PCB rígido-flexible: ventajas y consejos prácticos

Con el nacimiento y desarrollo del FPC y el PCB, ha surgido un nuevo producto denominado placa rígido-flexible.

Qué es Rigid-Flex PCB？

Los tableros rígido-flexibles combinan sustratos de circuitos flexibles y sustratos de circuitos rígidos en una sola estructura laminada. Los PCB rígidos-flexibles traspasan los límites de los PCB rígidos tradicionales. También utilizan circuitos flexibles que se fabrican modelando cobre altamente dúctil, electrodepositado o recocido por laminación sobre películas aislantes flexibles. Los diseños rígido-flexibles presentan algunas características claras: alta densidad, trazados finos, vías pequeñas, tamaño reducido, peso ligero y alta fiabilidad. Su rendimiento se mantiene estable en condiciones de vibración, golpes y humedad. Se pueden doblar y permiten el montaje tridimensional. Aprovechan mejor el espacio dentro de un conjunto. Por estas razones, se utilizan mucho en productos digitales portátiles como teléfonos móviles, cámaras digitales y videocámaras. Las placas rígido-flexibles se utilizarán más cuando haya que reducir el tamaño de los paquetes, sobre todo en electrónica de consumo.

Al principio, las ideas básicas de diseño y los procesos de fabricación de las placas multicapa rígido-flexibles procedían de los equipos aeroespaciales. Los sistemas aeroespaciales necesitan un cableado fiable en un espacio muy limitado. En algunos productos complejos, las placas rígido-flexibles han llegado a utilizar más de 30 capas de conductores. Por otro lado, la electrónica de consumo, como teléfonos y cámaras digitales, siempre ha necesitado un cableado de alta densidad y bajo coste. Esa necesidad impulsó la aparición de nuevas ideas de diseño y métodos de fabricación.

Una placa multicapa rígida-flexible es básicamente una mezcla de placas rígidas y placas flexibles. Pero para que los fabricantes de placas las unan bien, necesitan buenos conocimientos de los procesos de PCB rígida y PCB flexible. Así que, antes de diseñar este tipo de PCB, hay que conocer claramente las capacidades y límites del fabricante.

Inconvenientes de los tableros rígido-flexibles

Si sólo compara “tablero flexible + placa rígida + conector” con una sola placa rígido-flexible, el principal inconveniente de las placas rígido-flexibles es el coste. Las placas rígido-flexibles suelen costar más. En algunos casos, la opción rígido-flexible puede costar casi el doble que las placas rígida y flexible por separado. Sin embargo, si se elimina de la comparación el coste del conector o de la soldadura HotBar, el precio puede aproximarse. Para ver la imagen real de los costes, hay que hacer un análisis de costes completo que cuente las piezas, los pasos de montaje y los procesos especiales.

Otro inconveniente es el montaje. El montaje SMT y el reflujo de componentes en placas rígido-flexibles pueden requerir soportes o accesorios para apoyar las áreas flexibles. El uso de soportes aumenta el coste del montaje SMT. Los soportes ayudan a mantener las partes flexibles planas y apoyadas durante el pick-and-place y el reflujo.

Ventajas de las planchas rígido-flexibles

Más allá del coste, los tableros rígido-flexibles tienen muchas ventajas. He aquí algunas de las principales ventajas:

1. Ahorra espacio en la placa y elimina la necesidad de conectores o procesos HotBar
   Como las partes flexible y rígida son una sola pieza, se puede eliminar un conector o una junta HotBar. Para diseños de alta densidad, perder el espacio de un conector es muy valioso. La eliminación de conectores también reduce el coste de las piezas y de la elaboración de HotBar. Además, el espacio entre dos placas puede ser mucho menor cuando no se necesita un conector.

2. Trayectorias de señal más cortas, mayor velocidad y mayor fiabilidad
   Con placas rígidas separadas unidas por conectores, una ruta de señal tiene el aspecto siguiente: placa → conector → flex → conector → placa. Con una placa rígida-flexible se convierte en: placa → flex → placa. El trayecto es más corto. Las señales cruzan menos materiales diferentes, por lo que pierden menos energía. En las placas rígidas estándar, las pistas son de cobre. Los conectores tienen contactos chapados en oro. Las patillas soldadas suelen ser de estaño o aleación de estaño. Los cambios de señal en cada interfaz de material provocan algunas pérdidas. Si se utiliza rígido-flexible, se reduce el número de interfaces. Esto favorece la integridad de la señal. Para los productos que necesitan señales precisas, las placas rígido-flexibles mejoran la fiabilidad.

