Avanços em materiais e fabricação de PCB flexíveis

Nos últimos anos, o mundo dos PCBs flexíveis (placas de circuito impresso) experimentou um crescimento significativo e avanços tecnológicos. Esses desenvolvimentos levaram a um aumento na participação de mercado e à expansão das aplicações devido aos benefícios inerentes de flexibilidade, espessura e design leve. Neste artigo abrangente, exploraremos os materiais primários usados ​​em PCBs flexíveis, suas melhorias de desempenho e o cenário em evolução das tecnologias de fabricação de PCBs flexíveis.

Melhorando o desempenho por meio de materiais de substrato

O desempenho das placas de circuito impresso flexíveis depende em grande parte das propriedades dos materiais do substrato utilizados. Os substratos desempenham um papel crucial, pois atuam tanto como condutores quanto como isolantes entre os circuitos. Além disso, devem apresentar a capacidade de dobrar e enrolar, o que é essencial para as placas de circuito impresso flexíveis.

Os materiais de substrato mais comuns para PCBs flexíveis incluem filmes de poliimida (PI) e poliéster (PET), embora outros filmes poliméricos como o polietileno naftalato (PEN), o politetrafluoroetileno ( PTFE ) e a aramida também sejam utilizados. A escolha do material de substrato deve ser baseada em uma avaliação criteriosa de seu desempenho e custo-benefício.

Filme de poliimida (PI)

O filme de poliimida, uma resina termoendurecível, é um material de substrato líder para laminados flexíveis revestidos de cobre (FCCL). Ao contrário da maioria das resinas termofixas, o PI não amolece nem flui em altas temperaturas, tornando-o exclusivamente adequado para PCBs flexíveis. PI possui alta resistência térmica e excelentes características elétricas. No entanto, tem uma desvantagem em termos de absorção de humidade e resistência ao rasgo. Os filmes PI atualizados têm absorção de umidade significativamente menor, de 0.7%, em comparação com a taxa típica de 1.6%. Eles também apresentam estabilidade dimensional melhorada, com tolerâncias reduzidas de ±0.04% para ±0.02%.

Filme de poliéster (PET)

A resina PET oferece desempenho mecânico e elétrico favorável. Sua principal limitação é a baixa resistência ao calor, tornando-o inadequado para processos diretos de soldagem e montagem. No entanto, o desempenho do Polietileno Naftalato (PEN) é superior ao do PET, mas fica aquém das qualidades do PI, tornando-o uma alternativa adequada em algumas aplicações.

Polímero de Cristal Líquido (LCP)

Para projetos compactos de RF e flexíveis de alta frequência, a Highleap também pode analisar um projeto de fabricação de PCB LCP juntamente com a estrutura flexível e o pacote de montagem.

Para resolver as limitações dos substratos de poliimida, o polímero de cristal líquido (LCP) surgiu como uma alternativa promissora. LCP é um material termoplástico que pode ser processado em filmes finos adequados para PCBs. Apresenta baixa absorção de umidade (0.04%) e constante dielétrica de 2.85 (1GHz), tornando-o adequado para circuitos digitais de alta frequência. As propriedades do LCP, incluindo compatibilidade de alta frequência, estabilidade dimensional térmica e baixa absorção de umidade, levaram à sua adoção na fabricação de PCBs flexíveis.

Materiais de substrato sem halogênio

A indústria eletrônica tem testemunhado uma mudança em direção à responsabilidade ambiental. Regulamentações como RoHS (Restrição de Substâncias Perigosas) e WEEE (Resíduos de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos) proibiram o uso de substâncias perigosas em dispositivos eletrônicos. Como resultado, materiais de substrato livres de halogênios, compatíveis com os requisitos ambientais, foram desenvolvidos e agora são amplamente utilizados em placas de circuito impresso rígidas e flexíveis.

Evolução de materiais de substrato

Com a crescente demanda por PCBs flexíveis, os esforços de pesquisa e desenvolvimento continuam para explorar novos materiais de substrato que possam aprimorar ainda mais o desempenho dos circuitos flexíveis. Com mais de 2000 tipos de filmes plásticos disponíveis em todo o mundo, há, sem dúvida, espaço para a descoberta de materiais que possam expandir os limites do design de PCBs flexíveis.

O papel do adesivo em PCBs flexíveis

Para estruturas flexíveis de poliimida que necessitam de um sistema adesivo definido, o processo de circuito flexível DuPont Pyralux LF é uma referência útil e específica para o material antes da liberação da estrutura.

O adesivo é um componente crítico em PCBs flexíveis, pois é responsável pela ligação da folha de cobre e do filme do material do substrato. Os adesivos são classificados em várias categorias, incluindo resina PI, resina PET, resina epóxi modificada e resina acrílica. Entre estes, a resina epóxi modificada e a resina acrílica são mais comumente utilizadas devido à sua alta resistência adesiva.

Material de substrato PI de duas camadas

O laminado flexível revestido de cobre (FCCL) tradicional normalmente consiste em três camadas: poliimida, adesivo e folha de cobre. No entanto, a camada adesiva às vezes pode impactar negativamente o desempenho dos PCBs flexíveis, particularmente em termos de desempenho elétrico e estabilidade dimensional. Para resolver este problema, foi desenvolvido um CCL flexível de duas camadas (2L-FCCL) sem adesivo. Este avanço não apenas melhora a compatibilidade ambiental dos PCBs flexíveis, mas também atende aos requisitos de soldagem sem chumbo, aumentando o limite de temperatura de 220°C para 260-300°C. Uma comparação entre 2L-FCCL sem adesivo e 3L-FCCL com adesivo é fornecida na Tabela 1 abaixo.

