Considerações importantes para a instalação de placas de circuito flexíveis (FPC) durante a fase de conceção

Placas de circuito impresso flexíveis (FPC) são cada vez mais utilizadas em smartphones, dispositivos vestíveis, ecrãs para automóveis e equipamentos eletrónicos médicos, devido às suas vantagens únicas, tais como flexibilidade, espessura reduzida e capacidade de dobragem. No entanto, o processo de montagem em superfície (SMT) de FPC é muito mais desafiante do que a tecnologia tradicional de montagem em superfície de PCB rígidos. Isto deve-se principalmente ao facto de o próprio substrato flexível carecer de um suporte rígido, tornando-o altamente suscetível a empenamento, deformação e deslocamento sob tensão e calor. Se os requisitos específicos do processo de montagem em superfície não forem plenamente considerados durante a fase de conceção, mesmo que a conceção do circuito em si seja sólida, podem ocorrer consequências graves, tais como a curvatura da placa, o levantamento de componentes ou até mesmo o descarte total da placa durante a fase de produção SMT. Por conseguinte, compreender as considerações-chave durante a fase de conceção da tecnologia de montagem em superfície de FPC é crucial para garantir a fabricabilidade do produto e a qualidade final. Este artigo resume as soluções para os problemas encontrados durante a fase de conceção da tecnologia de montagem em superfície de FPC, com base em projetos realizados pela equipa de engenharia da Geyuan Electronics ao longo dos anos.

O que é a tecnologia de montagem em superfície (SMT) em placas de circuito flexíveis (FPC)?

As placas de circuito impresso flexíveis (FPC) são amplamente utilizadas em produtos eletrónicos, tais como telemóveis, computadores portáteis e dispositivos vestíveis inteligentes, devido à sua espessura reduzida, flexibilidade e resistência a altas e baixas temperaturas. A tecnologia de montagem em superfície (SMD) para FPC é um processo que solda com precisão componentes de montagem em superfície (SMDs), tais como resistências, condensadores e chips, nas pastilhas de uma placa FPC. Trata-se de uma etapa crucial na montagem de dispositivos eletrónicos, que afeta diretamente o desempenho e a estabilidade do produto.

Processo de fabrico de patches FPC (Fiber-Chip)

Fase de preparação	Em primeiro lugar, a placa de circuito impresso flexível (FPC) tem de ser submetida a uma inspeção de qualidade para garantir que não apresenta defeitos nem danos e que cumpre os requisitos de processamento. Em seguida, são realizados os pré-tratamentos necessários, tais como a limpeza e a secagem, na FPC, para garantir que os componentes de montagem superficial possam ser firmemente fixados à mesma.
Preparação dos componentes	Prepare os componentes eletrónicos necessários, tais como resistências, condensadores e circuitos integrados, de acordo com os requisitos de produção. Verifique a qualidade e as especificações dos componentes para garantir que cumprem as normas de produção.
Definições do programa de colocação	Defina o programa de colocação na máquina de recolha e colocação, incluindo a posição, o ângulo e a sequência dos componentes. Em seguida, calibre a máquina de recolha e colocação para garantir a precisão da colocação.
Processamento SMT	A placa FPC é fixada na mesa de trabalho da máquina de montagem. A máquina de montagem coloca com precisão os componentes eletrónicos nas posições designadas na placa FPC.
Soldadura e cura	A placa de circuito impresso (FPC) com os componentes montados é soldada utilizando técnicas como a soldadura por refluxo ou a soldadura por onda. Após a soldadura, é realizado o tratamento de cura necessário para garantir a estabilidade e a fiabilidade das juntas de soldadura.
Controlo de Qualidade	As placas FPC concluídas são submetidas a uma inspeção de qualidade, que inclui a verificação da qualidade das juntas de solda e da precisão de posicionamento dos componentes. Quaisquer produtos com defeito são imediatamente retificados ou descartados.
Pós-processamento	Efetuar a limpeza e a secagem necessárias nas placas FPC qualificadas. Realizar testes funcionais para garantir que as placas FPC estão a funcionar corretamente.

Por que razão é necessário abordar a questão do remendo do FPC durante a fase de conceção?

