Pensando en los rígido-flexibles – Parte 2

¿Cómo son fabricadas las placas de circuitos flexibles y rígido-flexibles? En este blog, hablo sobre cómo los materiales son combinados, laminados y cortados para crear el producto final.

Los procesos de fabricación flexibles y rígido-flexibles

En mi blog previo, comencé nuestra discusión de placas de circuito impreso rígido-flexibles mediante la discusión de los materiales utilizados en fabricar estos bichitos flexibles. Como prometí, esta semana quiero discutir cómo estos materiales son combinados, laminados y cortados para crear el producto final. La próxima semana, consideraremos todos estos pasos y abordaremos los desafíos de diseño asociados con ellos.

Formación de los flexibles

A primera vista, una placa típica flexible o rígido-flexible parece bastante directa. Sin embargo, su naturaleza requiere varios pasos adicionales en el proceso de formación. El comienzo de cualquier placa rígido-flexible siempre es las capas de lado simple o doble. Como se mencionó la semana pasada, el fabricante puede comenzar con un flexible previamente laminado o con una película PI desnuda, y luego laminar o recubrir el cobre para realizar el revestimiento inicial. La laminación de la película requiere de una capa fina de adhesivo, mientras que el revestimiento sin adhesivo requiere una capa “semilla” de cobre. Esta capa semilla es sembrada inicialmente utilizando técnicas de deposición por vapor (es decir, chisporroteo o “sputtering”, en inglés), y brinda la clave sobre la cual se recubre el cobre depositado por medios químicos. Este circuito flexible de uno o dos lados es taladrado, recubierto y atacado en pasos bastante similares a los núcleos típicos de dos lados en las placas rígidas.

Pasos de fabricación de los flexibles

La animación GIF a continuación muestra los pasos para la creación de circuitos flexibles para un circuito flexible típico de doble lado.

Figura 1: Animación GIF que muestra el proceso de formación de un circuito flexible.

1. Se aplica el revestimiento adhesivo/semilla

Se aplica ya sea un adhesivo epoxi o acrílico, o se utiliza sputtering para crear una capa fina de cobre como una clave para el recubrimiento.

2. Se agrega la hoja de cobre

Ya sea mediante la laminación al adhesivo de hojas de cobre RA/ED (el método más convencional) o el metalizado químico sobre la capa semilla.  

3. El taladro

Los orificios a las vías y los pads son más frecuentemente taladrados mecánicamente. Múltiples sustratos flexibles recubiertos pueden ser taladrados de forma simultánea mediante su combinación desde múltiples bobinas, taladrando entre las mesas de trabajo, luego rodando a bobinas separadas al otro lado la máquina de taladro. Paneles flexibles previamente cortados pueden ser combinados y taladrados entre los estampados rígidos de la misma manera que son taladrados los núcleos rígidos, aunque requiere una registración más cuidadosa y es reducida la precisión del alineamiento. Para los orificios ultra pequeños, se encuentra disponible el taladro mediante láser, aunque es a un gran costo agregado porque cada película se debe taladrar por separado. Se utilizaría un láser Excimer (ultravioleta) o YAG (infrarrojo) para una precisión más alta (microvías), láseres de CO2 para orificios de talla mediana (4+ mils). Los orificios de talla grande y los cortes son perforados, pero este es un paso de proceso aparte.

4. Recubrimiento de los orificios de paso

Una vez creados los orificios, el cobre es depositado y recubiertos por medios químicos al igual que los núcleos de placas rígidas.

5. Etch-resist printing

Una sustancia fotosensible resistente al ataque es recubierta sobre las superficies de las películas, y el patrón de máscara deseado es utilizado para exponer y desarrollar la sustancia resistente antes de realizar el atacado químico del cobre.

6. Atacado y decapado

Luego que es atacado el cobre expuesto, la sustancia resistente al atacado es decapada del circuito flexible por medios químicos.

7. Capa de protección (“coverlay” en inglés)

Las áreas superiores e inferiores del circuito flexible son protegidos por una capa de protección que es cortada a la forma deseada. Pueden existir componentes montados sobre las secciones del circuito flexible, en cuyo caso la capa de protección también actúa como una máscara de soldadura. El material más común para la capa de protección es una película de poliimida adicional con adhesivo, aunque se encuentran disponibles los procesos sin adhesivo. En los procesos sin adhesivo, se utiliza la máscara de soldadura fotosensible (la misma que se utiliza sobre las secciones de placa rígida), esencialmente imprimiendo la capa de protección sobre el circuito flexible. La serigrafía también es una opción para los diseños menos finos y más baratos, con una curación final mediante la exposición a los rayos UV.

