Circuitos flexibles: primeros pasos

Recientemente, conversando con un grupo de estudiantes acerca de la fabricación de placas de circuito impreso, les pedí que levantaran la mano a todos los que habían diseñado una placa de circuito impreso rígida. Casi el 75% lo hicieron. A continuación les pedí que levantaran la mano los que habían diseñado un circuito flexible. La cantidad de manos al aire disminuyó drásticamente. Supongo que esto no es muy sorprendente. Si bien los circuitos flexibles son un segmento cada vez mayor de la industria de las placas de circuito impreso, muchos diseñadores de PCB con experiencia nunca han trabajado con materiales flexibles. Recordando mi época universitaria, creo que mis conocimientos del tema de los circuitos flexibles se reducían a "esa cinta blanca que se mueve adelante y atrás en mi impresora".

Esos circuitos flexibles sobre poliéster ciertamente representan una porción significativa del mercado. No se puede negar que las etiquetas RFID, que suelen emplear aluminio o materiales flexibles de poliéster, ocupan un volumen considerable. Sin embargo, cuando me piden que hable acerca del diseño o fabricación de circuitos flexibles, casi siempre es para tratar al segmento del mercado que usa materiales flexibles de poliimida. Estos materiales son estándar en el mundo de las PCB flexibles y Rigid-flex (rigido-flexible), porque se integran con el stackup de la PCB, permitiendo un trazado de pistas simplificado entre las regiones rígida y flexible, con interconexiones estandarizadas. En esta guía, analizaremos cómo se hacen las PCB flexibles, comenzando por su diseño, y discutiremos los diversos materiales y procesos que se emplean en su fabricación.

• El proceso de diseño de PCB flexibles
• Materiales para PCB flexibles y Rigid-flex
• Beneficios de los diseños para PCB flexibles y Rigid-flex

El proceso de diseño de PCBs flexibles

El diseño y la disposición de PCBs flexibles y PCBs rígido-flexible están interrelacionados; la diferencia fundamental entre flexibles y rígido-flexibles es la interconexión entre los extremos rígidos de la placa. Al igual que ocurre con una PCB rígida estándar, el proceso de diseño de PCB flexibles comienza por el diseño del stackup, la colocación de los componentes, la planificación y trazado de pistas, y por último la limpieza de la disposición final y su preparación para la fabricación. Algunos pasos adicionales son necesarios para garantizar que la sección flexible tenga las propiedades mecánicas adecuadas, como el agregar un endurecedor, seleccionar el material para la coverlay o la máscara de soldadura fotosensible, o establecer una curvatura estática en el diseño.

Como una parte importante del proceso de diseño de la cinta flexible gira alrededor del stackup, así como su integración con cualquier sección rígida, el diseño del stackup es una parte fundamental del proceso de diseño de PCB flexibles y rígido-flexibles. Además, otros factores como el peso de cobre y la densidad de componentes/trazado en ciertas regiones de la placa pueden limitar la flexibilidad, haciendo que una placa rígido-flexible sea preferible. Para comenzar a realizar un diseño flexible o rígido-flexible, es necesario pensar en los siguientes aspectos del ensamblaje final y en cómo el diseño se integrará en su carcasa:

• Plano de masa: ¿en qué punto de la PCBA debe curvarse la cinta flexible? ¿Y cómo se montará este diseño dentro de la carcasa? Las áreas de curvatura o montaje deben estar libres de componentes, y quizás sea conveniente usar una sección rígida para ciertos CI con gran cantidad de pines o con alta densidad de circuitos. Se debe decidir en dónde se ubicará la cinta flexible con respecto a las áreas de la placa que tengan alta densidad de componentes.
• Número de capas: ¿cuántas capas hacen falta para el trazado de pistas? ¿Alguna o algunas de estas capas deben estar en la sección rígida? Si de hecho hay una sección rígida, la cinta flexible tendrá que caber en el centro del stackup, lo que puede complicar el trazado de pistas cuando haga falta una mayor cantidad de planos (por ejemplo, en diseños de alta velocidad).
• Rigidez: ¿puede aceptar una placa más rígida, o le hace falta necesariamente una que sea altamente flexible? Esto se puede controlar mediante la densidad de componentes, el peso de cobre o la adición de endurecedores a ciertas porciones de la cinta flexible. Si necesita una sección de poliimida bastante rígida, quizás valga másla pena colocar una sección totalmente rígida. Los endurecedores pueden utilizarse para sustentar mayores densidades de componentes en una cinta flexible, y serán menos costosos que integrar una sección rígida.
• Componentes con alta densidad de pines: los componentes SMD más pequeños, como los componentes pasivos, se pueden colocar con facilidad en una cinta flexible de poliimida. Otros componentes en encapsulados BGA requieren de un trazado de pistas más avanzado, además de más capas internas para sustentar el trazado de pistas. Para diseños de alta velocidad o de RF, es posible que se necesiten capas de planos hatch (sombreados) para suministrar la impedancia o continuidad de tierra (por ejemplo, en el caso de señales de salida simple), además del aislamiento.

Los requisitos de su aplicación podrían exigir que se equilibren uno o más de estos requisitos. Mientras tanto, los diseñadores deben asegurarse de que su diseño flexible o rígido-flexible sea posible de fabricar y que tenga un buen desempeño en el campo.

• Más información acerca de cómo diseñar un stackup de PCB rígido-flexible en sus herramientas de diseño

Materiales para PCBs flexibles y rígido-flexibles

Una vez que haya decidido seguir adelante con el diseño de su circuito flexible, ¿cuáles son los elementos clave a considerar? Los revisaremos en más detalle en futuros artículos, pero necesitará considerar su conjunto de materiales para poder comenzar con el proceso. Los materiales necesarios para las PCB flexibles incluyen materiales de base (poliimidas, láminas de cobre), materiales para el coverlay (poliimida o líquido fotosensible), y finalmente, materiales endurecedores.

Materiales de base y de coverlay flexibles.

Es muy importante comprender bien tanto los materiales de base como la coverlay. ¿Su aplicación requiere de materiales sin adhesivos? ¿O materiales basados en adhesivos? ¿La aplicación tiene requisitos de UL a considerar? ¿Qué peso de cobre y grosor de poliimida son los mejores para su aplicación? ¿Qué materiales tiene en inventario frecuentemente su fabricante? (Pista: si dispone de flexibilidad en sus materiales, contar con materiales flexibles en el inventario puede ayudar a mantener los costos bajo control).

Algunas aplicaciones pueden ser más idóneas para un coverlay flexible líquido fotosensible, que ofrece la capacidad de formar aperturas muy pequeñas para los pads (almohadillas). Si el diseño requiere de prestaciones de flexionado dinámico, la aplicación debe usar un material de poliimida basada en películas para el coverlay. A los materiales basados en películas se les pueden abrir los orificios con láser o con taladro, dependiendo del tamaño requerido para los pads.

Endurecedores

¿Su aplicación debe sustentar componentes pesados y podría beneficiarse de la robustez de un endurecedor? Diversos componentes requieren de diferentes endurecedores para sustentar el comportamiento mecánico en la cinta flexible o PCBA. Algunos endurecedores comunes son:

• Endurecedor FR4: posiblemente, la fibra de vidrio rígida FR4 impregnada de epoxi sea el endurecedor más sencillo, que se aplica como un laminado sobre el área flexible.
• Poliimida rígida: es posible endurecer una región aplicando capa sobre capa de poliimida rígida para producir un incremento local del grosor. Esto normalmente se usa al finalizar con un conector ZIF (Fuerza de Inserción Cero), en el que un endurecedor de poliimida se usa para crear el grosor adecuado.
• Endurecedores de conector/componente: las opciones de materiales para esta aplicación incluyen metales, FR4 o poliimidas, que se termoligan con un adhesivo flexible o un adhesivo sensible a la presión.