O processo de tecnologia de montagem em superfície (SMT) para circuitos impressos flexíveis (FPC) é um projeto complexo de engenharia de sistemas, que exige uma atenção meticulosa a cada detalhe desde a fase de conceção. O pré-tratamento por cozedura resolve a absorção inerente de humidade do material; os suportes e gabaritos de fixação fornecem apoio ao substrato flexível; o projeto de reforço resolve o conflito entre a rigidez localizada e a viabilidade da SMT; o projeto das pastilhas e dos circuitos garante a fiabilidade da soldadura e a vida útil das juntas de solda; e a panelização e a otimização do processo garantem a eficiência da produção e o rendimento. Estas fases estão interligadas, e qualquer falha numa delas pode escalar para graves problemas de qualidade durante a produção em massa. Os engenheiros que concebem FPCs devem libertar-se do pensamento convencional dos PCB rígidos, compreender plenamente as propriedades únicas dos materiais flexíveis e aplicar de forma consistente os princípios do Design for Manufacturability (DFM). Só assim é que os FPCs podem realmente concretizar as suas vantagens de flexibilidade, em vez de se tornarem uma “bomba-relógio” no desenvolvimento do produto.

Considerações relativas à instalação de placas de circuito flexíveis (FPC) durante a fase de conceção

As placas de circuito impresso flexíveis (FPC) estão sujeitas a problemas como posicionamento impreciso, má impressão da pasta de solda, formação de bolhas ou descolamento de componentes durante o processo de montagem em superfície (SMT), devido ao seu material macio e facilmente deformável. Por conseguinte, é fundamental ter plenamente em conta os processos subsequentes de montagem e fabrico durante a fase de conceção. Seguem-se algumas considerações essenciais que não podem ser ignoradas:

Pré-tratamento por cozedura

A pré-cozedura dos FPC antes da tecnologia de montagem em superfície (SMT) é uma etapa crucial que deve ser tida em conta durante a fase de conceção. Uma vez que os substratos dos FPC são, na sua maioria, fabricados em poliimida (PI), um material altamente higroscópico, se forem introduzidos diretamente no ambiente de soldadura por refluxo a alta temperatura sem um pré-aquecimento adequado, a humidade absorvida no interior do substrato vaporizar-se-á rapidamente e expandir-se-á a altas temperaturas, levando a defeitos graves, tais como a ruptura da placa ou a formação de bolhas nos pads. As condições de pré-cozedura recomendadas pela indústria são normalmente de 120 a 150 °C durante 2 a 4 horas, devendo o tempo específico ser ajustado de forma flexível com base na espessura do FPC e no ambiente de armazenamento. Os engenheiros de projeto devem ter plenamente em conta que a pré-cozedura não é um processo opcional, mas sim a primeira linha de defesa para garantir a qualidade da SMT. Após a cozedura, o FPC deve ser encaminhado para a produção SMT o mais rapidamente possível e armazenado adequadamente numa caixa à prova de humidade, para evitar a absorção secundária de humidade.

Suporte para veículos

O design do suporte de fixação é o aspeto mais fundamental, mas facilmente ignorado, do processo de fabrico da tecnologia de montagem em superfície (SMT) de FPC. Os FPC são intrinsecamente flexíveis e não podem ser colocados diretamente sobre a fita de soldadura por refluxo ou sobre pistas comuns, tal como acontece com as placas de circuito impresso rígidas; são, por isso, essenciais suportes especializados para garantir um apoio rígido. As soluções de montagem mais comuns atualmente incluem suportes magnéticos, suportes com adesivo de silicone e suportes de sucção a vácuo. Durante a fase de conceção, os engenheiros têm de reservar pontos de marcação ótica e orifícios de posicionamento suficientes para o FPC. Normalmente, são necessárias quatro marcas óticas SMT com 1 mm de diâmetro, com o centro de cada marca a 3,85 mm da borda da placa, uma delas deslocada 5 mm para evitar erros de identificação. A colocação dos orifícios de posicionamento é igualmente importante; normalmente, são adicionados quatro orifícios de posicionamento com 2 mm de diâmetro ao longo da borda de processamento, um deles deslocado 5 mm para evitar erros. Estas marcas de posicionamento constituem a base para o alinhamento visual pela máquina de colocação; um projeto inadequado conduzirá diretamente a um desalinhamento na impressão da pasta de solda e a um desvio na colocação dos componentes. O projeto do suporte deve também incluir uma folga de compensação da expansão térmica para garantir que o FPC não se desloque devido à expansão e contração térmicas durante a colocação e o refluxo.

