Aplicaciones de PCB Flexibles y Rígido-Flexibles

Hay dos razones básicas para diseñar un circuito flexible en su producto: construir un dispositivo compacto y ensamblado eficientemente, o hacer que el circuito se integre dinámicamente con la función mecánica del producto. Por supuesto, puede apoyarse en ambas razones para justificar el uso de circuitos flexibles. En este sentido, veamos algunos ejemplos de aplicaciones y diseños de PCB rígido-flexible para ver los problemas que surgen al diseñar circuitos flexibles.

Ejemplos de Aplicaciones Flex Dinámicas

Gantry Mecatrónico

Una aplicación flex dinámica muy típica, como la que podría encontrar en una impresora 3D o la cabeza de una máquina CNC, es un gantry mecatrónico. En sistemas físicamente más grandes donde los componentes electrónicos necesitan seguir el mismo movimiento que un elemento mecánico, esto se lograría con placas rígidas o módulos separados, y estos estarían conectados con cables. En paquetes más pequeños y elegantes, una cinta flexible tiene más sentido ya que proporciona un ensamblaje de bajo perfil así como el movimiento requerido.

Naturalmente, el ejemplo a continuación estaría dispuesto a lo largo del eje X del gantry, y la cabeza de herramienta del eje z se desplaza a lo largo de él. El ejemplo a continuación solo muestra dos ejes de movimiento aquí, y el propio gantry se movería en el eje Y.

La longitud total de la cinta flexible es la distancia extrema más lejana requerida además de las esquinas y curvas. La esquina que se sitúa detrás de la cabeza móvil del eje z se adheriría al transbordador del eje x que se mueve a lo largo del pórtico (probablemente sobre cojinetes de manga). Los extremos tendrían un refuerzo añadido para terminar la sección de la cinta flexible. Para este tipo de aplicación, es mejor utilizar cobre laminado y recocido de una sola capa y mantener los radios de curvatura tan grandes como sea prácticamente posible. Esto ayudará a maximizar la vida útil ya que la región de doblado se enrolla a lo largo de la longitud de la cinta flexible.

Ejemplo de diseño de flexión para pórtico.

Consideración de Fabricación para el Pórtico: Panelización

El ejemplo anterior plantea una buena pregunta sobre la fabricación y el costo. Usando un circuito en forma de L con ángulo recto como este, podríamos, por decir algo, ajustar seis cintas flexibles idénticas en un panel de fabricación. Esto resulta en aproximadamente un 50% de desperdicio del espacio del panel, y si se montaran componentes en este circuito flexible en particular, también aumentaría el costo y el tiempo de herramientas. Un ejemplo de panel hecho de este circuito flexible en particular en un arreglo de tableros incrustados se muestra a continuación.

Panelización del circuito flexible del pórtico CNC en arreglo de tableros incrustados.

Lo bueno de los circuitos flexibles es que si utilizamos los materiales adecuados y planificamos correctamente el ensamblaje general, también podemos crear pliegues de instalación de bajo radio. Colocar una sección de flexión estática con un pliegue permanente es una buena alternativa al uso de circuitos flexibles curvados como se muestra en el panel superior, pero solo en ciertas circunstancias. La siguiente figura muestra el mismo diseño de pórtico pero con un pliegue de 45° para reemplazar la esquina de 90° mostrada en la versión anterior.

Pórtico flexible rediseñado con pliegue estático.

El pliegue se vuelve claramente útil una vez que miramos el panel (mostrado abajo). Para fabricar un circuito flexible con este tipo de pliegue, no necesitamos diseñar una curva en la placa. En su lugar, podemos usar una sección recta en el PCB flexible, así que ahora podemos alinear un conjunto completo de cintas flexibles en un solo panel. De esta manera, el rendimiento aumenta significativamente. El costo total por placa disminuirá debido al aumento del rendimiento por panel y luego la facilidad de herramientas para el ensamblaje de colocación y colocación. Sin embargo, esto puede ser contrarrestado por tener que colocar componentes en el lado opuesto en un extremo del ensamblaje, debido al pliegue.

Panel con la placa de pórtico rediseñada.

Dispositivos Rotacionales

Echa un vistazo al diseño de PCB rígido-flexible mostrado a continuación. En este diseño, las capas flexibles se crean usando dobleces en lugar de un pliegue permanente. Observa el uso de guías de trabajo horizontales en el editor de PCB; esto permite un diseño preciso del contorno de la placa basado en circunferencias curvas de secciones de circuito flex en situ. También permite la colocación exacta de las líneas de doblado del circuito flex en el Modo de Planificación de la Placa dentro del editor de PCB, lo que permite simulaciones precisas de doblado de circuitos flex en modo 3D.

