Prácticas recomendadas en el diseño de circuitos impresos flexibles

Varios sub-stacks flexibles

Aunque es posible construir casi cualquier stackup con secciones rígidas y flexibles, puede resultar bastante caro si no se tienen en cuenta los pasos de producción y las propiedades de los materiales involucrados. Un aspecto importante de los circuitos flexibles que hay que recordar es la tensión que se genera sobre los materiales cuando el circuito se dobla. Se sabe que el cobre, al ser un metal no ferroso, sufre endurecimiento, y que con el tiempo se producirán fracturas por fatiga con ciclos repetidos de flexión y radios estrechos. Una forma de mitigar esto es usar solo circuitos flexibles de una sola capa, en cuyo caso el cobre se queda en el centro del radio de curvatura mediano, con lo que el sustrato de la película y el revestimiento están en la mayor compresión y tensión, como se muestra a continuación.

En la misma línea, a menudo es necesario tener varios circuitos flexibles separados, aunque es mejor evitar que haya pliegues en secciones superpuestas donde la longitud de las secciones flexibles limita el radio del pliegue. Dado que la poliimida es muy elástica, esto no supone un problema, y durará mucho más que varias capas de cobre al hacer un movimiento repetido. El cobre se queda en el centro del radio de curvatura mediano y, por lo tanto, el sustrato de la película y el revestimiento están en la mayor compresión y tensión.

Para circuitos flexibles altamente repetitivos, es mejor usar cobre RA en circuitos flexibles de una sola capa, a fin de aumentar la vida de fatiga (en ciclos previos a los fallos) del cobre del circuito.

Perlas adhesivas, endurecedores y terminaciones

Hay ocasiones en las que debes considerar el uso de fortificantes en los puntos en que el circuito flexible sale de la placa rígida. Agregar un cordón de epoxi, acrílico o cola termofusible ayudará a aumentar la longevidad del montaje. Pero la aplicación y curado de estos productos puede añadir pasos laboriosos al proceso de fabricación, aumentando su coste. No obstante, como siempre ocurre en el diseño de PCB, hay contrapartidas.

Se puede utilizar la dispensación automatizada de fluidos, pero hay que tener mucho cuidado y colaborar con los ingenieros de montaje para asegurarse de que no se acaben con los restos de pegamento que gotean bajo el montaje. En algunos casos, hay que aplicar pegamento manualmente, lo que añade tiempo y costo. Sea como sea, es fundamental entregar una documentación clara al equipo de fabricación y montaje.

Los extremos de los circuitos flexibles suelen terminar en un conector, si no se conectan al ensamblaje principal de la placa rígida. En estos casos, se puede aplicar un endurecedor a la terminación (más poliimida gruesa con adhesivo o FR-4). Entonces, por lo general, también es conveniente dejar los extremos flexibles embebidos en las secciones rigid-flex.

Paneles de PCB rígido-flexibles

El circuito rigid-flex permanece unido en su panel para el proceso de ensamblaje, de modo que los componentes pueden ser colocados y soldados en las secciones de terminación rígidas. Algunos productos requieren que los componentes se monten también en partes flexibles, en cuyo caso el panel se deberá combinar con áreas rígidas adicionales, para sustentar la parte flexible durante el ensamblaje. Estas zonas no se adhieren a la flexión y se desvían con una broca de fresado de profundidad controlada (con "mouse-bites") y finalmente se perforan a mano tras el montaje.

Ejemplo de panel de PCB rígido-flexible. Fíjate en que tiene los flancos delantero y trasero de la placa, así como el circuito flexible, enrutados. Los flancos rígidos tienen una ranura en V para poder separarlos más tarde. De este modo, se ahorra tiempo al montarlo en la carcasa (fuente: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Es fácil analizar los problemas del diseño del apilado de capas, la colocación de las piezas y los cortes, y pensar que lo tenemos todo controlado. Pero recuerda que los circuitos flexibles tienen algunas peculiaridades engorrosas. Esas peculiaridades van desde los coeficientes de dilatación en el eje Z relativamente altos de los adhesivos, hasta la menor adherencia del cobre al sustrato PI y al revestimiento, pasando por el endurecimiento y la fatiga del cobre. Estas pueden compensarse en gran medida siguiendo algunos consejos sobre lo que hacer o no hacer.

Conserva la flexibilidad del "Flex"

Puede que parezca obvio, pero no está de más decirlo. Decide desde el principio cuánta flexión se necesita y si esta deberá poder repetirse o si el diseño tendrá una curvatura estática. Si las secciones de tu circuito flexible solo se van a plegar durante el montaje y luego se van a dejar en una posición fija (como en un dispositivo portátil de ultrasonidos), tendrás mucha más libertad en cuanto al número de capas, el tipo de cobre (RA o ED) y lo demás que puedes utilizar. Por otro lado, si las secciones del circuito flexible van a moverse, doblarse o enrollarse continuamente, deberás reducir el número de capas para cada sub-stack flexible y elegir sustratos sin adhesivos.