Dimensionamento da placa de reforço

A conceção das placas de reforço é o aspeto mais problemático da tecnologia de montagem em superfície (SMT) de placas de circuito flexível (FPC). As placas de reforço são utilizadas para proporcionar apoio a áreas que requerem rigidez localizada, tais como conectores e “gold fingers”. No entanto, um projeto inadequado do reforço pode ter consequências desastrosas para a SMT. O princípio fundamental é o seguinte: idealmente, o reforço deve ser projetado na parte de trás das almofadas de montagem em superfície, evitando-se o seu projeto no lado dos componentes. Como as placas de reforço têm uma certa espessura, criam um degrau em relação à superfície da placa FPC. Se o reforço for projetado no mesmo lado que o componente de montagem em superfície, isso causará uma aplicação irregular da pasta de solda durante a sua aplicação, tornando impossível o posicionamento adequado do componente e extremamente inconveniente para reparações posteriores. Se limitações estruturais exigirem o reforço no lado do componente, é essencial garantir que o reforço evite o invólucro do componente, e a encomenda deve especificar claramente «reforço a aplicar após a SMT», aceitando simultaneamente a utilização de fita dupla-face 3M para a aderência. Existem também requisitos quantitativos claros para o espaçamento entre os reforços e as pastilhas: os reforços com uma espessura igual ou inferior a 0,2 mm devem estar a uma distância superior a 3 mm da pastilha; os reforços com espessura entre 0,25 e 0,3 mm devem estar a uma distância superior a 10 mm; e os reforços com espessura entre 0,3 e 0,5 mm devem estar a uma distância superior a 20 mm. No caso de reforços com espessura superior a 0,5 mm, não é recomendável projetar pads SMT nesse lado. É particularmente importante notar que os reforços nunca devem ser projetados entre dois conjuntos de pinos do chip, caso contrário, isso fará com que o dispositivo flutue após a soldadura. No caso de reforços de PI na área dos «gold fingers», deve ser seguida a seguinte ordem de colocação dos reforços: primeiro os reforços, depois o SMT.

Conceção e disposição do reforço

Materiais de reforço e seleção	O próprio FPC é demasiado flexível para ser colocado diretamente na linha de produção SMT. É necessário projetar um reforço rígido (como chapa de aço, FR4 ou PI) na parte de trás da área de colocação.
O reforço evita os pontos de soldadura	As bordas das áreas de reforço, como as chapas de aço, devem estar afastadas, pelo menos, 0,3 mm das pastilhas de soldadura; caso contrário, as chapas de aço podem levantar-se durante a colocação ou a expansão térmica durante a soldadura por refluxo pode causar juntas de soldadura de má qualidade.
Espaçamento e espessura da armadura	Quando se montam vários painéis, o espaçamento entre as placas de reforço de aço deve ser ≥ 3 mm, para evitar interferências ao separar os painéis; o material de reforço, a espessura e o tipo de adesivo (como a fita dupla-face da 3M) devem ser claramente indicados no projeto.

Conceção de pads e circuitos

O desenho das pastilhas e das pistas determina diretamente a taxa de sucesso da tecnologia de montagem em superfície (SMT) e a fiabilidade a longo prazo das juntas de solda. Os FPC utilizam uma película de cobertura como camada de máscara de solda, o que é fundamentalmente diferente da máscara de solda verde utilizada em PCB rígidos. A película de cobertura tem de ser aberta antes da laminação; por isso, deve ser mantida uma distância mínima de 0,2 mm entre as pastilhas e as pistas. Quando for necessário manter uma ponte de máscara de solda entre dois pads, a distância entre os dois pads deve ser de, pelo menos, 0,5 mm para garantir a formação da ponte; caso contrário, deve ser criada uma janela aberta e as pistas expostas devem ser aceites. Os pads em FPCs são particularmente propensos ao desprendimento, uma fraqueza inerente aos substratos flexíveis. Os pads SMD devem ser priorizados no projeto, de modo a que a película de cobertura exerça pressão sobre o perímetro do pad, proporcionando suporte e evitando o desprendimento. Para pads sujeitos a elevadas tensões, tais como tomadas de conectores, recomenda-se um projeto de “pad de pressão”, estendendo o pad de forma adequada para que a película de cobertura exerça pressão sobre o pad em, pelo menos, 0,3 mm. Os pads de ambos os lados não devem sobrepor-se, tanto quanto possível; caso contrário, o substrato de 25 mícrons no meio não proporcionará resistência de ligação suficiente. O diâmetro dos pads BGA não deve ser inferior a 0,25 mm; se for demasiado pequeno, é muito fácil que os pads se desprendam. Além disso, devem evitar-se grandes áreas de cobre nos FPC, uma vez que é difícil que o ar escape durante a laminação de grandes superfícies de cobre. A humidade presente no ar reagirá com a superfície de cobre sob altas temperaturas e pressão, resultando num aspeto deficiente. Se tal não for possível evitar, recomenda-se projetar uma camada de cobre em forma de grelha.

