Introducción a los materiales para PCB flexibles

Los materiales para placas de circuito impreso flexibles (PCB flexibles) deben cumplir múltiples objetivos de diseño y funcionamiento: flexión estática o dinámica, capacidad para pasar por procesos de montaje estándar y capacidad para admitir procedimientos de fabricación sencillos de alto rendimiento. De entrada, los materiales para las PCB flexibles pueden parecer exóticos, pero el conjunto de materiales utilizado para producir PCB flexibles y rígido-flexibles a gran volumen es relativamente pequeño. En esta guía, examinaremos algunas de las propiedades básicas de los materiales de placas de circuito impreso flexibles y cómo se utilizan para construir placas de PCB flexibles y rígido-flexibles. 

Sustratos y láminas de cobertura

El material base utilizado en las placas de circuito impreso rígidas más comunes es la fibra de vidrio impregnada en resina epoxi. En realidad, se trata de un tejido y, a pesar de que las consideremos "rígidas", si se utiliza una sola capa de laminado veremos que poseen un grado razonable de elasticidad. Es el epoxi curado lo que hace que la placa de PCB sea más rígida. Debido al uso de resinas epoxi, a menudo se las conoce como placas de circuito impreso orgánico-rígidas. No son lo suficientemente flexibles para muchas aplicaciones, pero son perfectamente adecuadas para montajes simples en los que no se prevea un movimiento constante.

La opción de material más común utilizada como sustrato de PCB flexible es la poliimida. Este material es muy flexible, muy fuerte e increíblemente resistente al calor.

Película de poliimida flexible (fuente: Shinmax Technology Ltd.)

Para la mayoría de las aplicaciones de circuitos flexibles, se necesita un plástico más maleable que la resina epoxi en malla utilizada habitualmente. La opción más común es la poliimida, porque es muy flexible, muy fuerte (no se puede rasgar ni estirar de forma perceptible manualmente, lo que la hace muy adecuada para los procesos de montaje de los productos) y también es increíblemente resistente al calor. Esto permite que tolere muy bien varios ciclos de reflujo de soldadura y que sea razonablemente estable a la dilatación y a la contracción causadas por las fluctuaciones de temperatura.

El poliéster (PET) es otro material de uso común en las PCB flexibles, pero no tolera las altas temperaturas como para sobrevivir a la soldadura. He visto cómo se utilizaba en componentes electrónicos de muy bajo coste, en los que la pieza flexible tenía conductores impresos (en los que el PET no podía soportar el calor de la laminación), y ni que decir tiene que no era posible soldarle nada, sino que el contacto el contacto se hacía mediante una simple presión con un elastómero conductor isotrópico.

La pantalla del producto en cuestión (un radiodespertador) nunca funcionó demasiado bien debido a la baja calidad de la conexión del circuito flexible. Así que, para la construcción de placas de PCB rígido-flexibles, asumiremos que vamos a utilizar la película de PI. (Hay otros materiales disponibles, pero no se suelen utilizar).

Las películas de PI y PET, así como los finos núcleos flexibles de fibra vidrio y resina epoxi, forman los sustratos más habituales para los circuitos flexibles. Como consecuencia, los circuitos deben utilizar películas de recubrimiento adicionales (generalmente de PI o PET e incluso, en ciertas ocasiones, de tinta de máscara de soldadura flexible). La capa de revestimiento aísla los conductores de la superficie exterior y los protege de la corrosión y los daños, de la misma manera que lo hace la máscara de soldadura en las placas rígidas. Los grosores de estas películas de PI y PET van desde 1/3 de mil hasta los 3 mils, siendo 1 o 2 mils las medidas más habituales. Los sustratos de fibra de vidrio y resina epoxídica son notablemente más gruesos, con valores que oscilan entre los 2 y los 4 mils.

Conductores

Si bien los aparatos de electrónica de bajo coste mencionados anteriormente pueden utilizar conductores impresos —por lo general, algún tipo de película de carbono o tinta con base de plata—, el cobre es el conductor que se usa más frecuentemente. Dependiendo del uso que se le va a dar, hay que considerar diferentes opciones de cobre. Si simplemente vas a utilizar la parte flexible de la PCB para reducir el tiempo y los costes de fabricación, eliminando el cableado y los conectores, en ese caso, la típica película de cobre laminado (electrodepositado o ED) utilizada en las placas rígidas es más que suficiente. También se puede utilizar cuando se desean pesos de cobre más elevados para mantener los conductores de alta corriente con la anchura mínima practicable, tal como ocurre con los inductores planares.

Pero el cobre también es conocido por su propensión al endurecimiento y a la fatiga. Si el uso final implica el constante plegado o el movimiento del circuito flexible, vale la pena que te plantees el uso de láminas recocidas (RA, por las siglas en inglés de Rolled Annealed) de alta calidad. Obviamente, el paso adicional del recocido de la lámina conlleva un aumento considerable de los costes, pero el cobre recocido consigue estirarse más antes de que se produzcan grietas por fatiga y es más elástico en la dirección de deflexión Z, que es exactamente lo que buscas en un circuito flexible que va a estar doblándose o enrollándose continuamente. Esto se debe a que el proceso de recocido por laminación alarga la estructura granular en la dirección del plano.

