Reflexionando sobre el diseño de PCB Rígido-Flexible

Cada vez más diseñadores se enfrentan a la necesidad de reducir el tamaño y costo de los productos que diseñan, al mismo tiempo que aumentan la densidad y simplifican el ensamblaje. Circuitos rígido-flexibles (aquellos que incorporan porciones flexibles entre secciones rígidas separadas) se están convirtiendo en una solución más común. Este blog es el comienzo de una serie corta que discute los materiales, fabricación y métodos de diseño para usar la tecnología rígido-flexible.

Como sugiere el título de este blog, he estado pensando mucho últimamente sobre las placas de circuito Rígido-Flex. Rígido-Flex puede tener muchos beneficios, y muchos diseñadores al menos lo están considerando hoy en día cuando anteriormente no tenían que hacerlo. Parece que más diseñadores enfrentan presiones más altas para construir electrónicos cada vez más densamente poblados, y con eso también viene la presión para reducir costos y tiempo en la fabricación. Bueno, esto realmente no es nada nuevo, por supuesto. Es solo que el alcance de los ingenieros y diseñadores que tienen que responder a estas presiones se está ampliando continuamente.

Pero hay aspectos de los circuitos rígido-flexibles que podrían ser obstáculos en el camino para los recién llegados a la tecnología. Por lo tanto, es prudente primero entender cómo se fabrican realmente los circuitos flexibles y las placas rígido-flexibles. A partir de ahí, podemos observar los problemas de diseño y encontrar un camino claro a seguir. Por ahora, consideremos qué materiales básicos componen estas placas.

Materiales para Circuitos Flexibles

Substrato y Películas de Cubierta

Comience pensando en una PCB rígida normal: el material base es típicamente fibra de vidrio y resina epoxi. En realidad, es una tela, y aunque las llamamos “rígidas”, si tomas una sola capa de laminado, tienen una cantidad razonable de elasticidad. Es la resina epoxi curada la que hace que la placa sea más rígida. Sin embargo, esto no es lo suficientemente flexible para muchas aplicaciones, aunque para ensamblajes simples donde no va a haber movimiento constante, es adecuado.

• Aprenda más sobre los materiales de los circuitos flexibles

Para la mayoría de las aplicaciones, se necesita un plástico más flexible que la resina epoxi de red habitual. La elección más común es el poliimida, porque es muy flexible, muy resistente (no se puede rasgar o estirar notablemente con la mano, lo que lo hace tolerante en el ensamblaje de productos), y también increíblemente resistente al calor. Esto lo hace altamente tolerante a múltiples ciclos de reflujado y razonablemente estable en expansión y contracción debido a fluctuaciones de temperatura.

El poliéster (PET) es otro material comúnmente utilizado en circuitos flexibles, pero no tolera altas temperaturas y es menos dimensionalmente estable que las películas de Poliimida (PI). He visto esto utilizado en electrónica de muy bajo costo donde la parte flexible tenía conductores impresos (donde el PET no podía manejar el calor de la laminación), y no hace falta decir que nada se soldó a ello - más bien, el contacto se hacía por presión bruta. Me parece recordar que la pantalla de este producto (un radio reloj) en cuestión nunca funcionó demasiado bien debido a la baja calidad de la conexión del circuito flexible. Así que para rígido-flexible asumiremos que nos estamos apegando a la película de PI. (Hay otros materiales disponibles pero no se usan a menudo).

Las películas de PI y PET, así como los núcleos delgados de epoxi y fibra de vidrio, forman sustratos comunes para circuitos flexibles. Los circuitos deben entonces usar películas adicionales (usualmente PI o PET, a veces tinta de máscara de soldadura flexible) para el recubrimiento. El recubrimiento aísla los conductores de la superficie exterior y los protege contra la corrosión y daños, de la misma manera que la máscara de soldadura lo hace en la placa rígida. Los espesores de las películas de PI y PET varían desde ⅓ de mil hasta 3 mils, siendo 1 o 2 mils lo típico. Los sustratos de fibra de vidrio y epoxi son sensiblemente más gruesos, variando de 2 mils a 4 mils.