Figura 2: Un ejemplo de un circuito flexible con capa de protección – note que las aperturas en la capa de protección son generalmente más pequeñas que los pads del componente

Es importante tomar nota que la capa de protección es típicamente colocada sólo sobre las partes del circuito flexible que serán expuestas a la final. Para las placas rígido-flexibles, esto significa que la capa de protección no es colocada donde se encontrarán las secciones rígidas, aparte de una pequeña superposición – normalmente ½ a mm. La capa de protección puede ser incluida por toda la sección rígida, aunque hacer ésto afecta de manera adversa la adhesión y la estabilidad del eje Z de la placa rígida. Esta clase de capa de protección selectiva se refiere como “bikini” por los fabricantes de placas que utilizan este proceso, porque sólo cubre lo esencial. Además, los cortes para los pads de conexión o componentes en la capa de protección dejan por lo menos dos lados del pad para anclarse por debajo. Vamos a reexaminar ésto en el próximo blog.  

8. Recortar el flexible

El último paso en crear el circuito flexible es recortarlo. Esto a menudo se refiere como “estampar”. El método para hacer el estampado rentable de alto volumen es mediante el uso de un troquel hidráulico, que implica costos de mecanizado razonablemente altos. Sin embargo, este método permite la perforación de muchos circuitos flexibles de manera simultánea. Para las operaciones de prototipos y de bajo volumen, se utiliza un cortador. El cortador es básicamente una navaja bastante larga, doblada a la forma del rebozo del circuito flexible y fijada dentro de una ranura ruteada en un respaldo (MDF, madera contrachapada, o un plástico grueso como el teflón). Los circuitos flexibles luego son prensados dentro del cortador para ser recortados. Para operaciones aún más pequeñas de prototipos, es posible utilizar los cortadores X/Y (similar a los que son utilizados para crear letreros de vinil).

Laminación y Ruteo

Si el circuito flexible está destinado a formar parte de un apilamiento combinado rígido-flexible (que es el que nos interesa), el proceso no se detiene en ese punto. Ahora tenemos un circuito flexible que debe ser laminado entre las secciones rígidas. Esto es lo mismo que una pareja individual de capa núcleo que ha sido taladrada, recubierta y atacada, sólo mucho más delgado y flexible debido a la falta de fibra de vidrio. Empero, como fue notado previamente, se puede elaborar una capa menos flexible con PI y vidrio, según la aplicación de destino. Como esto se lamina con secciones rígidas, a la final debe ser enmarcado en un panel que también empate con las secciones de los paneles de la placa rígida.

Apilamientos laminados

El circuito flexible es laminado dentro del panel al igual que cualquier otras secciones flexibles y rígidas, utilizando adhesivo, calefacción y presión. Múltiples secciones de flexión no son laminadas de manera adyacente. Esto significa generalmente que cada sección de flexión tiene un conteo máximo de 2 para la capa de cobre, para mantener la flexibilidad. Estas secciones de flexión son separadas por preimpregnados rígidos y núcleos u hojas de unión PI con adhesivos acrílicos o de epoxi.

Esencialmente, cada panel rígido es ruteado por separado en las áreas donde el flexible será permitido flexionar.

He aquí un proceso como ejemplo de laminar sobre una placa rígido-flexible, con dos circuitos flexibles de dos capas incrustados entre tres secciones rígidas. El apilamiento de capas se parecería a aquel mostrado en las figuras 3 y 4.


Figura 3: Cómo son combinados los paneles flexibles atacados, recubiertos, con capa de protección y estampados con los paneles rígidos de vidrio y epoxi.

Figura 4: Diagrama de apilamiento detallado que incluye orificios de paso recubiertos para cada sección flexible, al igual que los orificios de paso recubiertos finales en la sección rígida.

En el ejemplo de apilamiento mostrado en la figura 4, tenemos dos circuitos flexibles previamente atacados y cortados, cada uno de doble lado y recubierto. El circuito flexible ha sido estampado a un panel de ensamblaje final que incluye límites para el enmarcado – esto permitirá que el circuito flexible permanezca plano durante el ensamblaje final luego de la laminación con las secciones de paneles rígidos. Existen, por cierto, algunos posibles peligros con un apoyo inadecuado de las coyunturas de los circuitos flexibles y grandes secciones abiertas durante el ensamblaje – sobre todo en el calor de un horno de reflujo. Abordaré algunas de estas cuestiones al examinar los aspectos de diseño en la próxima publicación de mi blog.

También se aplica la capa de protección – como pegatinas laminadas con adhesivo, o por un proceso de impresión fotosensible, como se mencionó previamente. Una vez colocadas los paneles finales flexibles y rígidos en este apilamiento de 6 capas, son laminados con las capas exteriores (superior e inferior) de hojas de cobre. Luego, se realiza otro taladro para los orificios de paso recubiertos de superior a inferior. También se puede realizar, de manera opcional, las vías ciegas taladradas con láser (la superior hasta la primera flexión, la inferior hasta la última flexión), nuevamente agregando costo al diseño.