Diseño de PCB para un diseño dinámico flex de rotación. Las cintas flex se pueden unir a una carcasa fija o a otro componente que rotará con el eje central en el ensamblaje.

En este ejemplo, se montará un motor paso a paso a un ensamblaje de tal manera que el motor y su placa de circuito impreso de control estarán en movimiento, mientras que el eje estará estacionario. Los circuitos flex están diseñados para terminar en los extremos extremos en un ensamblaje base fijo y doblados en forma de cilindro, doblando hacia atrás para permitir movimiento bidireccional. A continuación, se muestran vistas en 3D de este diseño.

Vista en 3D de una placa de control de motor paso a paso rotativo. Brazos más largos permitirían una rotación del motor y su placa de control de más de 360°.

La vista completamente plegada del ensamblaje, incluyendo el cuerpo 3D del motor paso a paso.

Podemos ver las direcciones de movimiento y los terminadores de circuito flexible anclados para darte una idea de cómo operará este ensamblaje. Este tipo de disposición hace que sea relativamente fácil lograr más de 360° de rotación. Este ejemplo es hipotético y muestra un motor paso a paso, aunque este tipo de diseño sería bien adecuado para aplicaciones de sensores rotativos. Las secciones rígido-flexibles terminadas también podrían montarse en algunos componentes del recinto, siempre y cuando el recinto estuviera rotando, proporcionando una manera simple de proveer una conexión de vuelta a la sección de la placa de control rígida.

Ejemplos de Aplicación de Flexión Estática

Magnéticos Planos (Transformadores e Inductores)

El uso de circuitos flexibles y rígido-flexibles para magnéticos planares integrados está ganando popularidad. Utilizar circuitos flexibles para magnéticos planares tiene algunas ventajas distintas. La película de poliimida viene en espesores que permiten una muy alta aislación de bobinados, así como una alta estabilidad a la temperatura que la hace adecuada para procesos de encapsulado en esmalte caliente. Desde el punto de vista de pérdidas; usar trazas de cobre grabadas requiere que las trazas sean más anchas, pero esto puede reducir fácilmente las pérdidas por corrientes de Foucault porque la impedancia adicional del efecto piel se reducirá.

Las vueltas de solenoide desenrolladas de un inductor de cuatro bobinados.

Se muestra a continuación un esquema de entrada y salida interesante para un inductor de núcleo de aire enrollado. En este ensamblaje de PCB flexible enrollado, el final de cada bobinado se superpone con el inicio del siguiente bobinado. Esto podría hacerse para aumentar el número de vueltas en comparación con simplemente tener múltiples bobinados separados.

Bobinados de inductor enrollados.

18 Capas por el Precio de 2

La extensión natural de este concepto es incluir algunas capas flexibles en el diseño de su convertidor con la intención de doblarlas unas sobre otras. En el ejemplo mostrado a continuación, se muestra un diseño de transformador de circuito flexible de 2 capas, donde un único núcleo de ferrita planar E18 sobresale a través de recortes en la región del terminador final (en el lado izquierdo). Esta idea podría extenderse arbitrariamente (aunque con límites prácticos del grosor de la placa final doblada). En la figura 11, las capas superiores e inferiores de cobre en el flex de doble cara proporcionan 18 capas utilizables para las bobinas del transformador.

Alrededor de cada uno de los recortes del núcleo central, puede hacer una vuelta única para una bobina de inductor. Serpentear la pista alrededor de una pata lateral le dará media vuelta, mientras que el camino de retorno proporciona la otra media vuelta en una bobina de transformador; juntas, las secciones de conductor dobladas forman un conjunto de bucles de corriente apilados que pueden generar y recibir un campo magnético.

Vista superior de un transformador de circuito flexible. Se muestra una única bobina de corriente alta en la capa superior, y seis bobinas de corriente más baja están enrutadas en la capa inferior.

Esto podría ser confuso, ya que tienes que mantener un seguimiento de las direcciones de enrollado correctas con respecto a la relación de cada sección doblada con la geometía del núcleo de ferrita. Dado que todo este circuito flexible se doblará ortogonalmente, he añadido flechas en la capa Mecánica 1 del diseño, orientadas en sentido opuesto a cada capa de enrollado adyacente para recordarme en qué dirección enrutar el cobre. Esto se muestra a continuación para mayor claridad.

Capa Mecánica 1 mostrando el contorno de la placa y las flechas de dirección de enrollado para orientación.

La ensambladura final del núcleo y el flexible se muestra a continuación. Nótese que esto podría integrarse dentro de un diseño rígido-flexible donde la mayoría del circuito está en una Placa de Circuito Impreso rígida de 2 capas, utilizando la parte flexible para obtener las capas adicionales necesarias para todos los enrollados del núcleo. Por supuesto, va a haber un compromiso de costos entre usar una gran área flexible frente a simplemente añadir montones de capas a un diseño solo rígido.