Conductores

Mientras que la electrónica mencionada anteriormente de bajo costo puede usar conductores impresos - usualmente algún tipo de película de carbono o tinta basada en plata - el cobre es el conductor de elección más típico. Dependiendo de la aplicación diferentes formas de cobre deben ser consideradas. Si simplemente estás utilizando la parte flexible del circuito para reducir el tiempo y los costos de fabricación eliminando cables y conectores, entonces el laminado de lámina de cobre usual (electrodepositado, o ED) para uso en placas rígidas está bien. Esto también puede usarse donde se deseen pesos de cobre más pesados para mantener los conductores de alta corriente al mínimo ancho viable, como en inductores planares.

Pero el cobre también es infame por su endurecimiento por trabajo y fatiga. Si tu aplicación final involucra el plegado repetido o movimiento del circuito flexible, necesitas considerar láminas de cobre de alta calidad laminadas y recocidas (RA). Obviamente, el paso adicional de recocer la lámina aumenta considerablemente el costo. Pero el cobre recocido puede estirarse más antes de que ocurra la fatiga por fisuras, y es más elástico en la dirección de deflexión Z - exactamente lo que deseas para un circuito flexible que estará doblando o enrollándose todo el tiempo. Esto se debe a que el proceso de recocido por laminación alarga la estructura granular en la dirección planar.

Figura 2: Ilustración exagerada del proceso de recocido, obviamente no a escala. La lámina de cobre pasa entre rodillos de alta presión que alargan la estructura granular en una orientación planar, haciendo que el cobre sea mucho más flexible y elástico en la deflexión z.

Ejemplos de tal aplicación serían conexiones de pórtico a una cabeza de router CNC, o la captura láser para una unidad de Blu-Ray (como se muestra a continuación).

Figura 3: Circuito flexible utilizado para conectar la captura láser a la ensambladura principal en un mecanismo de Blu-Ray. Nota que el PCB en la cabeza láser tiene la porción flexible doblada en ángulos rectos, y se ha añadido una cuenta adhesiva para reforzar el circuito flexible en la unión.

Adhesivos

Tradicionalmente, se requieren adhesivos para unir el papel de cobre con películas de PI (u otras), porque a diferencia de una placa rígida FR-4 típica, hay menos "diente" en el cobre recocido, y el calor y la presión solos no son suficientes para formar un enlace confiable. Fabricantes como DuPont ofrecen películas de cobre laminadas previamente, de un solo lado y de doble lado, para el grabado de circuitos flexibles, utilizando adhesivos a base de acrílico o epoxi con espesores típicos de ½ y 1 mil. Los adhesivos están especialmente desarrollados para la flexibilidad.

Los laminados "sin adhesivo" se están volviendo más prevalentes debido a nuevos procesos que involucran la deposición o el chapado de cobre directamente sobre la película de PI. Estas películas se eligen cuando se necesitan pasos más finos y vías más pequeñas como en los circuitos HDI.

Los silicones, los pegamentos termofusibles y las resinas epoxi también se utilizan cuando se añaden cuentas protectoras a las uniones o interfaces flexibles a rígidas (es decir, donde la parte flexible del conjunto de capas deja la parte rígida). Estos ofrecen refuerzo mecánico al fulcro de la unión flexible a rígida que de otro modo se fatigaría rápidamente y se agrietaría o rompería en un uso repetido. Un ejemplo de esto se muestra en la Figura 3 arriba.

Figura 4: Apilamiento típico de un circuito flexible de una sola capa.

Es importante estar consciente de los materiales utilizados en los circuitos flexibles y rígido-flexibles. Aunque generalmente puedas permitir al fabricante la libertad de seleccionar los materiales basándose en tu aplicación, la ignorancia no te protegerá de fallos en el campo del producto final. Un recurso realmente bueno que contiene mucho más detalle que mi breve introducción aquí es:

• Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6th Ed. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

Conocer las propiedades de los materiales también ayudará en el diseño mecánico, evaluación y prueba de tu producto. Si estás trabajando en productos automotrices, por ejemplo; el calor, la humedad, los químicos, los choques y las vibraciones - todos necesitan ser modelados con propiedades materiales precisas para determinar la fiabilidad del producto, y el radio mínimo de doblado permitido. La ironía es que las necesidades que te llevan a elegir flexibles y rígido-flexibles a menudo están vinculadas a ambientes hostiles. Por ejemplo, los dispositivos electrónicos personales de bajo costo a menudo están sujetos a vibraciones, caídas, sudor y peores.

