Introdução às placas de circuito impresso flexíveis
Uma placa de circuito impresso flexível (PCB flexível ou circuito flexível) é um tipo de placa de circuito impresso feita de materiais isolantes flexíveis, como filme de poliimida. Ao contrário dos PCBs rígidos tradicionais, os PCBs flexíveis podem dobrar e flexionar, mantendo a conectividade elétrica. As principais vantagens dos PCBs flexíveis incluem:
1. Flexibilidade mecânica: pode dobrar e flexionar para se ajustar a espaços mecanicamente desafiadores.
2. Perfil leve e fino: ideal para designs compactos e leves.
3. Interconexões de alta densidade: adequadas para conjuntos interconectados de alta densidade.
4. Design versátil: pode ser dobrado e enrolado em torno das bordas.
5. Durabilidade: resistente à vibração e fadiga, garantindo confiabilidade a longo prazo.
6. Versatilidade de aplicação: comumente usado em eletrônicos de consumo menores.
Os PCBs flexíveis são amplamente usados em vários setores, como eletrônicos de consumo, automotivo, aeroespacial, dispositivos médicos e equipamentos industriais. Com a tendência atual de miniaturização da eletrônica, os PCBs flexíveis se tornaram uma solução de interconexão indispensável.
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Montagem Flex
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PCB Flex
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Flex de 2 Camadas
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Flex de 4 Camadas
Visão geral do processo de montagem de PCB flexível
A montagem de uma PCB flexível envolve a soldagem de componentes eletrônicos, como circuitos integrados, resistores e capacitores nas almofadas condutoras e trilhas na placa flexível. Esse processo requer habilidades e equipamentos especializados para manusear o material flexível durante a montagem. As principais etapas no processo de montagem de PCB flexível são:
Design e fabricação
Design: O layout da PCB é projetado usando software CAD, considerando fatores como raio de curvatura, empilhamento de camadas e impedância controlada.
Fabricação: A placa flexível é fabricada com o número necessário de camadas condutoras ligadas ao substrato flexível. Os materiais flexíveis comuns usados são filmes de poliimida e poliéster.
Fixação de componentes
Tecnologia de montagem em superfície (SMT): Os componentes são montados na placa usando pasta de solda e solda por refluxo em uma linha de montagem SMT.
Tecnologia de furo passante (THT): Componentes maiores de furo passante podem ser soldados por onda. Adesivos também podem ser usados para fixação adicional de componentes.
Reforço da placa
Uma placa de reforço é frequentemente usada sob a placa flexível durante a montagem para fornecer suporte e evitar empenamento. Os reforços temporários podem ser removidos após a montagem.
Cabos de interconexão e conectores
Cabos, conectores e conjuntos de chicotes são fixados ao PCB flexível usando solda, crimpagem ou colagem adesiva para fornecer conexões de energia e sinal.
Revestimento conforme
Um revestimento conforme pode ser aplicado para isolar o circuito flexível montado de fatores ambientais.
Teste e inspeção
A placa montada passa por testes elétricos, inspeção óptica automatizada e testes funcionais. Reparos são realizados se defeitos forem identificados.
Integração final
O conjunto flexível testado é integrado ao produto final, como dobrá-lo em torno de dobradiças ou inseri-lo em gabinetes. Alívios de tensão são adicionados, se necessário.
Cada etapa do processo garante que o PCB flexível seja montado corretamente e funcione de forma confiável dentro do produto final.
Etapas do processo de montagem de PCB flexível explicadas
Agora, vamos nos aprofundar em cada etapa da montagem em detalhes:
Design de PCB flexível
Análise de circuito e criação de esquema: a equipe de engenharia analisa os requisitos do circuito e cria um esquema.
Design de layout de PCB:
O software CAD é usado para projetar o layout de PCB com base no esquema.
Considerações importantes:
1. Raio de curvatura: evite dobras acentuadas para evitar rachaduras no traço; o raio mínimo de curvatura é definido.
2. Reforços: adição de reforços em áreas específicas para evitar flexão.
3. Controle de impedância: correspondência de impedância de traço para sinais de alta velocidade.
4. Empilhamento: determinação do número de camadas condutoras e materiais dielétricos.
5. Espaçamento de componentes: contabilização da densidade e espaçamento dos componentes.
6. Preparação do arquivo Gerber: os arquivos de design finalizados são preparados e enviados para a instalação de fabricação de placas.
Fabricação de PCB flexível
Aquisição de matéria-prima: Adquira os materiais necessários, como filmes de poliimida, camada de cobertura, camada de ligação, folhas de cobre e máscara de solda.