Los pasos finales son la impresión de la parte superior e inferior de la máscara de soldadura, la serigrafia superior e inferior y el recubrimiento de preservativo (como ENIG) o la nivelación de soldadura por aire caliente (HASL, en inglés).

Limitaciones físicas

Múltiples subapilamientos flexibles

Mientras que es posible elaborar prácticamente cualquier apilamiento con secciones rígidas y flexibles, puede volverse ridículamente costoso si no tiene cuidado en considerar los pasos de producción y las propiedades de los materiales involucrados. Un aspecto importante de los circuitos flexibles que debe recordar es la ocurrencia de los estreses dentro de los materiales conforme se dobla el circuito. Nuevamente, el cobre es conocido por endurecerse durante la labor y las fracturas a causa de fatiga eventualmente vendrán a pasar, con repetidos ciclos de flexión y radios estrechos. Una manera de mitigar esta ocurrencia es con sólo utilizar circuitos flexibles de una capa, en cuyo caso el cobre reside en el centro del radio medio de flexión y, por lo tanto, el sustrato de la película y la capa de protección se encuentran en la compresión y tensión más grande, como se muestra en la figura 5. Como la polilmida es bastante elástica, ésto no es un problema, y durará por más tiempo bajo un movimiento repetido que las capas múltiples de cobre.

Figura 5: Para los circuitos de flexión de alta repetición, es mejor utilizar cobre RA en una flexión de una sola capa para aumentar la resistencia a la fatiga (en ciclos antes de fallar) del cobre en el circuito.

En el mismo sentido, es a menudo necesario tener múltiples circuitos flexibles por separado, pero es mejor evitar tener flexiones en secciones de superposición donde el largo de las secciones flexibles limita el radio de flexión. ¡Ah! Me estoy adelantando – escribiré más sobre estas consideraciones de diseño la próxima semana...

 

Perlas adhesivas

Como mencioné la semana previa, existen momentos en los cuales debe considerar el uso de robustecedores en donde los circuitos flexibles salen de la placa rígida. El agregar una perla de epoxi, acrílico o termofusible puede ayudar a mejorar la longevidad del ensamblaje. Pero dispensar y curar estos líquidos puede agregar pasos laboriosos al proceso de producción.

Se puede utilizar una distribución automatizada de fluidos, pero debe tener mucho cuidado de colaborar con los ingenieros de ensamblaje para asegurar que no termina con pegotes de adhesivo goteando bajo el ensamblaje. En algunas instancias el adhesivo debe ser aplicado a mano, lo que aumenta tiempo y costo. De cualquier manera, usted debe proveer una documentación clara para el personal de fabricación y ensamblaje.

Rigidizadores y terminaciones

Las extremidades de los circuitos flexibles típicamente terminan en un conector, si no al ensamblaje de placa rígida principal. En estos casos, la terminación puede tener aplicado un rigidizador (más polilmida gruesa con adhesivo) o FR-4. Entonces, por lo general, también es conveniente dejar las extremidades del flexible incrustado dentro de las secciones rígido-flexibles.

El panel

El circuito rígido-flexible se mantiene en su panel para el proceso de ensamblaje, para que los componentes puedan ser colocados y soldados sobre las terminaciones rígidas. Algunos productos requieren que los componentes también se monten sobre el flexible en algunas áreas, en cuyo caso el panel debe ser construido con áreas rígidas adicionales para apoyar el flexible durante el ensamblaje. Estas áreas no son adheridas al flexible y son ruteadas con una mecha rebajadora de profundidad controlada (con pestañas perforadas de separación, llamadas “mouse bites” en inglés) y finalmente perforado a mano después del ensamblaje.

Figura 6: Ejemplo final de un panel rígido-flexible. Note que este tiene ruteados los bordes al frente y detrás de la placa y el circuito flexible. Los lados rígidos tienen ranuras en forma de V para poder desprenderlos más adelante. Esto ahorrará tiempo en el ensamblaje dentro de la estructura.

Conclusión

Nuevamente, este es una descripción general bastante ligera del proceso de fabricación para las placas rígido-flexibles. Pero brinda suficiente idea de lo que ocurre de tal forma que en el próximo blog podré discutir muchas de las consideraciones de diseño que afectan profundamente su producción y éxito.

 

Espero que ha disfrutado la lectura, pero a su vez, existe mucho que no he incluido. Por lo tanto, por favor deje comentarios y haga preguntas, y comparta las experiencias que ha tenido con el diseño de placas de circuito impreso rígido-flexibles. Espero con gusto tener noticias de todos ustedes. :)

 

Sobre el autor

About the Author

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.

More Content by Ben Jordan
Previous Article
Pensando en los rígido-flexibles – Parte 1
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 d...

Next Article
Prototipos PCB. Que tener en cuenta
Prototipos PCB. Que tener en cuenta

Todos nos hemos encontrado alguna vez con este afamado y odioso problema, y con esa reunión, previa al dise...