Pensando en los rígido-flexibles – Parte 1

Cada vez más diseñadores están enfrentando la necesidad de reducir el tamaño y costo de los productos que diseñan, aumentando a su vez la densidad y simplificando el ensamblaje. Los circuitos rígido-flexibles (aquellos que incorporan porciones flexibles entre secciones rígidas) se están volviendo en una solución más común. Este blog es el comienzo de una corta serie que discute los materiales, la fabricación, y los métodos de diseño para utilizar la tecnología rígido-flexible.  

Como el título de este blog sugiere, recientemente he estado pensando mucho sobre las placas de circuito rígido-flexibles. El rígido-flexible puede tener muchos beneficios, y muchos diseñadores que anteriormente no tenían que considerarlo están, por lo menos, haciéndolo hoy en día. Parece que un número mayor de diseñadores están enfrentando un aumento de presión para construir electrónica cada vez más densamente poblada, y con eso también viene la presión para reducir costos y tiempo de fabricación. Bueno, esto, de hecho, no es nada nuevo. Es sólo que el ámbito de ingenieros y diseñadores que deben responder a estas presiones es cada vez más amplio.

Pero existen aspectos del rígido-flexible que pueden ser baches en la ruta para los recién llegados a esta tecnología. Por lo tanto, es prudente entender cómo son realmente elaborados los circuitos flexibles y las placas rígido-flexibles. Desde ese punto podemos examinar los problemas de diseño y buscar un camino sin obstáculos para seguir adelante. Por el momento, debemos considerar cuáles materiales básicos comprenden estas placas.  

Materiales de circuitos flexibles

Películas de sustrato y capa de protección (coverlay, en inglés)

Comience con pensar en una placa de circuito impreso rígida, común – el material base es típicamente de fibra de vidrio y una resina de epoxi. Es en realidad una tela, y aunque las denominamos “rígidas”, si toma una sola capa laminada, tienen una cantidad razonable de elasticidad. Es el epoxi curado que hace más rígida la placa. Esta no es lo suficientemente flexible para muchas aplicaciones, pero son adecuadas para ensamblajes simples en las cuales no va a haber movimiento constante.

 

Para la mayoría de las aplicaciones, se requiere un plástico más flexible que la red normal de resina epoxi. La opción más común es la poliimida, porque es muy flexible, muy dura (no se puede rasgar o visiblemente estirar a mano, lo que la hace tolerante en el ensamblaje de productos) y es también increíblemente termoresistente. Esto la hace altamente tolerante de múltiples ciclos de reflujo y razonablemente estable en expansión y contracción debido a fluctuaciones de temperatura.

El poliéster (PET) es otro material de circuitos flexibles comúnmente utilizado, pero no es tolerante de altas temperaturas y es menos dimensionalmente sano que las películas de poliimida (PI). Lo he visto utilizado en la electrónica de muy bajo costo en la cual la parte flexible tenía conductores impresos (en los cuales el PET no podía tolerar el calor de la laminación), y no hace falta decir que nada estaba soldado al material – más bien, se logró el contacto mediante una presión bruta. Me parece que la pantalla en este producto en particular (un radio reloj) nunca funcionó muy bien debido a la baja calidad de la conexión del circuito flexible. Entonces, para el rígido-flexible, debemos asumir que nos quedamos con la película PI (otros materiales se encuentran disponibles, pero no son utilizados con frecuencia).

Las películas PI y PET, al igual que los núcleos de epoxi delgado y de fibra de vidrio, forman sustratos comunes para los circuitos flexibles. Los circuitos deben utilizar entonces películas adicionales (generalmente PI o PET, a veces una tinta de máscara de soldadura flexible) para la capa de protección. La capa de protección aísla los conductores de la superficie exterior y protege contra la corrosión y el daño, al igual que la máscara de soldadura lo hace sobre la placa rígida. El grosor de las películas PI y PET van desde 1/3 mil a 3 mils, siendo típico el de 1 o 2 mils. Los sustratos de fibra de vidrio y epoxi son prudentemente más gruesos, con un rango de 2 mils a 4 mils.

Conductores

Mientras que la electrónica barata mencionada previamente puede utilizar conductores impresos – normalmente algún tipo de película de carbón y una tinta a base de plata – el cobre es el conductor preferido más típico. De acuerdo con la aplicación, se deben considerar distintas formas de cobre. Si usted está simplemente utilizando la parte flexible del circuito para reducir el tiempo de fabricación y los costos mediante la eliminación del cableado y los conectores, entonces es adecuado la lámina de cobre de costumbre (electrodepositado, o ED) para utilización de placas rígidas. Esta también puede ser utilizada donde se desea tener mayores pesos de cobre para mantener a un ancho mínimo viable los conductores que cargan una corriente alta, como los inductores planares.