Procesos de Fabricación Flex & Rígido-Flex

A primera vista, una placa flexible típica, o rígido-flexible, parece sencilla. Sin embargo, la naturaleza de estas requiere varios pasos adicionales en el proceso de construcción. El comienzo de cualquier placa rígido-flexible es siempre las capas flexibles de una o dos caras. Como se mencionó la semana pasada, el fabricante puede comenzar con flex pre-laminado o puede comenzar con película PI sin revestir, y luego laminar o platear el cobre para el revestimiento inicial. Laminar la película requiere una capa delgada de adhesivo, mientras que el revestimiento sin adhesivo requiere una capa "semilla" de cobre. Esta capa semilla se planta inicialmente utilizando técnicas de deposición de vapor (es decir, pulverización catódica), y proporciona la clave sobre la cual se platea el cobre depositado químicamente. Este circuito flex de una o dos caras se perfora, se platea a través, y se graba en pasos muy similares a los núcleos de 2 caras típicos en placas rígidas.

La animación GIF a continuación muestra los pasos de creación de la placa de circuito flex para un circuito flex de doble cara típico.

• Aprende más sobre la fabricación de PCB flex y rígido-flex

Figura 5: Animación GIF mostrando el proceso de construcción del circuito flex.

1. Aplicación de Revestimiento Adhesivo/Semilla

Se aplica un adhesivo epóxico o acrílico, o se utiliza el sputtering para crear una capa delgada de cobre como llave de galvanoplastia.

2. Adición de Lámina de Cobre

Ya sea mediante la laminación de lámina de cobre RA/ED al adhesivo (el enfoque más convencional) o la galvanoplastia química sobre la capa semilla.

3. Perforación

Los agujeros para vías y almohadillas se perforan más a menudo mecánicamente. Se pueden perforar simultáneamente múltiples sustratos flexibles enchapados combinándolos desde múltiples rollos, perforando entre placas de trabajo, y luego desenrollándolos para separarlos en rollos al otro lado de la máquina de perforación. Los paneles flex pre-cortados pueden combinarse y perforarse entre bloques rígidos de la misma manera que se perforan los núcleos rígidos, aunque esto requiere un registro más cuidadoso y la precisión de alineación se reduce. Para agujeros ultra pequeños, está disponible la perforación láser, aunque con un costo mucho mayor porque cada película tiene que ser perforada por separado. Esto utilizaría láseres Excimer (ultravioleta) o YAG (Infrarrojo) para mayor precisión (microvías), láseres de CO2 para agujeros medianos (4+ mils). Los agujeros grandes y recortes se perforan, pero este es un paso de proceso separado.

4. Chapado de Agujeros Pasantes

Una vez realizados los agujeros, se deposita cobre y se platea químicamente de la misma manera que en los núcleos de placas rígidas.

5. Impresión de Resistencia al Grabado

Se recubre la superficie de la película con resistencia al grabado fotosensible, y se utiliza el patrón de máscara deseado para exponer y desarrollar la resistencia antes del grabado químico del cobre.

6. Grabado y Desmontaje

Después de grabar el cobre expuesto, la resistencia al grabado se elimina químicamente del circuito flexible.

7. Cubierta Protectora

Las áreas superior e inferior del circuito flexible están protegidas por una cubierta protectora que se corta a medida. Puede haber componentes montados realmente en secciones del circuito flexible, en cuyo caso la cubierta protectora también actúa como una máscara de parada de soldadura. El material de cubierta protectora más común es una película adicional de poliimida con adhesivo, aunque están disponibles procesos sin adhesivo. En el proceso sin adhesivo, se utiliza una máscara de soldadura fotoimagenable (la misma que se usa en secciones de placas rígidas), imprimiendo esencialmente la cubierta protectora sobre el circuito flexible. Para diseños más económicos y menos precisos, la serigrafía también es una opción con curado final por exposición a UV.

Figura 6: Un ejemplo de circuito flexible con cubierta protectora - observe que las aberturas en la cubierta protectora son generalmente más pequeñas que las almohadillas de los componentes.