Três métodos são normalmente usados ​​para fabricar 2L-FCCL:

1. galvanoplastia
2. Revestimento de filme
3. laminação

Cada método tem suas vantagens e é escolhido com base em requisitos específicos. A galvanoplastia, por exemplo, é adequada para produção de laminação e materiais de substrato mais finos, oferecendo uma solução econômica. O revestimento de filme é ideal para produção em grande volume, oferecendo boa relação custo-benefício. A laminação, por outro lado, se destaca na fabricação de placas frente e verso.

Material de substrato de polímero de cristal líquido (LCP)

O Polímero de Cristal Líquido (LCP) é um material de substrato relativamente novo que busca atender às limitações dos substratos de poliimida. O filme LCP é revestido com folha de cobre e passa por prensagem a quente para criar laminados revestidos de cobre (CCL) de um ou dois lados. Os CCLs baseados em LCP oferecem propriedades excepcionais, incluindo uma baixa taxa de absorção de água de apenas 0.04% e uma constante dielétrica compatível com circuitos digitais de alta frequência (2.85 a 1 GHz). As propriedades do LCP o tornam a escolha ideal para aplicações de alta frequência em PCBs flexíveis.

Materiais de substrato flexível sem halogênio

As regulamentações ambientais obrigaram a indústria eletrônica a fazer a transição para materiais de substrato livres de halogênio. Desde 2003, a UE implementou regulamentos RoHS e REEE, restringindo o uso de seis substâncias perigosas e regulamentando o processamento de resíduos de equipamentos eletrônicos e elétricos. Essas regulamentações impactaram os materiais usados ​​em PCBs, incluindo PCBs flexíveis. Como resultado, vários componentes de PCBs flexíveis, como FCCL, coverlay, pré-impregnado, máscara de solda e placas de reforço, devem atender aos requisitos de resistência ao fogo e livre de halogênio.

Avanços na folha de cobre

A condutividade é uma propriedade crítica em PCBs flexíveis, e a folha de cobre serve como principal material condutor. Além do cobre, às vezes são usados ​​materiais de liga como alumínio, níquel, ouro e prata. A escolha da folha de cobre depende da aplicação específica e do método de fabricação.

Folha de cobre de eletrodepósito (ED)

A folha de cobre ED é um dos materiais condutores mais comumente usados ​​em PCBs flexíveis. É caracterizado por uma estrutura cristalina em escamas de peixe, resultando em uma folha de cobre lisa e com boa tenacidade. A folha de cobre ED é adequada para PCBs dinamicamente flexíveis que exigem alta flexibilidade.

Folha de cobre laminada e recozida (RA)

A folha de cobre RA, por outro lado, apresenta uma estrutura cristalina colunar, resultando em uma estrutura uniforme e plana. Este tipo de folha de cobre é ideal para processos de desbaste e ataque químico. A folha de cobre RA é frequentemente usada em PCBs flexíveis de alta densidade.

Demandas emergentes em folhas de cobre

À medida que aumenta a demanda por PCBs flexíveis de alta densidade com passos mais finos variando de 40μm a 50μm, novos requisitos são colocados na fabricação de folhas de cobre. Esses requisitos incluem baixa rugosidade superficial e folhas de cobre ultrafinas para atender às necessidades de produção de PCB em grande volume.

Pasta de prata condutora

A fabricação de PCB flexível envolve o uso de tinta condutora, que é impressa em filme isolante para criar fios ou camadas de blindagem. A pasta de prata condutora é o principal material utilizado para esta finalidade. É essencial que a camada condutora impressa apresente baixa resistência, garanta uma conexão sólida e mantenha a flexibilidade. Além disso, o processo de impressão deve ser facilmente implementável e a cura deve ser rápida.

A pasta de prata condutora moderna atende a essas demandas, permitindo a formação de padrões condutores em filmes, tecidos e papéis de polímeros termofixos ou termoplásticos. Essa tecnologia também se estende à criação de gráficos usados ​​em produtos RFID. Os produtos finais com pasta de prata condutora são rigorosamente testados para armazenamento em alta temperatura, resistência à umidade e desempenho de ciclagem em alta e baixa temperatura. A pasta de prata condutora atende aos requisitos de proteção ambiental e economia.

Cobertura fotossensível de poliimida (PI)

As coberturas adesivas/PI tradicionais têm enfrentado limitações para atender aos requisitos de PCBs flexíveis de alta densidade, dimensionalmente estáveis ​​e ecologicamente corretos. Em resposta, o Photo-Imageable Coverlay (PIC) foi desenvolvido. O PIC, dependendo de resinas epóxi ou acrílicas modificadas, ganhou popularidade devido à sua alta resolução, excelente resistência de ligação e flexibilidade. No entanto, esses PICs têm limitações, incluindo baixa estabilidade dimensional em PCBs de alta densidade, baixa temperatura de transição vítrea (Tg) e resistência térmica limitada.

Conclusão

Os PCBs flexíveis percorreram um longo caminho em termos de materiais e tecnologias de fabricação. Avanços em materiais de substrato, folhas de cobre, pastas condutoras e coberturas abriram novas possibilidades para PCBs flexíveis de alta densidade, alta frequência e ecologicamente corretos. À medida que a procura de electrónica flexível continua a crescer, é evidente que os esforços contínuos de investigação e desenvolvimento levarão a mais inovações em materiais e processos.

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