Cómo se diseñan y fabrican las PCB flexibles termoformadas

Los circuitos flexibles continúan siendo una solución ganadora cuando se requiere durabilidad y un factor de forma compacto. Los beneficios obvios de ser más delgados y ligeros con la capacidad de flexionarse y doblarse son fáciles de entender y la tecnología ha estado en uso durante décadas.

Aunque a menudo pasamos tiempo mirando los materiales, cómo diseñar para la flexibilidad y entendiendo el proceso de fabricación, hoy vamos a mirar específicamente a las placas de circuito impreso flexibles termoformadas. Esta tecnología es particularmente interesante porque los circuitos pueden ser moldeados en formas específicas mientras mantienen su rendimiento. Al igual que con las aplicaciones más tradicionales para materiales flexibles, el termoformado no es una tecnología nueva, pero sí añade otra capa de complejidad tanto al diseño del circuito como al proceso de fabricación.

Consideraciones de Diseño de Circuitos

Las PCBs flex termoformadas son un tipo especial de placa de circuito impreso flexible que puede ser permanentemente formada durante la fabricación. Las PCBs flex pueden ser mecánicamente dobladas en un radio de curvatura estático deseado, como discute Zach Peterson en este artículo vinculado. A diferencia de las PCBs flex usuales que solo se doblan y flexionan, o que son mecánicamente fijadas después de la fabricación, las PCBs flex termoformadas son moldeadas en formas fijas.

Suelen diseñarse en lugares donde el espacio es limitado y se necesitan formas precisas, como en automóviles, dispositivos médicos y dispositivos portátiles. Si consideras aplicaciones como el tablero de tu automóvil o el último monitor de salud portátil, los PCBs flexibles termoformados hacen posibles estos diseños elegantes al encajar en espacios compactos y adaptarse a formas complejas.

Ejemplo de PCB flexible termoformado imágenes de FreddieHong19 en github

Cuando se trata de diseño mecánico, necesitas pensar en cómo se doblará y flexionará el PCB, tanto durante el proceso de formación como en su uso final. Evita colocar trazas y componentes en áreas de alto estrés. Usar trazas curvas y vías escalonadas puede ayudar a distribuir el estrés y reducir el riesgo de grietas. Estos son muy similares a los dispositivos de interconexión moldeados (MIDs), pero la principal diferencia es que los PCBs termoformados tienen su doblado aplicado después de que se completa la fabricación.

Aunque parece que la tecnología de flexión termoformada sería una solución fantástica en cualquier número de aplicaciones, también es una tecnología difícil de fabricar y, posteriormente, de diseñar. Hay muchos factores a considerar para asegurar un resultado exitoso.

Proceso de Fabricación para PCBs Flexibles Termoformados

El proceso de fabricación para PCBs flexibles termoformados implica varios pasos precisos para lograr la forma y funcionalidad deseadas, y creo que es importante señalar que el termoformado no es una capacidad "estándar" o siquiera típica para la mayoría de los fabricantes de circuitos flexibles. Requiere un control de proceso estricto y otro nivel de capacidades de proceso.

El poliimida y el poliéster (por ejemplo, el tereftalato de polietileno) son opciones de material populares porque son flexibles y pueden manejar el calor gracias a sus altas temperaturas de descomposición y altas temperaturas de transición vítrea. El poliimida es favorito porque puede soportar altas temperaturas durante el proceso de termoformado, y su procesamiento es bien entendido por muchas casas de fabricación.

Herramientas de Termoformado: La creación de la versión 2D del circuito flexible es como cabría esperar para cualquier proceso de fabricación de circuitos flexibles. Una vez que el patrón del circuito está creado y ha pasado la revisión de calidad, tiene lugar el termoformado.