Una nota importante que hacer sobre el coverlay es que típicamente solo se coloca en partes del circuito flexible que finalmente van a estar expuestas. Para las placas rígido-flexibles, esto significa que el coverlay no se coloca donde estarán las secciones rígidas, aparte de un pequeño solapamiento - usualmente de aproximadamente ½ mm. El coverlay puede incluirse a lo largo de la sección rígida, aunque afecta negativamente la adherencia y la estabilidad en el eje z de la placa rígida al hacerlo. Este tipo de coverlay selectivo es referido como "coverlay bikini" por los fabricantes de placas que utilizan este proceso porque solo cubre lo esencial. Además, los recortes para los pads de componentes o conexiones en el coverlay dejan al menos dos lados del pad para anclar debajo de él. Volveremos a visitar esto en el próximo blog.

8. Cortando la Placa Flexible

El último paso en la creación del circuito flexible es cortarlo. Esto a menudo se denomina "troquelado". El enfoque rentable de alto volumen para el troquelado es mediante el uso de un conjunto de punzón y matriz hidráulicos, lo que implica costos de herramientas razonablemente altos. Sin embargo, este método permite troquelar muchos circuitos flexibles al mismo tiempo. Para prototipos y tiradas de bajo volumen, se utiliza un cuchillo de troquelado. El cuchillo de troquelado es básicamente una cuchilla larga, doblada en la forma del contorno del circuito flexible y fijada en una ranura fresada en una tabla de soporte (MDF, madera contrachapada o plástico grueso como el teflón). Luego, los circuitos flexibles se presionan contra el cuchillo de troquelado para ser cortados. Para tiradas de prototipos aún más pequeñas, se podrían usar cortadores X/Y (similares a los utilizados en la fabricación de letreros de vinilo).

Laminación y Enrutamiento

Si el circuito flexible va a formar parte de un apilado combinado rígido/flexible (que es lo que nos interesa), el proceso no se detiene ahí. Ahora tenemos un circuito flexible que necesita ser laminado entre las secciones rígidas. Esto es lo mismo que una capa central individual perforada, plateada y grabada, solo que mucho más delgada y flexible debido a la falta de fibra de vidrio. Como se mencionó anteriormente, aunque, una capa menos flexible podría hacerse con PI y vidrio dependiendo de la aplicación objetivo. Debido a que esto se va a laminar con secciones rígidas, finalmente tiene que estar enmarcado en un panel que se acople con las secciones del panel de la placa rígida también.

Apilados Laminados

El circuito flexible se lamina en el panel junto con las secciones rígidas y cualquier otra sección flexible, con adhesivo adicional, calor y presión. Varias secciones flexibles no se laminan adyacentes entre sí. Esto generalmente significa que cada sección flexible tiene un máximo de 2 capas de cobre, para que se mantenga la flexibilidad. Estas secciones flexibles están separadas por preimpregnados rígidos y núcleos o láminas de unión de PI con adhesivos epóxicos o acrílicos.

Esencialmente, cada panel rígido se corta por separado en las áreas donde se permitirá que el flex, bueno, flexione.

Aquí hay un ejemplo de proceso de laminación en una placa rígido-flexible, con dos circuitos flexibles de 2 capas incrustados entre tres secciones rígidas. La pila de capas se vería como la mostrada en las figuras 3 y 4.

Figura 7: Cómo los paneles flex grabados, plateados, con cubierta y recortados se combinan con los paneles rígidos de vidrio-epoxi.

Figura 8: Detalle de la pila de capas mostrando los agujeros pasantes plateados para cada sección flexible, así como los agujeros pasantes finales plateados en la sección rígida.

En la pila de capas mostrada en la Figura 8, tenemos dos circuitos flex pre-grabados y cortados, cada uno de doble cara y con pasantes plateados. El circuito flexible ha sido recortado en un panel de ensamblaje final incluyendo bordes para el enmarcado - esto mantendrá el circuito flexible plano durante el ensamblaje final después de la laminación con las secciones del panel rígido. Ciertamente, hay algunos riesgos potenciales con el soporte inadecuado de los codos del circuito flexible y grandes secciones abiertas durante el ensamblaje - especialmente en el calor de un horno de reflujo. Abordaré algunos de estos problemas al mirar los aspectos de diseño en mi próxima entrega del blog.