Pero el cobre también es infame por endurecerse durante la labor y fatigarse. Si su aplicación final involucra un pliegue repetido o movimiento del circuito flexible, debe considerar las hojas recocidas laminadas (RA). Obviamente, el paso adicional de recocer la hoja aumenta considerablemente el costo. Pero el cobre recocido se puede estirar más antes que ocurra un agrietamiento por fatiga, y es más elástico en la dirección de deflexión Z – exactamente lo que usted desea para un circuito flexible que se estará doblando o enrollando con frecuencia. Esto es porque el proceso de laminado recocido estira la estructura del grano en la dirección planar.  

Figura 2: Ilustración exagerada del proceso de recocido, obviamente no a escala. La hoja de cobre pasa entre dos rodillos de alta presión que estiran la estructura del grano en una orientación planar, lo que hace que el cobre sea mucho más flexible y elástico en la deflexión Z.

Ejemplos de tal aplicación serian las conexiones de pórtico al cabezal del ruteador de control numérico computarizado (CNC, por sus siglas en inglés), o la captación de láser para una unidad

Figura 3: Circuito flexible utilizado para vincular la captación de laser al ensamblaje de la placa principal en un mecanismo Blu-Ray. Note que la placa de circuito impreso en el cabezal del láser tiene la porción flexible doblada en ángulo recto, y se ha agregado una perla de adhesivo para robustecer el circuito flexible en el empalme.

Adhesivos

Tradicionalmente, se requiere de adhesivos para unir la hoja de cobre a la película PI (u otras películas) porque, a diferencia de una placa rígida típica de FR-4, existe menos “diente” o agarre en el cobre recocido, y la calefacción y presión no son suficientes para formar una unión fiable por su propia cuenta. Los fabricantes como DuPont ofrecen películas recubiertas de cobre de una y doble cara, previamente laminadas, para el atacado de circuitos flexibles, utilizando adhesivos con una base acrílica o de epoxi con un grosor típico de ½ y 1 mil. Los adhesivos son desarrollados especialmente para la flexibilidad.

Se están volviendo más predominantes los laminados “sin adhesivo” debido a los procesos novedosos que involucran el recubrimiento de cobre o deposición directa sobre la película PI. Estas películas son seleccionadas cuando se requieren de pasos más finos y vías más pequeñas, como en el caso de circuitos de interconectores de alta densidad (HDI, por sus siglas en inglés).

Las siliconas, los pegamentos termofusibles y las resinas de epoxi también son utilizados cuando se agregan perlas protectoras a los interfaces o empalmes de flexible a rígido (es decir, donde la parte flexible de la pila de capas deja la parte rígida). Estos ofrecen un refuerzo mecánico al fulcro de la unión flexible a rígido que de otra manera se puede rápidamente fatigar y agrietar o romper con el uso repetido. Un ejemplo de ésto se muestra anteriormente en la Figura 3.

Figura 4: Apilamiento típico de un circuito flexible monocapa

Resumen

Es importante ser consciente de los materiales utilizados en los circuitos flexibles y rígido-flexibles. Aunque usted puede generalmente permitir que el fabricante tenga la libertad de seleccionar los materiales basados en su aplicación, la ignorancia no le protegerá de las fallas del producto final en el campo. Un buen recurso que contiene mucho más detalle que mi breve introducción aquí expuesta es Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6th Ed. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

El conocer las propiedades del material también ayudará en el diseño mecánico, la evaluación y la prueba de su producto. Si, por ejemplo, usted está trabajando en productos automovilísticos, el calor, la humedad, los productos químicos, los choques y las vibraciones – todos estos deben ser modelados con las propiedades de materiales precisas para determinar la fiabilidad del producto y el mínimo permisible del radio de flexión. La ironía yace en que los requerimientos de conducir que le causa seleccionar los flexibles y rígido-flexibles son frecuentemente vinculados a los entornos inclementes. Por ejemplo, los dispositivos personales de bajo costo son frecuentemente sujetos a vibraciones, caídas, sudor y peor.

En la próxima publicación de este blog, examinaremos los pasos de fabricación en los circuitos rígido-flexibles, que llevarán a un mejor entendimiento de las consideraciones de diseño, que serán exploradas en una publicación subsiguiente.        

Acerca del autor

Ben Jordan

Ben is a Computer Systems and PCB Engineer with over 20 years of experience in embedded systems, FPGA, and PCB design. He is an avid tinkerer and is passionate about the creation of electronic devices of all kinds. Ben holds a Bachelor of Engineering (CompSysEng) with First Class Honors from the University of Southern Queensland and is currently Director of Community Tools and Content.

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