Antes de que comience cualquier calentamiento, el molde utilizado para dar forma al PCB debe ser preparado. Este molde típicamente está hecho de materiales que pueden soportar altas temperaturas sin deformarse, como metal o plásticos/polímeros resistentes al calor. El molde debe ser maquinado con precisión a las dimensiones y forma exactas requeridas para el diseño final del PCB. Un nuevo enfoque para el termoformado es usar moldes impresos en 3D; vea, por ejemplo, los siguientes moldes de Proto3000:

Proto3000 imprimió en 3D moldes para termoformado. (Fuente de la imagen)

Fijación y calentamiento: El sustrato de PCB flexible, que ya ha sido estampado y plateado, se coloca cuidadosamente en el molde. La alineación adecuada es crucial para asegurar que el PCB se conforme a la forma deseada sin ningún desalineamiento o distorsión. Este paso a menudo implica el uso de herramientas o accesorios de alineación específicamente diseñados para mantener el PCB en su lugar durante el proceso de calentamiento.

La etapa de calentamiento y el control del proceso son críticos. Todo el ensamblaje se calienta a una temperatura específica donde el sustrato se vuelve maleable. Esta temperatura debe ser controlada con precisión para evitar el sobrecalentamiento, lo cual puede dañar el material o las pistas conductoras. El calentamiento se puede realizar utilizando varios métodos, incluyendo hornos de convección, calentadores infrarrojos o equipos especializados de termoformado. La clave es aplicar calor de manera uniforme a través del PCB para asegurar una maleabilidad uniforme.

Una vez que el sustrato alcanza la temperatura requerida, se vuelve suave y maleable. El molde entonces da forma al PCB en la forma tridimensional deseada. Este paso debe realizarse de manera rápida pero cuidadosa para asegurar que el PCB se conforme al molde sin introducir arrugas, burbujas u otros defectos. La presión aplicada durante el formado debe ser distribuida de manera uniforme para evitar estresar el material.

Como ejemplo, DuPont ofrece orientación sobre termoformado para su línea de materiales Kapton, incluyendo la fijación y los valores de tiempo/temperatura de prensado basados en la profundidad del molde de formación. Lee sus directrices para las películas Kapton aquí.

Enfriamiento y Solidificación: Después de que el PCB ha sido moldeado, necesita ser enfriado específicamente para solidificar su nueva forma. El enfriamiento debe ser controlado para evitar la introducción de tensiones internas o defectos como deformaciones y grietas. Enfriar demasiado rápido o no lo suficientemente rápido puede llevar a defectos en el diseño final. El proceso de enfriamiento puede ser gestionado usando enfriamiento controlado por aire, baños de agua o sistemas de enfriamiento integrados dentro del equipo de termoformado. Un enfriamiento gradual y uniforme es necesario para mantener la integridad del PCB.

Retirar el circuito flexible del molde también requiere gran cuidado. Después de que el PCB es retirado del molde, se somete a otra inspección minuciosa y controles de calidad. Esto incluye inspecciones visuales para defectos superficiales, comprobaciones dimensionales para asegurar que el PCB se ajusta a la forma deseada, y pruebas mecánicas para evaluar la integridad estructural.

Procesos Avanzados en PCBs Flexibles Termoformados

El campo de las PCBs flexibles en general está evolucionando, con nuevos avances e innovaciones en el horizonte. La investigación está en curso para desarrollar nuevos materiales con propiedades mejoradas, como mayor flexibilidad, mejor estabilidad térmica y un rendimiento eléctrico mejorado. Estos avances ampliarán las aplicaciones potenciales de las PCBs flexibles termoformadas y mejorarán su fiabilidad.

Las tecnologías de fabricación de alta densidad, como la estructuración directa por láser (LDS) y los procesos de fabricación aditiva (mSAP o SAP), pueden incorporar enfoques de diseño de interconexión de alta densidad (HDI) en las PCBs flexibles, que luego también podrían usarse en dispositivos termoformados. Estas técnicas ofrecen mayor precisión, mayor flexibilidad en el diseño y reducción de los tiempos de producción.

El proceso de termoformado es un delicado equilibrio de control preciso de la temperatura, manejo cuidadoso y riguroso aseguramiento de la calidad. Cada paso, desde el calentamiento hasta el enfriamiento, debe ser meticulosamente gestionado para producir PCBs flexibles termoformadas de alta calidad que puedan resistir las demandas de sus aplicaciones previstas. Si está considerando un circuito flexible termoformado para su aplicación, trabaje con su fabricante desde el principio del proceso de diseño para asegurar el mayor nivel de éxito.