A continuación, puedes utilizar las ecuaciones que aparecen en la IPC-2223 (ec. 1 para una sola cara, ec. 2 para doble cara, etc.) para determinar cuál es el radio de curvatura mínimo permitido para la sección flexible, en base a la deformación permitida de cobre y las características de los demás materiales.

Esta ecuación de ejemplo es para una sección flexible de una cara. Se puede utilizar con una PCB flexible montada, aunque podrías ejercer un exceso de tensión en los puntos de soldadura de los cables de los componentes si la línea de plegado está mal situada. Debes elegir EB en función de la aplicación de destino, con un 16 % para la instalación de un solo pliegue de cobre RA, un 10 % para "flex-to-install" y un 0,3 % para los diseños flexibles "dinámicos" (fuente: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). Aquí, con "dinámicos" nos referimos a una flexión y enrollamiento continuos durante el uso del producto, como la conexión de un panel TFT en un reproductor de DVD móvil.

No la dobles por las esquinas y utiliza pistas curvas

Por lo general, es mejor mantener las pistas de cobre en ángulo recto con respecto al pliegue de un circuito flexible. Sin embargo, hay algunos casos de diseño en los que es inevitable. En esos casos, haz la curva de la vía lo más suave posible y, según lo dicte el diseño mecánico del producto, quizá puedas utilizar curvas de radio cónicas. También en referencia a la imagen de abajo, es mejor evitar los trazados con ángulos rectos demasiado marcados y es aún mejor enrutar las vías con esquinas en arco que utilizar ángulos de 45°. De este modo, se reducen las tensiones en el cobre durante la flexión.

Posiciones de plegado preferibles.

No cambies los anchos bruscamente

Siempre que haya una pista que entre en una almohadilla, sobre todo cuando hay una fila alineada de ellas, como en la terminación de un circuito flexible (como se muestra abajo), se formará un punto débil en el que el cobre se fatigará con el tiempo. A menos que se vaya a aplicar endurecedor o se vaya a producir un pliegue puntual cerca de la transición de ancho de la pista, es aconsejable estrechar desde las almohadillas (sugerencia: coloca lágrimas en las almohadillas y en las vías del circuito flexible).

El cambio de ancho de la pista y las entradas a las almohadillas pueden provocar puntos débiles.

Añade soportes para las almohadillas

Hay más probabilidades de que el cobre de un circuito flexible se desprenda de un sustrato de poliimida debido a las tensiones repetidas implicadas en la flexión, así como a la menor adhesión del cobre al sustrato (en relación con el FR-4). Por lo tanto, es especialmente importante proporcionarle apoyo al cobre expuesto. Las vías son inherentemente compatibles, porque el chapado de los agujeros pasantes ofrece un anclaje mecánico adecuado de una capa flexible a otra. Por esta razón (así como por la expansión del eje Z), muchos fabricantes recomiendan un chapado adicional de los agujeros pasantes de hasta 1,5 mils para circuitos rígido-flexibles y flexibles, además del chapado convencional en placas de circuito rígido. Las almohadillas de montaje superficial y las almohadillas no chapadas se denominan "sin apoyo" y necesitan medidas adicionales para evitar que se desprendan.

Almohadillas de soporte con agujeros pasantes flexibles con chapado, stubs de anclaje y aberturas de acceso con revestimiento reducido.

Las almohadillas de los componentes SMT son unas de las más vulnerables, sobre todo porque el circuito flexible puede doblarse bajo el pin rígido del componente y el cordón de soldadura. La disposición de las almohadillas y de las pistas de abajo muestra cómo resolver el problema utilizando las aberturas de la "máscara" del revestimiento para anclar las almohadillas a ambos lados. Para ello, las almohadillas tienen que ser algo más grandes de lo que serían las footprints típicas de una placa rígida, sin dejar de permitir la cantidad adecuada de soldadura. Obviamente, esto reduce la densidad de montaje de los componentes del circuito flexible, pero por naturaleza los circuitos flexibles no pueden ser muy densos en comparación con los rígidos.

Aberturas en el revestimiento para un encapsulado SOW que muestran el anclaje en cada extremo de cada almohadilla.

Dentro de tu software de diseño de PCB, no hay una capa de revestimiento específica, por lo que tendrás que usar una capa de máscara para definir la abertura del revestimiento alrededor de las almohadillas. Esto puede hacerse en la capa superior de soldadura dentro de la sección flexible; basta con colocar una abertura en la capa de máscara para definir la abertura del revestimiento, igual que harías con la máscara de soldadura. También habrá que modificar las almohadillas del footprint para garantizar un montaje preciso y añadir la cobertura suficiente para el anclaje. A continuación se muestra un ejemplo de footprint del componente 0603.

En este footprint, los tamaños de las almohadillas y la capa superior de soldadura se utilizan para mostrar cómo deben colocarse las almohadillas de un pasivo SMD y la abertura del revestimiento para el montaje en una PCB rígido-flexible. El patrón de tierra superior es para un paquete nominal 0603, mientras que el inferior es una footprint del mismo componente, pero con una abertura del revestimiento modificada.

