Diseño de PCB rígido-flexible: directrices para restricciones mecánicas, apilamientos y fiabilidad

El diseño de PCB rígido-flex implica la integración de materiales de circuito flexible con secciones rígidas para crear tipos de diseños únicos. El objetivo suele ser adaptar los diseños a carcasas complejas, factores de forma compactos o plegados, o carcasas con partes móviles. Las PCB rígido-flex requieren un enfoque diferente al del diseño rígido estándar, pero proporcionan una mayor fiabilidad en ciertos casos y permiten funcionalidades que pueden ser difíciles de lograr con conectores y cableado.

Si nunca ha diseñado una PCB flexible o una PCB rígido-flex, estas directrices le ayudarán a crear placas flexibles y rígido-flex con una funcionalidad única que además cumplan con los requisitos de DFM de la mayoría de los fabricantes. Los apilamientos de PCB para diseños rígido-flex también pueden ser complejos, por lo que ofreceremos orientación sobre los distintos apilamientos, incluido el uso correcto de rigidizadores.

Tipos de diseños rígido-flex y apilamientos de PCB

Los distintos tipos de diseños rígido-flex siempre se definen por el apilamiento de la PCB, ya que este habilita la funcionalidad en una PCB rígido-flex. Aquí presentamos una breve lista de diferentes tipos de diseño de PCB rígido-flex y algunas imágenes que demuestran lo que es posible.

• Rígido-flex integrado: el tipo más común de rígido-flex, donde la sección flexible se lamina dentro del apilamiento de la PCB
• Rígido-flex con rigidizadores: en lugar de laminar la región flexible dentro del apilamiento, una lámina de prepreg rigidiza la zona flexible en áreas específicas
• PCB totalmente flexible, o FPC: un diseño sin secciones rígidas en absoluto, normalmente utilizado como sustituto de un cable
• Rígido-flex tipo lomo de libro: un diseño con múltiples regiones flexibles superpuestas que pueden plegarse unas sobre otras
• Rígido-flex de flexión dinámica: un diseño rígido-flex pensado para flexionarse repetidamente durante el funcionamiento
• Rígido-flex HDI: un diseño con microvías perforadas con láser en la sección rígida, la sección flexible o ambas
• Rígido-flex transparente: un diseño que utiliza materiales flexibles completamente transparentes con un apilamiento rígido o un rigidizador
• Rígido-flex basado en PTFE: un diseño rígido-flex que utiliza núcleos de PTFE y bondplies para construir la parte rígida del apilamiento

Los diseños rígido-flex pueden tener múltiples regiones donde la sección flexible se ramifica. Esto puede terminar en un conector, otra sección rígida, un rigidizador, dedos dorados o un circuito montado sobre la región flexible. A continuación se muestra un ejemplo complejo.

Los ensamblajes de PCB rígido-flex pueden tener múltiples ramificaciones y secciones rígidas.

Restricciones mecánicas en diseños rígido-flex

Fijación

Los diseños rígido-flex a menudo necesitan fijarse dentro de la carcasa, lo que puede hacerse con tornillos o montajes a presión. Algunos métodos de fijación también utilizan un soporte deslizante que mantiene la sección flexible o rígida en su lugar. Esto suele requerir orificios de montaje para mantener el ensamblaje rígido-flex en posición.

Deformación permanente

En algunos ensamblajes rígido-flex, la cinta flexible se dobla permanentemente o se pliega durante la instalación para que la placa final mantenga su forma dentro de la carcasa. Estas son aplicaciones de flexión estática en las que la curvatura se aplica una vez y la cinta no vuelve a moverse durante el funcionamiento. Cuando se planifica esta deformación permanente, el diseñador debe definir la zona de pliegue o doblez en el diseño de la PCB mediante áreas keepout. Estos keepouts evitan que se coloquen componentes, vías y pistas en la zona donde se producirá la flexión, porque las características de cobre en una zona de pliegue están sometidas a esfuerzos mecánicos concentrados que pueden agrietar las pistas o fracturar las uniones de soldadura con el tiempo. Definir estos keepouts al inicio del diseño, idealmente con base en el modelo MCAD de la carcasa, garantiza que la cinta flexible pueda plegarse hasta su posición final sin interferencias inesperadas.