La cubierta también se aplica, como pegatinas laminadas con adhesivo o mediante un proceso de impresión fotográfica como se mencionó anteriormente. Una vez que los paneles flexibles y rígidos finales en este apilado de 6 capas se colocan juntos, se laminan con las capas finales de lámina de cobre más externas (superior e inferior). Luego, se realiza otra perforación para los agujeros pasantes de arriba hacia abajo. Opcionalmente, también se podrían hacer vías ciegas perforadas con láser (de arriba al primer flex, de abajo al último flex), añadiendo nuevamente gastos al diseño.

Los pasos finales son la impresión de la máscara de parada de soldadura superior e inferior, serigrafía superior e inferior y recubrimiento protector (como ENIG) o nivelación con aire caliente (HASL).

Múltiples Subapilados Flex

Si bien es posible construir casi cualquier configuración con secciones rígidas y flexibles, puede resultar ridículamente caro si no se tiene cuidado de considerar los pasos de producción y las propiedades de los materiales involucrados. Un aspecto importante de los circuitos flexibles a recordar es las tensiones dentro de los materiales que ocurren a medida que el circuito se dobla. Nuevamente, se sabe que el cobre se endurece por trabajo y eventualmente ocurrirán fracturas por fatiga, con ciclos de flexión repetidos y radios estrechos. Una manera de mitigar esto es usar solo circuitos flex de una sola capa, en cuyo caso el cobre reside en el centro del radio de curvatura mediano y, por lo tanto, el sustrato de película y la cubierta están en la mayor compresión y tensión, como se muestra en la Figura 9.

Debido a que el poliimida es muy elástico, esto no es un problema y durará mucho más bajo movimiento repetido que múltiples capas de cobre. Siguiendo la misma línea, a menudo es necesario tener múltiples circuitos flex separados, pero es mejor evitar tener dobleces en secciones superpuestas donde la longitud de las secciones flex limita el radio de curvatura.

• Aprende más sobre PCBs flex estáticos y dinámicos

Figura 9: Para circuitos de doblado altamente repetitivo, es mejor usar cobre RA en flex de una sola capa para aumentar la vida útil por fatiga (en ciclos antes del fallo) del cobre en el circuito.

Perlas Adhesivas

Como mencioné la semana pasada, hay momentos en los que necesitas considerar el uso de refuerzos donde el circuito flexible sale de la placa rígida. Agregar una perla de epoxi, acrílico o adhesivo termofusible ayudará a mejorar la longevidad del ensamblaje. Pero dispensar estos líquidos y curarlos puede añadir pasos laboriosos al proceso de producción.

La dispensación automática de fluidos puede utilizarse, pero necesitas tener mucho cuidado de colaborar con los ingenieros de ensamblaje para asegurarte de no terminar con montones de pegamento goteando bajo el ensamblaje. En algunos casos, el pegamento debe aplicarse a mano, lo que añade tiempo y costo. De cualquier manera, necesitas proporcionar documentación clara para el personal de fabricación y ensamblaje.

Refuerzos y Terminaciones

Los extremos extremos de los circuitos flexibles típicamente terminan en un conector si no es que en el ensamblaje principal de la placa rígida. En estos casos, la terminación puede tener un refuerzo aplicado (más PoliImida gruesa con adhesivo) o FR-4. Generalmente, entonces, es conveniente dejar los extremos del flex incrustados dentro de las secciones rígido-flexibles también.

• Aprende más sobre las terminaciones de PCB flexibles

El Panel

El circuito rígido-flexible permanece unido en su panel para el proceso de ensamblaje, de modo que los componentes pueden ser colocados y soldados en las terminaciones rígidas. Algunos productos requieren que los componentes también se monten en el flex en algunas áreas, en cuyo caso el panel debe ser ensamblado con áreas rígidas adicionales para soportar el flex durante el ensamblaje. Estas áreas no están adheridas al flex y se recortan con una fresa de profundidad controlada (con "mordiscos de ratón") y finalmente se perforan a mano después del ensamblaje.

Figura 10: Ejemplo de panel final Rígido-Flexible. Nota que este tiene bordes delanteros y traseros, y circuito flexible, recortados. Los lados rígidos tienen ranuras en V para ser desprendidos más tarde. Esto ahorrará tiempo en el ensamblaje dentro del recinto.

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