Processo de fabricação de circuitos:
1. Camadas condutoras são impressas em filme de poliimida por meio de processos de impressão e gravação.
2. Várias camadas são unidas usando adesivo ou colagem por termocompressão para formar um empilhamento multicamadas.
3. Furos são perfurados e revestidos; camada de máscara de solda é aplicada para proteção contra oxidação.
4. Impressão de legenda é usada para indicar locais de componentes.
5. Testes elétricos garantem a continuidade dos traços.
6. Painéis ou circuitos individuais são roteados para fora de painéis maiores.
Montagem SMT
Processo de tecnologia de montagem em superfície (SMT):
1. Impressão de pasta de solda: A pasta de solda é depositada em almofadas de PCB por meio de alinhamento de estêncil e rodo.
2. Posicionamento de componentes: máquinas automáticas de pick-and-place montam componentes precisamente na pasta de solda.
3. Soldagem por refluxo: PCB passa por um forno de refluxo para derreter a pasta de solda e fixar componentes.
4. Inspeção óptica automatizada (AOI): câmeras inspecionam o posicionamento dos componentes em busca de defeitos ou desalinhamentos.
5. Retoque manual: quaisquer juntas defeituosas identificadas são corrigidas manualmente.
Desafios específicos para montagem SMT em placas flexíveis:
1. A espessura e a flexibilidade das placas flexíveis exigem o uso de reforços.
2. Sensibilidade a altas temperaturas e choques térmicos.
3. Equipamento especializado necessário para tamanhos e espaçamentos menores de componentes.
4. Controle crítico de empenamento.
Fixação de componentes por furo passante
Fixação mecânica ou de máquina:
1. Componentes maiores com fios são inseridos em furos passantes revestidos e soldados no lado oposto.
2. Os métodos incluem soldagem por onda, soldagem seletiva ou soldagem manual para cada junta.
3. Suporte adicional: Estruturas de suporte sob a placa flexível perto de componentes de furo passante, especialmente para PCBs flexíveis de dupla face.
Fixação de componente adesivo
Uso de adesivos:
Componentes fixados usando adesivos em vez de soldagem:
Colocação de adesivo de montagem em superfície.
Dispensação de adesivo líquido.
Adesivo pré-aplicado em terminais de componentes.
Benefícios: Fornece fixação mecânica e conectividade elétrica, adequado para áreas desafiadoras ou superfícies irregulares em placas flexíveis.
Uso de reforço
Objetivo: Reforçadores ou enrijecedores usados para fornecer suporte mecânico durante a montagem para evitar entortamento ou empenamento de PCBs flexíveis.
Cada etapa no processo de montagem de PCB flexível garante construção precisa e funcionalidade confiável, atendendo às demandas de aplicações eletrônicas modernas.
Tipos de reforços:
Reforços removíveis – Placas de acrílico ou metal são temporariamente fixadas abaixo da placa flexível durante a montagem, mas removidas depois, antes de flexionar o circuito.
Reforços permanentes – Placas FR4 ou placas de metal que são fixadas permanentemente em certas áreas do circuito flexível que precisam permanecer rígidas.
Reforços discretos – Pequenos reforços fixados somente sob certos componentes ou conectores grandes.
Furos de ferramentas – Furos adicionais usados para pinos para manter o PCB plano durante a montagem.
Métodos de aplicação de reforço:
Fixação do Reforço
Parafusamento: Os reforços de metal são fixados em ferramentas ou furos de montagem para suporte estrutural.
Fixação: A placa flexível é imprensada entre grampos e placas para manter a planura durante a montagem.
Fixação adesiva: Adesivos acrílicos ou epóxi pegajosos são usados para aderir reforços onde o parafusamento é impraticável.
Soldagem: Os reforços de metal são soldados na placa flexível, exigindo resistência a temperaturas de refluxo.
Fixação de interconexão
Cabeamento e conectores:
Cabos, chicotes de fios e conectores são fixados na borda da placa flexível para energia, sinais e conectividade.
Abordagens de fixação:
1. Soldagem: Os fios são soldados em almofadas designadas na placa flexível.
2. Crimpagem: Crimpagens mecânicas penetram no isolamento do condutor para prender os fios.
3. Deslocamento de isolamento: conectores IDC perfuram o isolamento do fio para estabelecer contato.
4. Adesivo anisotrópico: filme ou pasta adesiva condutora facilita as conexões elétricas.
5. Elastômero condutor do eixo Z: utiliza borracha condutora para conexões flexíveis.
Reforço:
A tubulação termoencolhível reforça as conexões de fios soldados, garantindo confiabilidade a longo prazo e proporcionando alívio de tensão.