Las capacidades del fabricante

¿Sus fabricantes preferidos trabajan rutinariamente con materiales flexibles? ¿La complejidad de su diseño puede ser manejada por sus fabricantes preferidos? ¿O está yendo más allá de sus capacidades? Esta lista de factores a considerar no es exhaustiva, pero sí sirve para dar inicio al proceso mental de diseño de un circuito flexible. Su fabricante de PCB será un recurso clave, y usted debería contactarles con un stackup propuesto para garantizar que se pueda fabricar de manera confiable. Ellos tienen una gran comprensión del proceso de fabricación y siempre estarán contentos de guiar a sus clientes por la curva de aprendizaje con PCB flexibles.

Beneficios de los diseños para PCBs flexibles y rígido-flexibles

Para aquellos que no tengan experiencia en el diseño de circuitos flexibles, demos un vistazo a algunos beneficios clave que llevan a los diseñadores a usar materiales flexibles. Si bien existen algunas consideraciones particulares para garantizar que un diseño de PCB flexible o rígido-flexible sea posible de fabricar, estos diseños ofrecen muchos beneficios que no están presentes en las placas de circuitos rígidas.

• Espacio y peso: muchos diseños electrónicos modernos se ven desafiados a reducir el tamaño y peso del producto final. Los materiales flexibles pueden reemplazar a las conexiones con cable o soldadura, que son más voluminosas, y una estadística que se usa con frecuencia es que esto ahorra hasta un 60% de peso en las circunstancias adecuadas. Esta es una cantidad significativa.
• Beneficios de embalaje: no se puede negar que la capacidad de torcer y doblar un circuito flexible alrededor de una esquina, y la capacidad de brindar una conexión en tres ejes le dan al diseñador de PCB una ventaja significativa sobre los cables tradicionales, y también sobre los materiales de las placas de circuito impreso rígidas. De hecho, la capacidad de aprovechar al máximo estos beneficios está limitada más por la imaginación que por cualquier otra cosa.
• Montaje simplificado: en comparación con lo engorrosos que son los cables tradicionales, un circuito flexible simple puede reducir dramáticamente los esfuerzos en el montaje. Un circuito flexible puede reemplazar a múltiples elementos en una lista de materiales.
• Gestión térmica: los materiales de poliimida pueden resistir aplicaciones de alta temperatura, y la poliimida delgada disipa el calor mucho mejor que materiales más gruesos y de menor conductividad térmica, lo que la vuelve uno de los mejores candidatos para diseños de alta potencia y alta frecuencia.
• Biocompatibilidad: las poliimidas y el LCP son dos materiales flexibles que resultan excelentes opciones por ser biocompatibles, y que se usan frecuentemente para esos fines tanto en aplicaciones médicas como en "wearables". Es interesante hacer notar que he visto cada vez más interés en los circuitos flexibles que usan oro como conductor, en vez de cobre, lo que ofrece una opción totalmente biocompatible.

Después de la fabricación, la parte flexible de la placa de circuito puede colocarse dentro de la carcasa con curvatura estática, o se le puede permitir flexionarse dinámicamente con la carcasa u otros elementos mecánicos. A veces, un circuito flexible está diseñado para "flexionarse al instalar" o, en otras palabras, se dobla o tuerce con la intención de permanecer estacionario una vez que el circuito se instale en la electrónica final. Otras veces, la aplicación necesita que un circuito sea capaz de flexionarse cientos, miles o millones de veces. Las unidades de disco son ejemplos comunes de aplicaciones con flexionado dinámico, al igual que los circuitos flexibles en las bisagras de los ordenadores portátiles. El proceso de diseño varía ligeramente con los montajes estáticos y dinámicos, en los que la consideración más importante es la deformación que ocurre durante la curvatura.

• Más información acerca del diseño de cintas flexibles dinámicas y estáticas

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