Aberturas na Coverlay de PCB Flex que Não Sobrecarregam o Cobre

Existe um tipo específico de silêncio que cai sobre um piso de fabricação quando um novo pacote de dados chega com aberturas quadradas perfeitas de noventa graus na camada de cobertura. É o silêncio de um engenheiro CAM antecipando a Inevitável Consulta de Engenharia (EQ)—ou pior, o silêncio de uma caixa de sucata se preenchendo três semanas depois.

Para o designer sentado na frente de um monitor de alta resolução, aqueles cantos pontudos parecem nítidos, profissionais e precisos. Eles combinam com a lógica ortogonal das placas rígidas nas quais passaram a carreira roteando. Mas no mundo físico dos circuitos flexíveis, onde os materiais são submetidos a calor, pressão e flexões mecânicas repetidas, esses cantos pontudos são passivos estruturais.

A física não se importa com as preferências estéticas do seu layout CAD. Quando um circuito flexível se dobra, as forças se distribuem por toda a superfície até atingirem uma descontinuidade. Um canto quadrado na camada de cobertura—a camada de isolamento de poliamida laminada sobre o cobre— age como um elevador de tensões maciço. Ele concentra a energia mecânica da dobra em um ponto microscópico no traço de cobre subjacente. O resultado é uma placa que passa em todas as Verificações de Regras de Projeto (DRC) no software, mas falha catastricamente na primeira instalação em uma dobradiça ou mascara de encaixe apertado.

A Geometria da Arma do Crime

Você não pode tratar as aberturas da camada de cobertura como máscara de solda rígida. Você deve visualizar a pilha não como uma única placa, mas como um sanduíche de materiais dispares lutando entre si. A base é poliimida; o condutor é cobre; a camada superior é camada de cobertura. Quando essa sanduíche se dobra, as camadas externas se alongam e as internas se comprimem.

Se a camada de cobertura tiver um canto agudo de noventa graus atravessando um traço de cobre, ela cria uma 'entalladura mecânica'. A camada de cobertura é mais rígida que a cola por baixo dela, então atua como uma borda de faca pressionando o cobre toda vez que a flexão é manipulada.

Os designers frequentemente apontam o corte a laser moderno como defesa. Argumentam que lasers podem ablatar a poliimida em um quadrado perfeito sem as limitações de raio de uma broca mecânica CNC. Isso é tecnicamente verdadeiro, mas praticamente irrelevante. A capacidade da ferramenta não anula a mecânica do material. Mesmo que a loja corte um quadrado perfeito, a concentração de tensão permanece. O traço de cobre que passa por baixo daquele canto experimentará um pico de deformação que pode ser de 3 a 5 vezes maior do que na área ao redor.

Em aplicações dinâmicas—como um sensor deslizante em uma câmera ou uma dobradiça de laptop—é aqui que a rachadura inicia-se. Ela se propaga a partir da borda da abertura da camada de cobertura, através do cobre, levando a um circuito aberto após menos de 1.000 ciclos.

A solução é trivial no projeto, mas crítica na função: toda abertura na camada de cobertura deve ter um canto com raio de curvatura. A prática padrão dita um raio mínimo de 0,2mm (cerca de 8 mils). Isso permite que a tensão seja distribuída ao longo de uma curva ao invés de se concentrar em um ponto. Se o projeto permitir, um raio maior é sempre melhor.

Para aqueles que tentam roteirizar rastros perto dessas aberturas, aplica-se a regra do “tear-drop” ou de canto arredondado. A transição da área coberta para a aleta exposta nunca deve ser abrupta. Uma simples quina de 0,2mm resolve toda a questão estrutural, transformando uma possível falha na área de campo em uma conexão robusta.

O Fator Ooz: Adesivo é um Líquido

A segunda questão fundamental é a natureza da fixação em si. Diferente da braçagem de solda sensível à luz (LPI) usada em placas rígidas, que cura formando uma casca dura, o coverlay é uma folha sólida de poliamida colada com um adesivo acrílico ou epóxi.

Durante o processo de laminação, a montagem é submetida a altas temperaturas e pressão. Nesse estágio, o adesivo se liquefaz. Ele se move. Ele flui.

