Comparación entre diseño estático y dinámico de flexión: Radio de curvatura de PCB rígido-flexible y otras consideraciones mecánicas

Quieras o no, las PCBs flexibles y rígido-flexibles han llegado para quedarse, y cada vez más electrónica flexible está saliendo de la fase de investigación para entrar en la industria. Las PCBs flexibles ahora se utilizan para mucho más que alimentar un motor en tu disco duro magnético. Cualquier dispositivo que contenga un elemento plegable o de traslación probablemente incluye una PCB flexible dinámica.

Con el crecimiento del mercado de PCBs flexibles alcanzando decenas de miles de millones, los diseñadores de PCBs tienen todo el incentivo para aprender todo lo que puedan sobre el diseño de PCBs flexibles estáticas y dinámicas. El próximo producto de tu empresa o un rediseño de un producto existente puede depender de ello.

PCBs Flexibles Estáticas vs. Dinámicas

Cualquier PCB flexible está relacionada con una PCB rígido-flexible en que utilizan los mismos materiales para la capa flexible. En lugar de tener secciones rígidas con núcleo de poliimida rodeado por cobre y prepreg, una PCB flexible se construye enteramente a partir de un material flexible. La poliimida se utiliza típicamente ya que es fácilmente adaptable a los procesos de fabricación rígido-flexible y es relativamente económica, aunque materiales poliméricos como el nafatalato de polietileno (PEN), el politetrafluoroetileno (PTFE) y el Aramid también pueden usarse para cintas flexibles.

Las PCB flexibles pueden diseñarse como PCB dinámicas o estáticas. Diseñar cualquiera de los tipos de PCB flexibles es tanto un ejercicio mecánico como eléctrico. El software de diseño de PCB con características de colaboración ECAD/MCAD es excelente para diseñar cualquiera de los tipos de PCB flexibles. Al planificar un apilamiento y colocar trazas en PCBs flexibles, la sección doblada de la placa debe tratarse como una placa rectangular doblada durante el análisis mecánico. Esto es vital para determinar el grosor adecuado de la traza para evitar grietas y fallos.

Ya sea que estés diseñando una PCB flexible estática o dinámica, un apilamiento flexible general más grueso requiere un radio de curvatura mayor. Esto reduce la cantidad de estrés tensil y compresivo que se concentra a lo largo de la curvatura mientras se forma la PCB al ángulo deseado. Colocar un radio de curvatura más pequeño en una PCB más gruesa puede hacer que la cubierta se acumule en la capa superficial dentro de la curvatura. Esto luego pone más estrés de cizalladura compresiva en las trazas que yacen dentro del eje neutro de doblado. Si deseas reducir el grosor total, hay cubiertas flexibles disponibles que no requieren un adhesivo.

PCB Flexibles Estáticas: Consideraciones de Fabricación

Una vez que se fabrica un PCB flex estático, generalmente se dobla durante el ensamblaje hasta el radio de curvatura deseado y el ángulo de doblado con una herramienta de formación compresiva. Esta herramienta actúa como un tornillo de banco, y se pueden usar herramientas de formación personalizadas para realizar múltiples dobleces en una sola cinta flex simultáneamente.

Los PCBs flex estáticos típicamente se sobreforman más allá del punto de rendimiento, lo que significa que se doblan más allá de su radio de doblado previsto para asegurar cierta deformación plástica durante la formación. Esto evita que el PCB flex vuelva a su forma original una vez que se retira de la herramienta de formación. Cuando el radio de doblado estático y el ángulo se especifican en un PCB estático, en realidad deberías planificar tener un margen de seguridad en el grosor de tus pistas para prevenir la formación de grietas finas y fallas durante la sobreformación.

Cinta flex estática para un dispositivo médico, como se destaca en Electronics Weekly.

La intuición podría indicar que las pistas deberían ser más gruesas para resistir el estrés requerido durante la sobreformación, pero la intuición no siempre es correcta. Simplemente, cuanto más grueso el circuito, menos puede flexionarse sin daños. Los PCBs flex más gruesos requerirán una mayor sobreformación para conformarse al radio de doblado y ángulo deseados. Esto pone aún más estrés en las pistas durante la formación.

Al igual que una placa rectangular doblada, habrá un eje neutro de flexión a lo largo de la placa flexionada, que define una curva a lo largo de la cual no hay tensión longitudinal de tracción ni compresiva. Las pistas más delgadas pueden soportar una mayor tensión compresiva que de tracción, por lo que se pueden colocar pistas más delgadas dentro del eje neutro de flexión. El desplazamiento en el eje neutro de flexión dependerá del radio de curvatura. Una buena regla general para el radio mínimo de curvatura es usar la siguiente ecuación:

Si el apilamiento y el grosor de las pistas se eligen adecuadamente, seguir esta regla asegurará que el eje neutro de flexión no se desplace apreciablemente del centro de la PCB. A medida que aumenta el número de capas, esto asegurará que cumpla con los estándares IPC 2223C sobre la relación de flexión (radio de curvatura dividido por el grosor) en PCBs flexibles.

PCBs Flexibles Dinámicos: Durabilidad

Muchas de las mismas consideraciones de diseño para PCBs flexibles estáticos también se aplican a PCBs flexibles dinámicos. Un problema crítico en los PCBs flexibles dinámicos es el endurecimiento por trabajo durante la flexión repetida. El cobre se endurecerá por trabajo bajo ciclos repetidos, volviéndose eventualmente frágil y propenso a fracturas. La durabilidad se puede extender simplemente permitiendo un radio de curvatura mayor. Generalmente se aconseja que los PCBs flexibles dinámicos no excedan un ángulo de flexión de 90°.

A medida que la PCB se dobla, el eje neutro de flexión se desplazará hacia el interior de la curva. Esto es muy importante en las PCBs flexibles dinámicas ya que limita el número de capas de cobre permitidas a un número bajo, típicamente solo una capa que coincide con el eje neutro de flexión. Aunque el cobre es dúctil, se endurecerá por trabajo cuando se someta repetidamente a estrés. Si decides usar más de una capa en una PCB flexible, las pistas deben estar escalonadas, es decir, no deben superponerse en capas adyacentes, para evitar un estrés indebido en las pistas más alejadas del eje neutro de flexión.

Para prevenir un estrés indebido en las pistas, asegúrate de permitir un margen de seguridad suficiente y presta atención al radio mínimo de flexión. Asegúrate de que el radio mínimo de flexión sea menor que el radio de flexión previsto para evitar estrés en los bordes de la placa. Esto ralentizará el endurecimiento por trabajo y ayudará a extender la vida útil de la PCB.

Cinta flexible estática para un disco duro

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