Conceção de estruturas de pads e traços

Evite almofadas isoladas.	Como o substrato isolante intercalar (PI) do FPC é relativamente fino, os pads individuais descolam-se facilmente quando aquecidos ou submetidos a tensão. Durante a conceção, a cobertura de cobre deve ser maximizada e devem ser adicionadas linhas de ligação em torno de cada pad individual para o fixar à superfície de cobre. Além disso, os pads nas faces frontal e traseira devem ser dispostos de forma escalonada.
Reforço da placa de ligação	Os conectores nos FPC (tais como as tomadas FPC e os receptáculos FFC) apresentam forças de inserção e extração elevadas, e as pastilhas de soldadura tendem a soltar-se com facilidade. Por conseguinte, é necessário adotar um design com pastilhas de pressão ou a adição de saliências em forma de lágrima.
Grande superfície de cobre e grelha	As grandes superfícies de cobre maciço são propensas à acumulação de resíduos de ar durante o processo de laminação, o que pode provocar a formação de bolhas ou oxidação a altas temperaturas. No caso de grandes áreas de cobre, recomenda-se projetá-las sob a forma de folhas de cobre em grelha a 45° ou incorporar aberturas (janelas) adequadas.
Ponte na máscara de solda	O espaçamento entre as pastilhas de solda deve garantir que a ponte da máscara de solda seja ≥ 0,5 mm; caso contrário, é provável que ocorram pontes de solda (curto-circuito) durante a produção.

Conceção do painel e especificações do processo

O desenho do painel e as especificações das margens de processamento são igualmente importantes. A panelização de FPC não suporta os processos V-CUT e de furos estampados; apenas pode utilizar pontes de ligação para a separação do painel. O comprimento recomendado para as pontes de ligação é, geralmente, de 0,7 a 1,0 mm. As pontes de ligação em áreas reforçadas com aço devem, idealmente, ter 1 mm, e o número de pontes deve ser aumentado adequadamente para evitar que o peso excessivo das chapas de aço provoque deformações por expansão e contração do FPC, afetando a montagem SMT subsequente. O espaçamento entre placas é normalmente de 2 mm, mas em áreas com reforço de aço, o espaçamento deve ser aumentado para 3 mm. Deve ser deixada uma largura de 5 mm em torno da borda de processo, e os orifícios de posicionamento e pontos óticos devem ser colocados na borda de processo. O tamanho máximo do painel é geralmente limitado a 250 mm × 500 mm, e o tamanho mínimo é de 70 mm × 70 mm. No caso de placas que necessitem de substituição, deve ser adicionado um ponto ótico de placa defeituosa junto a cada placa pequena. Quando uma placa pequena é descartada durante a produção, o fabricante da placa pintará de preto o ponto ótico correspondente, e a máquina de montagem automática ignorará automaticamente a placa, poupando assim custos.