Límites de flexión

La distinción entre flexión estática y dinámica es la principal restricción que gobierna el radio mínimo de curvatura permitido en un diseño rígido-flex. La flexión estática ocurre cuando la cinta flexible se dobla una vez o un pequeño número de veces durante la instalación y luego permanece en una posición fija durante toda la vida útil del producto. La flexión dinámica ocurre cuando la cinta flexible experimenta flexiones repetidas y continuas durante el funcionamiento normal, como en una bisagra, una articulación robótica o un dispositivo wearable. El radio mínimo de curvatura se define como un múltiplo del espesor total de la zona flexible en la región de curvatura. Para aplicaciones de flexión estática, el radio mínimo de curvatura generalmente aceptado es 6x el espesor flexible, siendo 10x un punto de partida más conservador y ampliamente recomendado. Para aplicaciones de flexión dinámica, el radio de curvatura requerido aumenta sustancialmente, a menudo hasta 100x el espesor flexible, dependiendo del número de ciclos de flexión esperados durante la vida útil del producto.

Como ejemplo de cálculo, considere una región flexible de cuatro capas con un espesor de 11 mil en una aplicación estática. Usando la directriz conservadora de 10x:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

Usando la directriz mínima absoluta de 6x:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Si esta misma región flexible de 11 mil se utilizara en una aplicación dinámica que requiera una larga vida en ciclos, el radio de curvatura tendría que aumentar aproximadamente a:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Esto ilustra lo rápido que crece la envolvente mecánica cuando una región flexible debe soportar flexiones repetidas. Pesos de cobre más bajos (media onza o un tercio de onza), cobre laminado recocido y laminados sin adhesivo ayudan a mejorar la vida útil frente a la flexión, pero no eliminan la necesidad de respetar la restricción del radio de curvatura.

Estos límites de flexión crean una relación directa entre el apilamiento de la PCB rígido-flex y el diseño mecánico de la carcasa. Si la geometría de la carcasa se define primero, el espacio disponible para que la cinta flexible se doble determina el espesor máximo de la zona flexible y el radio mínimo de curvatura que el diseñador de PCB puede utilizar. A la inversa, si el apilamiento se define primero en función de requisitos eléctricos como el número de capas, la impedancia o el peso del cobre, el espesor flexible resultante impone un radio mínimo de curvatura que el diseñador mecánico debe contemplar en la carcasa.

En la práctica, esto significa que el apilamiento de la PCB y la geometría de la carcasa deben desarrollarse de forma conjunta. Una región flexible de cuatro capas que cumple los requisitos eléctricos puede ser demasiado gruesa para doblarse dentro del volumen disponible de la carcasa, lo que obliga a un compromiso entre número de capas, peso del cobre y holgura mecánica. La colaboración temprana entre los equipos de diseño eléctrico y mecánico, idealmente mediante herramientas sincronizadas de colaboración ECAD-MCAD, evita conflictos en etapas avanzadas en los que la cinta flexible físicamente no puede encajar en la carcasa sin violar sus límites de radio de curvatura.

Pruebas mecánicas y de fiabilidad en una PCB rígido-flex

Una vez definidas las restricciones mecánicas, a menudo se exigen pruebas típicas de fiabilidad para el diseño o para el producto en su conjunto. Entonces puede surgir la cuestión de cómo validar mecánicamente el diseño rígido-flex.

El software EDA no proporciona este tipo de validación de forma directa. Sin embargo, hay dos maneras de hacerlo:

• Pruebas físicas: el ensamblaje puede someterse a pruebas de vibración, pruebas ambientales, etc., para verificar la fiabilidad de la PCB y del ensamblaje
• Simulación: pueden utilizarse simulaciones mecánicas para comprender el comportamiento del ensamblaje bajo vibración, choque mecánico u otras condiciones extremas

En la parte de simulación, es posible llevar diseños rígido-flex a software MCAD sin depender del intercambio de archivos. El software MCAD comercial puede proporcionar simulaciones de vibración, tensión/deformación y ensamblaje sobre diseños rígido-flex creados en Altium Develop. Mediante la función avanzada MCAD CoDesigner, los usuarios pueden crear un gemelo digital de su diseño eléctrico dentro de software MCAD comercial. Un diseñador mecánico puede entonces utilizarlo para crear una carcasa, comprobar interferencias e incluso colocar componentes principales o definir restricciones mecánicas del rígido-flex.

