Rumo aos eletrônicos flexíveis: Placas de circuito impresso ficam totalmente maleáveis

Redação do Site Inovação Tecnológica - 29/10/2024

Este circuito macio e flexível tem duas camadas, a superior com nove LEDs e a inferior com nove sensores. Os componentes estão conectados entre si por 21 conexões de metal líquido entre as camadas.
[Imagem: Michael Bartlett]

Eletrônica macia e flexível

Tornar os aparelhos eletrônicos flexíveis tem tantas vantagens que os pesquisadores não se cansam de tentar desenvolver tecnologias que possam finalmente viabilizar isto.

As pesquisas sobre circuitos macios têm-se concentrado em substituir os materiais duros e rígidos da eletrônica por compostos macios e flexíveis que sejam bons condutores de eletricidade. Além de novas funcionalidades, essa flexibilidade pode dar aos eletrônicos macios um novo nível de durabilidade.

Dong Ho e colegas da Universidade Técnica da Virgínia, nos EUA, se concentraram agora em tornar flexíveis as placas de circuito impresso, aquela tradicional base de resina fenólica na qual são fixados e interligados os componentes eletrônicos - lembre-se de uma placa-mãe de computador, por exemplo.

Ho desenvolveu uma nova técnica que usa microgotas de metal líquido para criar uma estrutura em forma de escada, que então forma as passagens condutoras, chamadas vias, que interligam os componentes eletrônicos. E isso não é simples porque essas vias precisam criar conexões elétricas não apenas na superfície das placas, mas sobretudo através das várias camadas de circuito que compõem cada placa - praticamente todos os aparelhos eletrônicos mais modernos precisam de placas multicamadas para que seja possível interligar seus múltiplos circuitos integrados, cada um com dezenas ou até centenas de "perninhas".

Enquanto a eletrônica rígida convencional utiliza técnicas bem estabelecidas para criar vias, elas tipicamente exigem fazer furos na placa de circuito impresso, o que funciona bem com os materiais rígidos tradicionais. Mas não dá para usar essa abordagem em uma placa de circuito impresso flexível por vários motivos, entre os quais dois se destacam. Em primeiro lugar, quando as finíssimas vias se esticam, sua propriedade elétrica muda, aumentando ou diminuindo sua resistência, e controlar essa corrente não é simples. Em segundo lugar, em um aparelho que se deseja flexível e robusto, fazer furos significa deixar espaço para que trincas se alastrem rapidamente.

A nova técnica cria conexões elétricas através das camadas do circuito - na vertical e na horizontal - sem a necessidade de perfurar o hardware.

"Isso nos deixa mais próximos de possibilidades interessantes, como robótica macia avançada, aparelhos vestíveis e eletrônicos que podem esticar, dobrar e torcer, mantendo alta funcionalidade," disse o professor Michael Bartlett.

Detalhes do processo de fabricação das placas de circuito impresso multicamadas maleáveis e esticáveis.
[Imagem: Dong Hae Ho et al. - 10.1038/s41928-024-01268-z]

Transformando problema em oportunidade

A nova técnica dispensa os furos nas placas usando microgotículas de metal líquido para formar vias macias e interconexões planas, criando conexões elétricas sobre e através das diversas camadas da placa de circuito impresso.

O processo envolve a estratificação dirigida das gotículas de metal líquido dentro de uma fotorresina. Quando a resina passa pelo processo de cura, para endurecer, o que é feito pela exposição à luz ultravioleta, criam-se estruturas em degraus, o que permite que as gotículas se montem de forma controlável em 3D.

Na verdade, essa estrutura em forma de escada hoje é vista como uma imperfeição do processo de cura. Na fabricação microeletrônica, a exposição ultravioleta gera imperfeições conhecidas como anormalidades de borda de máscara, que precisam ser corrigidas em etapas adicionais.

Os pesquisadores transformaram esse problema em um novo potencial: As bordas das regiões expostas à luz ultravioleta fazem com que as gotículas de metal líquido se acomodem e se estratifiquem em um padrão vertical semelhante a uma escada. Essa montagem direcionada permite que as gotículas formem um caminho contínuo através da fotorresina, conectando as camadas superior e inferior, que é então totalmente curada para travar a configuração no lugar. Tudo ocorre simultaneamente, e a acomodação das gotículas é rápida, de modo que o processo para fazer várias vias leva menos de um minuto.

"Ao tirar proveito desses efeitos de borda indesejados, podemos criar vias macias e condutoras que conectam diferentes camadas de circuito de forma rápida e paralela," disse Ho. "Podemos fazer tudo isso mantendo a flexibilidade e a integridade mecânica do dispositivo macio."

"Ao integrar camadas de circuitos no plano e através do plano, é possível criar circuitos flexíveis e macios com arquiteturas complexas e multicamadas," acrescentou o professor Bartlett. "Isso permite novas formas de eletrônica macia, onde múltiplas vias suaves e interconexões são criadas de forma paralela e espacialmente controlada. Isso é crucial para o avanço deste campo."

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