Deja espacio por si rebosa

Al laminar un revestimiento sobre el cobre y el sustrato, parte del adhesivo "rebosará" por las aberturas del revestimiento alrededor de las almohadillas cuando se aplique el mismo. Para permitir que rebose, la superficie de la almohadilla y la abertura de acceso deben ser lo suficientemente grandes como para permitir alguna fuga de adhesivo, dejando al mismo tiempo suficiente cobre expuesto para lograr un cordón de soldadura fuerte. IPC-2223 recomienda usar una humectación ("wetting") de 360° alrededor del agujero para diseños de alta fiabilidad y de 270° para diseños flexibles de fiabilidad moderada.

Tamaño de las almohadillas y aberturas del revestimiento para permitir que el adhesivo rebose.

Enrutamiento flexible de doble cara

Al crear circuitos flexibles dinámicos de doble cara, intenta evitar colocar unas pistas sobre otras en la misma dirección. En vez de ello, coloca las pistas en las capas adyacentes para que no se superpongan. Esto reducirá la tensión en las pistas cuando el cobre se distribuya de manera más uniforme entre las capas de cobre (ver más abajo). En el caso de que las pistas se superpongan, una de las capas sufrirá más tensión durante el plegado a medida que las capas se presionen entre sí. El escalonamiento distribuye la tensión por el sustrato flexible, de modo que la distribución de la tensión en las pistas será más uniforme.

No se recomienda usar pistas de cobre de capa adyacente (imagen de arriba). En lugar de eso, escalona las pistas en diferentes capas para reducir la tensión sobre ellos al doblar el conjunto.

Utiliza polígonos sombreados

A veces es necesario meter un plano de alimentación o de tierra en un circuito flexible. Utilizar vertidos de cobre sólido está bien, siempre que no te importe que la flexibilidad se reduzca considerablemente y que el cobre pueda combarse con las curvas de radio estrecho. En general, es mejor usar polígonos sombreados para mantener un alto nivel de flexibilidad.

Un polígono sombreado normal sigue presentando tensiones de cobre muy polarizadas en direcciones de ángulo de 0°, 90° y 45°, debido a la alineación de las pistas de la trama y las "X". Por eso, un patrón de sombreado estadísticamente más apto sería el hexagonal. Esto se puede hacer utilizando una capa plana negativa y una matriz de anti-pads hexagonales, pero puedes construir rápido la trama que se muestra a continuación cortando y pegando secciones.

El uso de polígonos hexagonales sombreados puede distribuir la polarización de la tensión uniformemente entre tres ángulos.

Colocación de las vías

Respecto a las áreas flexibles de varias capas, a veces puede ser necesario colocar vías para realizar la transición entre capas. Aunque, si se puede evitar, se recomienda no colocar vías, ya que pueden sufrir fatiga rápido con el movimiento de flexión. También es necesario mantener una clearance de al menos 20 mils (aproximadamente ½ mm) entre el anillo de cobre de la vía más cercana a la interfaz de placa rígido-flexible. Las reglas de clearance de los bordes de la placa pueden encargarse de esto automáticamente en el editor CAD de la PCB.

De este modo, si tienes que poner vías en un circuito flexible, utiliza las "rooms" (salas) para definir regiones en las que sepas que no habrá curvas y utiliza las reglas de diseño del editor de PCB para permitir la colocación solo en esas áreas fijas. Una alternativa es utilizar el gestor de apilamiento de capas (layer stack manager) para definir secciones "rígidas" que, en última instancia, sean flexibles, pero con un material endurecedor dieléctrico rígido adherido a ellas.

Definición de cortes y esquinas en diseños flexibles

Si tienes que colocar un corte o ranura en la sección flexible de una placa, este debe terminarse correctamente. IPC recomienda terminar con secciones circulares con radios superiores a 1,5 mm (aproximadamente 60 mils) para reducir el riesgo de desgarros de los materiales de sustrato flexible en las esquinas. La regla aquí, en esencia, es que siempre que tengas una esquina interior (una esquina de borde de circuito flexible con ángulo inferior a 180°), utilices una esquina curva tangencial con un radio superior a 1,5 mm. Si el ángulo es mucho menor (más agudo) que 90°, puedes emplear una curva circular perforada. Lo mismo ocurre con las ranuras y las aberturas en la flexión: asegúrate de que haya un agujero de alivio en el diseño en cada extremo con un diámetro de 3 mm (1/8") o más. A continuación se muestra un ejemplo.

Las ranuras, aberturas y esquinas interiores deben incluir agujeros antidesgarros o curvas tangentes con un radio mínimo de 1,5 mm.

Aunque estos consejos no conformen toda una guía de ingeniería de circuitos impresos flexibles, deberían ayudarte a iniciarte en el uso de muchos productos. Si tuvieras alguna duda, la empresa de fabricación debería poder ofrecerte directrices de DFM para las placas flexibles o para las secciones flexibles de una PCB rígido-flexible.

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