Concepção de painéis e orifícios de posicionamento

Ponto de posicionamento ótico (FIDUCIAL)	Devem ser concebidos, pelo menos, três pontos de posicionamento fotolitográficos (normalmente pontos de cobre nu/ouro por imersão com um diâmetro de 1,0 a 1,5 mm) em toda a placa FPC e na diagonal do painel, de modo a permitir o reconhecimento do alinhamento ótico pelas máquinas de colocação SMT.
Processar arestas e pontos de ligação (separador)	As bordas dos FPCs devem ser concebidas com margens de processo. Recomenda-se que haja, pelo menos, 2 pontos de ligação (pontos de separação) em cada lado entre um único FPC e a margem de processo ou o painel. A largura dos pontos de ligação é geralmente de cerca de 0,8 mm. Um número insuficiente de pontos de ligação pode facilmente fazer com que a placa se solte durante o transporte, enquanto um número excessivo de pontos de ligação dificultará a separação das placas.
Montagem de placas de pequenas dimensões	No caso de FPCs extremamente pequenos, com dimensões inferiores a 20×20 mm, a agrupamento em painéis deve ser obrigatória para a entrega, a fim de evitar que sejam levados pelo vento ou sugados durante o funcionamento da máquina de montagem ou durante a remoção de pó a laser.

É estritamente proibido o uso de «Via-in-Pad».

As placas flexíveis FPC não podem ser preenchidas com resina nas vias. Se forem perfurados orifícios de passagem nos pads (through-pad), a pasta de solda irá infiltrar-se nos orifícios durante a impressão da pasta de solda SMT e a soldadura por refluxo, causando diretamente solda insuficiente, juntas de solda abertas ou curto-circuitos. Os orifícios de passagem devem estar a uma distância mínima de 0,2 mm das aberturas da máscara de solda.

Tendo em conta a expansão e a contração térmicas e a margem para deformação

O coeficiente de expansão térmica dos materiais FPC à alta temperatura da soldadura por refluxo é diferente do das placas de circuito impresso rígidas comuns. Durante a conceção, deve ser implementado um esquema de alívio de tensões nas pistas em torno de QFP de passo fino, BGA ou conectores de grandes dimensões, a fim de evitar fissuras nas juntas de soldadura devido à deformação térmica.

Fornecedor profissional de soluções de montagem em superfície para placas de circuito flexíveis (FPC)

No domínio do fabrico de placas de circuito flexíveis (FPC) e da tecnologia de montagem em superfície (SMT), a Geyuan Electronics, tirando partido de anos de conhecimentos técnicos e experiência no setor, oferece aos clientes um serviço completo, desde a consultoria inicial de conceção, passando pelo fabrico de FPC, fabrico de estênceis e soldadura SMT, até à inspeção e retrabalho. A empresa dispõe de um conjunto completo de equipamento profissional, incluindo máquinas SMT de alta precisão, fornos de refluxo sem chumbo e equipamento de inspeção AOI/raios X, e conta com uma equipa técnica experiente. Controlamos rigorosamente todos os processos: desde o pré-tratamento das placas de circuito flexíveis até à colocação de componentes, desde a otimização do perfil de temperatura até ao retrabalho de produtos com defeito, priorizando sempre a “precisão, eficiência e fiabilidade” para satisfazer as necessidades de SMT de FPC em diversos setores, tais como a eletrónica de consumo, a eletrónica automóvel e os dispositivos médicos. A Geyuan Electronics segue uma abordagem centrada no cliente, personalizando soluções SMT com base nas diferentes especificações das placas de circuito flexíveis (FPC) e dos componentes, garantindo um rendimento estável do produto superior a 99,51 TP3T, proporcionando aos clientes serviços SMT de alta qualidade e com boa relação custo-benefício, e ajudando-os a levar rapidamente os seus produtos à produção em série. Se necessitar de fabrico personalizado de grandes quantidades de FPCs, contacte-nos para obter assistência.

Resumir

A tecnologia de montagem em superfície (SMT) de FPC é um processo amplamente utilizado no fabrico de produtos eletrónicos, desempenhando um papel crucial na ligação de componentes eletrónicos e na concretização das funções dos circuitos. A familiarização com os métodos e processos de montagem em superfície de FPC ajuda os fabricantes a compreender e a dominar melhor o processo de fabrico, melhorando a qualidade e a fiabilidade do produto. Mais importante ainda, para obter FPCs de alta qualidade, é necessário ter em conta, na fase de conceção, os potenciais problemas que podem afetar o FPC. Este artigo resume os problemas encontrados nos nossos projetos diários e descreve como evitar problemas durante o desenvolvimento final da montagem em superfície. Se necessitar de um fabricante profissional para a produção em série de produtos FPC personalizados, contacte-nos para obter os nossos serviços.