Aplicação de revestimento conforme
Objetivo:
Revestimentos conforme protegem PCBs montados fornecendo:
1. Blindagem ambiental (umidade, poeira).
2. Suporte mecânico por componentes de ligação.
3. Isolamento elétrico entre traços.
Materiais de revestimento populares:
1. Acrílico: comum, econômico, fácil de aplicar e reparar.
2. Silicone: resistência a altas temperaturas, flexibilidade.
3. Uretano: resistência à abrasão.
4. Parileno: ultrafino, sem furos, mas caro.
5. Epóxi: duro, durável, mas desafiador de aplicar e reparar.
Processo de aplicação:
1. Limpeza: certifique-se de que a placa esteja livre de contaminantes.
2. Mascaramento: proteja áreas como conectores ou pontos de teste do revestimento.
3. Revestimento: aplicado por imersão, pulverização ou pincel.
4. Cura: calor ou luz UV curam o revestimento líquido em uma película protetora sólida.
Testes e inspeção
Testes de validação:
Vários testes garantem a confiabilidade de conjuntos de PCB flexíveis:
1. Inspeção visual: verifique a colocação do componente e as juntas de solda quanto a defeitos.
2. Teste em circuito (ICT): as sondas testam a continuidade elétrica de acordo com a netlist.
3. Teste de sonda voadora: verifica a conectividade em placas nuas antes da colocação do componente.
4. Teste funcional: valida a funcionalidade da placa simulando as operações pretendidas.
5. Inspeção automatizada de raios X: detecta defeitos ocultos em componentes como BGAs.
6. Inspeção endoscópica: usa câmeras para inspecionar montagens de vários ângulos.
7. Medições de resistência: as sondas do multímetro medem os valores de resistência em toda a placa.
Correção de defeitos:
Os defeitos identificados passam por diagnóstico, substituição de componentes e retrabalho da junta de solda até que não haja mais erros.
Integração final
Montagem em produtos finais:
As placas flexíveis totalmente montadas e testadas são integradas aos produtos finais:
1. Cuidadosamente dobradas, dobradas ou enroladas conforme as especificações do projeto.
2. Alívios de tensão adicionados aos conectores ou cabos para evitar estresse mecânico.
3. Montadas em gabinetes por meio de furos ou adesivos.
4. Conectadas aos conectores correspondentes dentro do produto.
Peças mecânicas adicionais:
Escudos, suportes e outros componentes mecânicos são montados conforme necessário.
Conclusão: O planejamento adequado e o acabamento meticuloso durante todo o processo de montagem do PCB flexível garantem montagens de circuitos confiáveis, funcionais e duráveis, adequadas para aplicações exigentes.
Equipamento de montagem de PCB flexível
Equipamento especializado para montagem de PCB flexível
Equipamento de montagem SMT:
1. Transportadores de manuseio de placas flexíveis: Transportadores a vácuo ajustáveis seguram placas flexíveis com segurança durante o transporte da linha de montagem.
2. Ferramentas de suporte de placas flexíveis: Inclui placas de vácuo ou sistemas de fixação especializados para manter a planura da placa.
3. Máquinas de coleta e colocação com capacidade para placas finas: Manuseia placas mais finas e componentes pequenos com eficiência.
4. Trilhos de transporte de pista dupla: Separa placas endurecidas e não endurecidas para processamento otimizado.
5. Fornos de refluxo de placas flexíveis dedicados: Controla com precisão o aquecimento e o resfriamento para evitar empenamento.
6. Pré-aquecedores: Aumenta gradualmente a temperatura para garantir o refluxo controlado.
Equipamento de montagem de furo passante:
1. Revestimento de furo passante de pino: Permite a inserção de componentes de furo passante após a montagem SMT em placas de dupla face.
2. Montagem de encaixe por pressão: Fixa alguns componentes de furo passante sem solda.
3. Soldagem robótica: Processo automatizado para soldagem e inspeção consistentes de componentes de furo passante.
Outros equipamentos:
1. Sistemas dedicados de soldagem por onda de placa flexível: Garante controle preciso sobre a exposição ao calor e o contato da solda.
2. Sistemas de revestimento conformal: Spray de precisão ou revestimento robótico garante aplicação consistente em placas flexíveis.
3. Sistemas de inspeção óptica flexível: Sistemas avançados capazes de lidar com empenamento de placa flexível durante a inspeção.
4. Testadores de sonda voadora: Permite testes elétricos de trilhos antes e depois da colocação do componente.
5. Inspeção por raio-X: Detecta defeitos ocultos, como vazios sob BGAs após a soldagem.
Sistemas de teste:
1. Dispositivos de teste Bed of Nails: Fornece conexões temporárias confiáveis para testar circuitos flexíveis.
2. Testadores de sonda voadora: Sondas automáticas para testar nós elétricos sem exigir um dispositivo de teste.
3. Suportes de teste de placa funcional: simulam condições de carga do mundo real para validar a funcionalidade da placa.