El transformador completamente doblado final, con modelo 3D del núcleo magnético de ferrita Ferroxcube E18 a través de las aberturas.

Multi-Capa Rígido-Flexible

Para muchos diseños militares, aeroespaciales o similares de alta densidad que requieren ensamblajes compactos y fiables en espacios reducidos, es difícil evitar el uso de varias capas de circuitos flexibles entre áreas de placas rígidas. Esto es aún más necesario en diseños digitales de alta velocidad, debido a la necesidad de blindaje o capas de plano entre buses que atraviesan las regiones flexibles. El desafío aquí es que para mantener un buen grado de flexibilidad, el número de capas de circuito flexible tiene que mantenerse al mínimo, usualmente dos capas de cobre sobre un único sustrato de poliimida con cubiertas de poliimida.

En los diseños “normales”, la longitud de las secciones del circuito flexible es la misma para las regiones flexibles que se superponen. Esto significa que terminas con la situación mostrada a continuación, donde los pliegues pueden producir una tensión significativa en las áreas flexibles entre placas rígidas una vez colocadas en el ensamblaje final.

La tensión en el circuito flexible exterior, y la compresión del circuito interior, resultarán cuando se diseñan múltiples capas flexibles superpuestas con la misma longitud. Observa el “exprimido” del cordón de adhesivo utilizado en este diseño, justo donde el flexible entra en la sección rígida.

La mayoría de los fabricantes especializados en placas rígido-flexibles en este punto le dirían que utilice la construcción "bookbinder" (encuadernador). La construcción bookbinder es un método viable donde los radios in situ de las curvas del circuito flexible se utilizan para determinar la longitud correcta para cada combinación de circuito flexible y sustrato en el conjunto de capas. Un ejemplo ilustrativo del concepto se muestra en el extracto de IPC-2223b a continuación.

Construcción bookbinder [Fuente: IPC-2223B, 2008 p26].

Se puede notar inmediatamente que este método va a costar dinero y aumentará el desafío del diseño. A menudo, una mejor alternativa es usar circuitos flexibles de la misma longitud y radio, pero separar las diferentes capas de circuitos flexibles para que no se superpongan entre sí. Un ejemplo de esto se muestra a continuación.

Construcción alternativa bookbinder. Normalmente, las secciones flexibles podrían superponerse y requerirían diferentes longitudes para mantener baja tensión/compresión. En esta alternativa, las secciones flexibles se colocan en diferentes regiones a lo largo del borde de las secciones rígidas para que ya no necesiten superponerse.

Doblez Ultra Estrecho Sin Sacrificar el Número de Capas

Con algunas opciones de diseño creativas a lo largo de la región de doblez, es posible obtener dobleces muy estrechos sin perder capas de cobre.

La pequeña placa mostrada a continuación utiliza una cinta en forma de "S" para definir curvas y disminuir el radio mínimo de curvatura a lo largo del borde de las regiones reforzadas. No es visible en esta foto, pero hay componentes montados en secciones que tenían un refuerzo delgado adherido en el lado posterior de la placa.

Consiguiendo esencialmente un radio de curvatura de 180° con múltiples capas de cobre.

Este concepto puede extenderse en múltiples direcciones. El diseño de PCB mostrado a continuación es una placa de visualización PCB ultra-flexible. Puedes ver los numerosos LED en una matriz en las secciones más anchas y rígidas. La totalidad del ensamblaje es rígida en esas secciones solo debido al gran número de capas de cobre y película de PI laminadas juntas. Nuevamente, usar curvas en S entre esas regiones de matriz de LED permite que este ensamblaje se doble más fácilmente en una carcasa curva.

Matriz flexible en curvas X-Y S.

Lleva este concepto aún más lejos, y obtendrás el diseño muy compacto que se muestra a continuación. Las secciones de circuito flexible en este ejemplo contienen 8 capas. Tales circuitos flexibles normalmente no serían flexibles si se colocaran como cintas directas entre secciones rígidas. Sin embargo, usar la miríada de curvas en S (¡nota que las capas superiores de material flexible son todas de cobre sólido para el blindaje!) permite que esto se doble lo suficiente como para entrar en la carcasa mecánica final, incluso con cientos de conexiones de memoria y pantalla de alta velocidad.

8 capas de flexión, más 4 capas adicionales de PCB rígido. Observa que la capa superior de flexión es completamente de vertido de cobre para el blindaje. Observa también el adhesivo protector alrededor de los bordes de las interfaces rígido-a-flexible.

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