Proceso de producción y fabricación de PCB rígido-flexibles

Si pensabas que el proceso de fabricación de placas de circuito impreso rígidas era complicado, la fabricación de placas flexibles te parecerá sin duda que se encuentra en otro nivel de complejidad. Sin embargo, muchos de los mismos pasos utilizados en la fabricación de placas rígidas estándar son conceptualmente transferibles a la fabricación de PCB flexibles. Esta guía te aporta una visión general de todos los pasos necesarios en el proceso de fabricación de PCB rígido-flexibles. Estos procesos son muy similares a los de fabricación de PCB rígidas, pero implican diferentes conjuntos de materiales, tal como ya hemos comentado en una guía anterior.

Construcciones de PCB flexibles o rígido flexibles 

A primera vista, una placa de PCB flexible o rígido-flexible típica parece cosa fácil. Sin embargo, su naturaleza requiere de varios pasos adicionales en el proceso de preparación. Cualquier placa rígido-flexible empieza siempre por las capas flexibles simples o de doble cara. El fabricante puede empezar con una capa flexible prelaminada o con una película de PI sin recubrimiento y, a continuación, laminar o chapar el cobre para la fijación inicial. El laminado de la película requiere una capa fina de adhesivo, mientras que el revestimiento sin adhesivo requiere de una capa "seminal" (o "seed layer") de cobre. Esta capa seminal se aplica inicialmente utilizando técnicas de deposición de vapor (por ejemplo, la pulverización catódica) y proporciona la base sobre la cual se depositará el cobre químicamente. Este circuito impreso flexible de una o dos caras se perfora, se reviste y se graba siguiendo los mismos pasos que los núcleos comunes de dos caras de las placas rígidas.

Pasos de la fabricación de PCB flexible

Los pasos siguientes muestran la creación de un circuito flexible de doble cara típico.

Paso 1: Aplicación del adhesivo/revestimiento de la capa seminal

Se aplica un adhesivo epoxídico o acrílico, o se utiliza un chisporroteo para crear una fina capa de cobre para una llave de chapado.

Paso 2: Adición de lámina de cobre

Se aplica la lámina de cobre, ya sea por laminación sobre el adhesivo (el enfoque más convencional) o por recubrimiento químico en la capa seminal. Los nuevos procesos de fabricación utilizados por los proveedores de materiales permiten la laminación de cobre laminado recocido sin necesidad de adhesivo como alternativa.

Paso 3: Perforación

Los orificios de las vías y de las almohadillas se suelen perforar mecánicamente. Se pueden taladrar simultáneamente varios sustratos flexibles chapados combinándolos desde varias bobinas en tambores, taladrando entre placas de trabajo y, finalmente, enrollándolos en bobinas separadas al otro lado de la máquina perforadora. Los paneles flexibles precortados pueden combinarse y perforarse entre chapas rígidas de la misma forma en que se perforan también los núcleos rígidos, aunque esto requiere un ajuste más cuidadoso y la precisión de la alineación se reduce. Para agujeros extremadamente pequeños, se puede utilizar la perforación por láser, si bien con un coste mucho mayor, ya que cada lámina se debe horadar por separado. En ese caso, vale la pena utilizar láseres Excimer (ultravioleta) o YAG (infrarrojos) para una mayor precisión (microvías) y láseres de CO₂ para orificios medios (más de 4 mils). Los agujeros grandes y los recortes se troquelan, pero esto ya es otro paso del proceso.

Paso 4: Chapado de los agujeros pasantes

Una vez que se han hecho los orificios, el cobre se deposita y se chapa químicamente igual que se hace con los centros de las PCB rígidas (comúnmente denominados "cuposit"). Se recomienda que el chapado de los agujeros pasantes en los circuitos flexibles tenga al menos 1 mil de grosor a fin de añadir soporte mecánico a la almohadilla o a la vía, mientras que una PCB rígida típica de bajo coste puede tener tan solo medio mil de cuposit.

Paso 5: Impresión resistente al grabado

Se recubre la superficie de la lámina con una capa fotosensible resistente al grabado y se utiliza el patrón de máscara deseado para exponer y revelar esta capa antes del grabado químico del cobre.

Etapa 6: Grabado y despegado

Después de que el cobre expuesto se graba, se retira químicamente la resistencia al grabado del circuito impreso flexible.

Paso 7: Revestimiento o capa de cobertura

Las áreas superiores e inferiores del circuito flexible están protegidas por capas de revestimiento (o "coverlay") hechas a medida. Puede haber componentes montados en secciones del circuito impreso flexible, en cuyo caso el revestimiento también actúa como una máscara de soldadura. El material de revestimiento más común es una película de poliimida adicional con adhesivo, aunque existen procesos sin adhesivo. En el proceso sin adhesivo, se utiliza una máscara de soldadura fotoimprimible (la misma que se utiliza en las secciones de placas rígidas), que básicamente imprime el revestimiento en el circuito flexible. Para diseños menos precisos y más económicos, la serigrafía también es una opción, con curado final de esta película de recubrimiento mediante exposición a rayos UV. Básicamente, la diferencia es que el revestimiento es una película laminada, mientras que el recubrimiento es una capa de material aplicado que luego debe curarse.

