre.
Fiação distribuída
Evite concentrar múltiplas linhas de sinal em áreas curvas para reduzir o estresse local. O planejamento razoável da fiação para distribuir uniformemente os sinais pode ajudar a melhorar a confiabilidade da flexão.
Ajustar a largura e o espaçamento da linha
A largura da linha na área curva deve ser ampliada adequadamente (geralmente 1,5 vezes a largura da linha convencional) e o espaçamento entre linhas deve ser aumentado para evitar curto-circuitos ou rachaduras durante a dobra e garantir um desempenho elétrico estável.
2. Otimização de design em camadas
Reduza o número de camadas
Simplifique o número de camadas flexíveis, reduza a espessura total, melhore o desempenho de flexão e reduza a geração de tensão interna.
Garanta um empilhamento simétrico
Garanta estritamente o empilhamento simétrico da folha de cobre e da película de cobertura para distribuir uniformemente a tensão durante a flexão e evitar vários problemas causados pela concentração de tensão.
3. Otimização do filme de cobertura
Escolha materiais de alta ductilidade
Usando poliimida de alta ductilidade e outros materiais de filme de cobertura para melhorar o desempenho de flexão de áreas flexíveis e melhorar a durabilidade da placa.
Design de janela razoável
O desenho da janela deve ser aplicado à película de cobertura na área curva para reduzir a concentração de tensão, mas deve-se garantir que a janela não afete o desempenho do isolamento elétrico.
4. Otimização do projeto da área de dobra
Configure uma zona tampão curva
Projete zonas tampão ao redor da área curva para evitar excesso de fiação de sinal e vias nesta área e reduzir a interferência de tensão.
Defina claramente a direção da dobra
Defina claramente a direção de dobra da peça flexível, evite distribuição complexa de tensões e garanta um processo de dobra estável e confiável.
5. Através do gerenciamento de estresse do furo
Reduza o número de furos passantes
Furos passantes em áreas curvas aumentarão a tensão local, e a configuração dos furos passantes deve ser minimizada tanto quanto possível para reduzir os pontos de concentração de tensão.
Adotando tecnologia-aprimorada
Ao usar o processo de preenchimento de furos passantes ou furos cegos enterrados, a estabilidade dos furos passantes durante a flexão pode ser melhorada para evitar rachaduras.
O padrão para controlar o raio de curvatura de placas de circuito impresso rígidas e flexíveis é crucial para garantir seu desempenho e confiabilidade. Ao compreender profundamente as propriedades do material e os fatores da estrutura da camada que afetam o raio de curvatura, calculando com precisão o raio de curvatura usando padrões da indústria e fórmulas empíricas e tomando uma série de medidas eficazes, como otimização de fiação e otimização de empilhamento, o desempenho de curvatura de placas de circuito impresso flexíveis rígidas pode ser significativamente melhorado.