La función avanzada MCAD CoDesigner permite a los usuarios de Altium portar instantáneamente el diseño de su PCB rígido-flex a aplicaciones MCAD populares.

Cómo incluir restricciones mecánicas

Las restricciones mecánicas en diseños rígido-flex suelen implicar la colocación bloqueada de componentes específicos y el uso de keepouts. A veces, los keepouts se basan en la altura de los componentes para que no haya interferencias en un ensamblaje. En el software de diseño de PCB, estos se definen mediante reglas de diseño y definiciones de keepout dibujadas directamente en el diseño de la PCB.

Definición de reglas de diseño para restricciones mecánicas

Altium Designer proporciona un sistema de reglas de diseño basado en restricciones que permite aplicar requisitos mecánicos directamente durante el diseño. Las reglas de separación, las reglas de colocación y las restricciones específicas por región pueden aplicarse a regiones concretas de la placa, apilamientos de capas o clases de componentes, lo que las hace muy adecuadas para diseños rígido-flex donde distintas zonas de la placa tienen requisitos mecánicos fundamentalmente diferentes. Los siguientes pasos describen cómo configurar reglas de diseño que respalden la definición de restricciones mecánicas en un diseño rígido-flex.

• Los flujos de trabajo de diseño abarcan desde interfaces de hoja de cálculo centradas en objetos hasta motores clásicos de reglas basados en consultas para una definición flexible del alcance.
• La aplicación de requisitos mecánicos como separación y restricciones de estilo de región se logra mediante DRC automatizado y construcciones Room.
• La optimización de la integridad de señal implica una terminación precisa, control de impedancia basado en el apilamiento y evaluación de pérdidas del canal mediante diagramas de ojo y respuestas al impulso.
• La gestión centralizada de bibliotecas reduce el riesgo de diseño al facilitar la reutilización de símbolos validados, footprints y bloques de circuito probados.
• La preparación para fabricación depende de la comunicación temprana con los fabricantes sobre disponibilidad de materiales, pesos de cobre y relaciones de aspecto de las vías.
• Los sistemas integrados PLM y MRP mejoran la trazabilidad y la visibilidad de la cadena de suministro, ayudando a los equipos a gestionar ciclos de vida de producto complejos y la volatilidad en las compras.

Uso de keepouts en el diseño de la PCB

Las regiones keepout en un diseño de PCB definen áreas donde se prohíben objetos específicos como pistas, vías, componentes o vertidos de cobre. En los diseños rígido-flex, los keepouts cumplen una función estructural más allá de la aplicación estándar de separaciones: evitan que se coloquen cobre y componentes en zonas de curvatura, regiones de pliegue o áreas que deben permanecer despejadas para el ajuste dentro de la carcasa. Los keepouts pueden dibujarse en capas específicas o aplicarse como restricciones multicapa, y se verifican frente a las reglas de diseño activas durante el DRC. Los siguientes pasos describen cómo definir y aplicar regiones keepout en Altium Designer para un diseño rígido-flex.

• Definir alcance: Determine si el keepout se aplica a todas las capas de señal (usando la capa Keepout) o a una sola capa de cobre específica.
• Definir la geometría: Coloque una región de Keepout sobre el área rígida o flexible donde se deba impedir el enrutamiento y la colocación.
• Establecer restricciones: Configure las restricciones en el panel Propiedades para bloquear tipos de objetos específicos (por ejemplo, vías, pistas, pads) dentro de la región definida.
• Verificación: Confirme que las funciones de enrutamiento y colocación automáticos estén bloqueadas de acuerdo con las reglas, evitando violaciones de diseño en las áreas protegidas.

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