Paso 8: Recortar la parte flexible

El paso final para crear el circuito flexible consiste en cortarlo. Este proceso se conoce como "blanking" (troquelado). Un método rentable de troquelado a gran escala consiste en utilizar un conjunto de punzones y troqueles hidráulicos, lo que se traduce en unos costes de mecanizado bastante razonables. Este método permite perforar una gran cantidad de circuitos flexibles al mismo tiempo. Para los prototipos y las series de bajo volumen se utiliza un cuchillo de corte. El cuchillo de corte es básicamente una cuchilla muy larga con la forma del contorno del circuito impreso flexible fijada a una base de soporte (MDF, contrachapado o un material plástico grueso como el teflón). Los circuitos flexibles se troquelan presionándolos contra esta cuchilla.

Laminación y enrutado del circuito rigido-flexible

Si el circuito flexible va a formar parte de un stackup combinado rígido-flexible (que es el tema que nos ocupa), el proceso no se detiene ahí. Ahora tenemos un circuito flexible que debe ser laminado entre las secciones rígidas. Funciona igual que un par de capas de núcleo individuales perforadas, chapadas y grabadas, solo que sus capas son mucho más finas y flexibles debido a la ausencia de fibra de vidrio. Como se ha señalado anteriormente, sin embargo, se podría hacer una capa menos flexible con PI y fibra de vidrio, en función de la aplicación prevista. Debido a que se está laminando entre secciones rígidas, en última instancia también tendrá que enmarcarse en un panel que encaje con las secciones de los paneles de la placa rígida. Los circuitos flexibles que no se combinan con secciones rígidas se adhieren temporalmente a una placa de soporte rígida de MDF u otros materiales como el FR-4.

Cómo se combinan los paneles flexibles grabados, chapados, revestidos y troquelados con los paneles rígidos de epoxi con fibra de vidrio.

El circuito impreso flexible se lamina en el panel junto con el rígido y cualquier otra sección flexible mediante la aplicación de adhesivo, calor y presión. Las secciones flexibles múltiples no se laminan una al lado de la otra, a menos que estés diseñando una placa flexible multicapa. Por lo general, esto significa que cada sección flexible tiene un máximo de dos capas de cobre a fin de mantener la flexibilidad. Estas secciones flexibles están separadas por preimpregnados rígidos y núcleos o láminas de unión PI con adhesivos epoxídicos o acrílicos.

Esencialmente, cada panel rígido se recorta por separado en las zonas donde se va a permitir que la parte flexible cumpla con su cometido y se pueda doblar. Aquí tienes un ejemplo de proceso de laminado en una placa rígido-flexible con dos circuitos flexibles de dos capas incrustados entre tres secciones rígidas. La pila de capas tendría el aspecto que se muestra a continuación.

Nota: Muchos diseñadores evitan el uso de adhesivos debido a la inaceptable expansión del eje Z durante la soldadura por reflujo.

Diagrama de apilamiento detallado, que incluye los agujeros pasantes chapados de cada sección flexible, así como los orificios pasantes finales de la sección rígida.

En el ejemplo de apilado de capas mostrado anteriormente, tenemos dos circuitos flexibles pregrabados y cortados, cada uno de ellos de doble cara y chapados. El circuito flexible se ha troquelado en un panel de montaje final que incluye bordes para el enmarcado, lo que mantendrá el circuito flexible en posición plana durante el montaje final tras la laminación con las secciones del panel rígido. No cabe duda de que el ensambla montaje inadecuado de los elementos flexibles de los circuitos y de las secciones abiertas de gran tamaño entraña algunos riesgos potenciales, especialmente por el calor del horno de reflujo.

Aunque este ejemplo muestra capas adhesivas, es importante tener en cuenta que muchos diseñadores tratan de evitar el uso de adhesivos, debido a la inaceptable expansión en el eje Z en el reflujo. Sin embargo, el preimpregnado FR-4 y los epoxis termoestables consiguen el resultado deseado de manera eficaz y, a todos los efectos, los trataremos como capas "adhesivas". Se puede lograr una adhesión adicional mediante el tratamiento del cobre en las capas flexibles para mejorar el "dentado" en los preimpregnados laminados. Aquí se muestran laminados flexibles de doble cara sin adhesión. Se trata de una película enteramente de poliimida con un revestimiento de poliimida adherible al que se fija la lámina de cobre. DuPont^™ Pyralux^® y Rogers Corp. R/Flex^® son ejemplos de laminados sin adhesivo muy conocidos.

También aplicaremos el revestimiento, a modo de pegatinas laminadas con adhesivo, o por un proceso de fotoimpresión, como se ha mencionado anteriormente. Una vez que los paneles flexibles y rígidos finales de este stackup de 6 capas se unen, se laminan con las capas finales de lámina de cobre más externas (superior e inferior). Finalmente, se hace otra perforación de extremo a extremo para los orificios pasantes chapados. Opcionalmente, también se pueden hacer vías ciegas perforadas con láser (de la parte superior a la primera flexión y de la inferior a la última flexión), lo que también aumenta el coste del diseño. Los orificios se chapan de extremo a extremo, así como las vías ciegas, si las hubiera, y se graban los patrones de cobre de la capa exterior final. Los pasos finales serán la impresión de la máscara para soldar superior e inferior, la serigrafía superior e inferior y el chapado con agentes conservantes (como, por ejemplo, ENIG) o la nivelación con aire caliente (HASL).

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