Esse “squeeze-out” é o inimigo dos interconectores de alta densidade. Se um projetista cria uma abertura de coverlay que corresponde exatamente ao tamanho do pad de cobre (1:1), o adesivo inevitavelmente escorrerá para a superfície do pad durante a laminação. Essa escorrência é frequentemente transparente e microscópica, formando uma barreira invisível entre o acabamento dourado ou níquel e o terminal do componente.

A casa de montagem relatará isso como uma “falha de molhamento do pad” ou “revestimento defeituoso”. Enviarão fotos de esferas de solda e recusa em aderir ao pad. No entanto, a causa raiz não é a química do revestimento. É a física da laminação. O adesivo fluiu de 0,05 mm a 0,15 mm sobre o pad, isolando-o.

Como o fluxo de adesivo varia com a idade do pré-impregnado, a pressão da prensa de laminação e a marca específica do material (DuPont Pyralux vs. equivalentes genéricos), o projeto deve levar em conta o cenário mais desfavorável. O padrão da indústria é oversize na abertura do coverlay em pelo menos 0,25 mm (10 mils) maior do que o pad ao qual expõe. Isso fornece uma área de “dique” onde o adesivo pode fluir sem encroaching na superfície soldável.

Para pitches extremamente apertados, onde não há espaço de 10 mils, o projetista deve especificar adesivos de “baixo fluxo” ou mudar para a máscara de solda Laser Direct Imaging (LDI), embora isso traga seus próprios riscos mecânicos.

âncoras e Mitos de Materiais

No mundo rígido, a adesão de cobre ao núcleo FR4 é incrivelmente forte. No mundo flex, o cobre está efetivamente flutuando sobre uma camada de polímero macio. Quando o calor é aplicado durante a refusion ou soldagem manual, a incompatibilidade de expansão térmica pode fazer com que pequenos pads de cobre se soltem do material base. Isso é “levantamento do pad” e é uma das principais causas de refugo para retrabalho.

O coverlay ajuda a manter os pads no lugar, mas somente se a abertura for projetada para prender o cobre. Um pad retangular simples totalmente exposto por uma abertura maior de coverlay não tem retenção mecânica. Ele depende inteiramente da ligação química do adesivo.

Para resolver isso, os projetistas devem usar “âncoras”, “esporas” ou “orelhas de coelho”—protuberâncias de cobre que se estendem por baixo do coverlay. O coverlay atua como uma braçadeira mecânica, segurando a espora para que o pad principal não se eleve durante a soldagem.

Costuma-se ceder à tentação de ignorar todas essas dores de cabeça geométricas simplesmente usando máscara de solda fotoimagemável líquida (LPI)—a coisa verde— em circuitos flexíveis. Ela permite dique mais apertados e cantos quadrados. No entanto, LPI é quebradiça. Em uma aplicação estática (instalar para encaixar), é aceitável. Mas em qualquer aplicação dinâmica, o LPI vai rachar como lama seca na margem de um rio ao se dobrar. Uma vez que a máscara rachou, ela se propaga para o cobre, cortando trilhas tão efetivamente quanto um canto de coverlay quadrado. A menos que a aplicação seja estritamente estática, o coverlay de poliamida padrão é obrigatório.

As Regras do Piso de Fabricação

Para manter um design fora da fila de consulta de engenharia e garantir alta produção na fábrica, algumas regras não negociáveis se aplicam. Essas não são sugestões estéticas. São requisitos para sobrevivência mecânica.

• Cantoneiras Arredondadas: Todas as aberturas do coverlay devem ter um raio de canto mínimo de 0,2mm. Sem cantos agudos.
• Tamanho Excessivo para Squeeze-Out: As aberturas devem ser 0,25mm (10 mils) maiores que a pad para compensar o fluxo de adesivo.
• Âncoras para Pads: Qualquer pad não suportado precisa de espúrias de cobre que se estendam pelo menos 0,15mm sob o coverlay para evitar levantamento.
• Gotas de Lágrima: Todas as transições trace-to-pad devem ser de lágrima para evitar rachaduras na junção.

A confiabilidade em circuitos flexíveis é definida pela ponta mais fraca. Respeitando as propriedades do material do coverlay e do adesivo, o design passa de um modelo teórico no CAD para uma realidade funcional no campo.