Si simplemente queremos utilizar la parte flexible del circuito para reducir el tiempo y los costes de fabricación, eliminando el cableado y los conectores, nos bastará con la habitual película de cobre laminado utilizada en las placas rígidas.

Ilustración exagerada (no a escala) que muestra el proceso de recocido aplicado a los materiales de PCB flexibles. La lámina de cobre pasa entre rodillos de alta presión, que alargan su estructura granular en la dirección del plano, haciendo que el cobre sea mucho más elástico y flexible perpendicularmente.

Adhesivos

Tradicionalmente, en una PCB flexible se utilizan adhesivos para unir la lámina de cobre a la película de PI (o a otro tipo de láminas), ya que, a diferencia de lo que ocurre con una placa rígida FR-4 habitual, hay menos "pelillos" en el cobre recocido y el calor y la presión por sí solos no son suficientes para formar una unión fiable. Los fabricantes de películas prelaminadas de cobre revestidas por una o dos caras para el grabado de circuitos flexibles, emplean adhesivos de base acrílica o epoxídica con grosores típicos de 0,5 y 1 mil. Estos adhesivos están especialmente desarrollados para ser flexibles.

Los laminados sin adhesivo son cada vez más frecuentes debido a los nuevos procesos que implican el chapado o la deposición de cobre directamente sobre la película de PI. Estas películas se eligen cuando se necesitan pasos más finos y vías más pequeñas, tal como ocurre en los circuitos HDI.

En las PCB flexibles también se utiliza silicona, colas termoplásticas y resinas epoxídicas cuando se añaden perlas protectoras a las juntas o interfaces flexo-rígidas (es decir, cuando la parte flexible de la pila de capas abandona la parte rígida). Éstas ofrecen un refuerzo mecánico al punto de apoyo de la unión flexible a rígida que, de otro modo, se fatigaría rápidamente y se agrietaría o desgarraría en un uso repetido.

PCB flexibles de una sola capa

A continuación, se ilustra un ejemplo de corte de una placa de circuito impreso flexible monocapa típico. Se trata de la misma construcción que se utiliza en la mayoría de los cables FFC (Flexible Flat Connector, conector plano flexible) disponibles en el mercado, que son una alternativa al uso de placas de circuito impreso rígido-flexibles en las que se pueden acomodar conectores FFC y el coste es el principal factor determinante para las decisiones de diseño. En las PCB de materiales flexibles de una sola capa, el proveedor del material prelamina el cobre sobre la lámina de PI y, a continuación, graba y perfora el cobre sobre una placa de soporte rígida. Finalmente, se lamina con un revestimiento adhesivo de poliimida preperforado para dejar al descubierto las almohadillas de cobre. Los adhesivos utilizados para el recubrimiento en esta disposición pueden rebosar durante el proceso, pero esto puede solucionarse agrandando las almohadillas en las zonas expuestas.

Stackup típico de un circuito flexible de una sola capa.

Es importante ser consciente de los materiales utilizados en las PCB flexibles y rígido-flexibles. Aunque, por lo general, el fabricante suele tener libertad para seleccionar los materiales que garanticen el rendimiento de la PCB, hay que tener claros los factores que pueden hacer que una PCB flexible falle en la práctica. Conocer las propiedades de los materiales también facilitará el diseño de la PCB, la evaluación y las pruebas mecánicas del producto. Si, por ejemplo, trabajas con productos de automoción, debes tener en cuenta que los factores como el calor, la humedad, los productos químicos, los choques y las vibraciones tienen que modelarse con unas propiedades de material muy precisas para determinar la fiabilidad del producto y el radio de curvatura mínimo permitido. Resulta irónico que las necesidades que te pueden inducir a elegir flexibles y rígido-flexibles suelan estar asociadas a entornos difíciles. Por ejemplo, los dispositivos electrónicos de bajo coste destinados al consumo personal suelen estar expuestos a vibraciones, caídas, sudoración y otras circunstancias aún peores.

Encontrarás un gran recurso mucho más detallado que la introducción mostrada en este artículo en el libro de texto de Coombs de 2008:

• Coombs, C. F. (editor, 2008) The Print Circuits Handbook, 7th Ed. 2008 McGraw Hill.

Ejemplo de stackup o apilado de capas

Del mismo modo que ocurre con las PCB rígidas, las PCB flexibles y rígido-flexibles pueden acabar teniendo stackups o apilado de capas muy complejos a medida que se van añadiendo capas conductivas. Estos stackups pueden implicar varias secciones flexibles en la misma PCB, como en el ejemplo que se muestra a continuación. Para un circuito flexible puro (en lugar de rígido-flexible), la planificación del apilado de capas se simplifica, incluso en cada sección de la PCB. Sin embargo, aún puede haber puntos que requieran la colocación de refuerzos en las zonas donde se montan los componentes o donde se termina el circuito.

En tu software de diseño, cada una de estas secciones se define como su propia pila y se aplica a diferentes regiones en el diseño de la PCB. Cuando llegue el momento de fabricar la placa de circuito impreso, cada sección de esta deberá mostrarse claramente en los planos de fabricación para ilustrar la disposición de las capas y los materiales de la propia placa. Trataremos este importante aspecto de la fabricación y del diseño flexible en una sección posterior.

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