A seleção e utilização adequadas de ferramentas e processos especializados, adaptados para materiais flexíveis, aumentam significativamente a qualidade e o rendimento da montagem.
Desafios de montagem de PCB flexível
A montagem de circuitos impressos flexíveis apresenta alguns desafios únicos não encontrados na montagem de PCB rígidos:
Empenamento e enrugamento
O material fino e flexível é propenso a empenamento e enrugamento durante as operações de montagem:
Causas
1. Gradientes térmicos durante a soldagem
2. Distribuição desigual de componentes
3. Encolhimento do adesivo durante a cura
4. Tensões internas no material
Soluções
1. Otimize as taxas de aquecimento e resfriamento durante o refluxo
2. Adicione reforços e placas de suporte para suporte
3. Distribua os componentes uniformemente para equilibrar as tensões
4. Controle cuidadoso do processo de cura do adesivo
Registro e controle de tolerância
O material da placa flexível pode encolher e expandir, levando a problemas de registro incorreto:
Causas
1. Incompatibilidades do coeficiente de expansão térmica
2. Alongamento e encolhimento do material flexível
3. Acúmulo de tolerâncias no processo de montagem
Soluções
1. Pinos de ferramentas de tolerância apertada e acessórios
2. Sistemas de alinhamento de visão para posicionamento preciso
3. Montagem baseada em painel para minimizar o manuseio
4. Placas aparadas a laser após a montagem para melhorar a tolerância de empilhamento
Problemas de soldagem
Pode ser desafiador soldar pequenas juntas em material fino e dobrável:
Causas
1. Transferência de calor insuficiente devido à espessura da placa
2. Ação capilar reduzida da pasta de solda
3. Sombreamento das juntas sob os componentes
4. Solda ao longo das bordas do painel
Soluções
1. Equipamento de solda especializado para placas flexíveis
2. Otimização da distribuição de pasta de solda
3. Máscaras de solda para limitar a propagação da solda
4. Tecnologia de calor focado para juntas sombreadas
Limpeza e contaminação
Circuitos flexíveis finos são propensos à contaminação, o que pode levar a defeitos de montagem:
Causas
1. A textura do material flexível pode reter contaminantes
2. Solventes de limpeza podem permanecer sob os componentes
3. Os componentes podem ser danificados durante o processo de limpeza
Soluções
1. Métodos de limpeza especializados ajustados para placas flexíveis
2. Processos de limpeza pós-soldagem e pós-montagem
3. Montagem em ambiente de sala limpa, tanto quanto possível、
Via Confiabilidade
Orifícios passantes revestidos em placas flexíveis são suscetíveis a rachaduras:
Causas
1.Tensões de flexão podem propagar rachaduras no revestimento
2.Má adesão entre o material de base flexível e o cilindro revestido
3.Exposição a choque térmico durante a montagem
Soluções
1.Reduza o uso de furos passantes revestidos e vias, se possível
2.Otimize a espessura do revestimento e o tratamento de superfície
3.Reforce as vias com revestimento conformal.
4.Controle cuidadosamente as taxas de rampa de temperatura
Defeitos de montagem de PCB flexível
Alguns defeitos comuns encontrados em montagens de PCB flexíveis são:
Crateras no pad – Devido à flexão excessiva dos laminados finos durante a montagem, o pad pode rachar e se separar do cobre base.
Bolas de solda – O excesso de solda deixa bolas de solda indesejadas que podem levar a curtos.
Juntas sombreadas – Componentes como conectores podem sombrear as juntas por baixo, impedindo a formação adequada do filete de solda.
Juntas isoladas – Onde uma junta de solda fica isolada do resto devido à flexão e desenvolve rachaduras.
Filme de solda – A solda se acumula de forma irregular ao longo das bordas da placa flexível.
Registro incorreto – Componentes colocados incorretamente devido à expansão e encolhimento do material.
Tombstoning – Onde os componentes SMT ficam em pé verticalmente devido ao refluxo irregular da solda.
Escorrimento de adesivo – Excesso de adesivo saindo de baixo dos componentes.
Danos por dobra – Rachaduras ou traços quebrados ao longo das linhas de dobra flexíveis.
Trincas por via – Trincas por estresse em barris de furo passante revestidos, levando a aberturas.
Contaminação – Partículas estranhas alojadas sob componentes ou bloqueando o fluxo de solda.
Muitos desses defeitos podem ser prevenidos com processos de montagem otimizados para placas flexíveis e inspeção regular.