3. Simplifique el montaje del producto y ahorre tiempo de montaje
   El uso de tableros rígido-flexibles puede reducir SMT y el tiempo de montaje final. Se colocan menos conectores. También se elimina el paso de montaje de insertar un flex en un conector o el paso de soldadura HotBar. Menos piezas significa una lista de materiales más corta. Esto reduce el inventario y el trabajo de gestión de piezas.

Diferencias entre la producción y el montaje de placas flexibles y rígido-flexibles

El proceso SMT principal es similar para todos los tipos de placas. Los circuitos flexibles, las placas rígidas-flexibles y las placas rígidas pasan por la colocación de componentes y la soldadura por reflujo que utiliza pasta de soldadura. Pero las placas flexibles y las rígido-flexibles tienen necesidades especiales. Si estas necesidades adicionales no se satisfacen cuidadosamente durante la producción, se producirán grandes problemas.

1. Impresión de pasta de soldadura

Al igual que en las placas de circuito impreso rígidas, se utiliza una plantilla y una impresora de pasta de soldadura para aplicar pasta de soldadura a las placas flexibles y rígidas-flexibles. Muchos operadores de SMT se preocupan por el control del tamaño y la fragilidad de las placas flexibles. A diferencia de las placas rígidas, las superficies de las placas flexibles no son planas. Por lo tanto, se necesitan fijaciones y orificios de alineación para mantenerlas en su sitio. Además, los materiales de los circuitos flexibles cambian de tamaño con la temperatura y la humedad. Pueden estirarse o arrugarse alrededor de 0,001 pulgadas por pulgada en algunas condiciones. Estos estiramientos y arrugas provocan desplazamientos en la posición de la placa en X e Y. Por este motivo, la colocación de circuitos flexibles suele necesitar soportes más pequeños o utillaje especial que la SMT de placa rígida.

2. Colocación de componentes SMT

Hoy en día, los componentes son cada vez más pequeños. Las piezas pequeñas pueden causar problemas de reflujo si la superficie de la placa no es plana. Si un circuito flexible es pequeño, los cambios dimensionales pueden ser menos problemáticos, pero es posible que siga necesitando soportes SMT más pequeños o marcas de referencia adicionales. Si un soporte no es plano, se producirán cambios en la colocación. Una buena fijación SMT ayuda a mantener la superficie de colocación plana y estable.

3. Soldadura reflow

Antes del reflujo, los circuitos flexibles deben secarse. Esta es una diferencia clave entre el montaje de placas flexibles y rígidas. Los materiales flexibles absorben la humedad como una esponja. Pueden ganar hasta 3% de su peso con la humedad. Una vez que una placa flexible absorbe la humedad, no se puede reflotar sin secarla primero. Las placas rígidas también tienen este problema, pero las rígidas toleran mejor la humedad.

Los circuitos flexibles requieren un prehorneado a unos 225°F a 250°F (unos 107°C a 121°C) durante un breve periodo de tiempo, idealmente terminado en una hora. Si no seca los flexibles a tiempo, deberá almacenar las placas en una caja seca o en un almacén de nitrógeno hasta que se horneen. Un secado adecuado evita los daños causados por la formación de vapor durante el reflujo, como delaminación o ampollas.

Aplicaciones de las placas rígido-flexibles

Las placas de circuito impreso rígido-flexibles combinan la durabilidad de las rígidas con la adaptabilidad de las flexibles. Entre todos los tipos de PCB, las rígido-flexibles son las más resistentes para entornos difíciles. Gracias a esta resistencia, las placas rígido-flexibles son populares en control industrial, dispositivos médicos y equipos militares. Los fabricantes continentales también están aumentando la proporción de placas rígido-flexibles en su producción total.

Los ámbitos de aplicación típicos son:

1. Uso industrial: incluye máquinas industriales, equipos militares y productos sanitarios. Estas piezas necesitan precisión, seguridad y durabilidad. Las placas rígido-flexibles para estos campos deben ofrecer alta fiabilidad, alta precisión, baja pérdida de impedancia, calidad de señal completa y larga vida útil. Pero el proceso es complejo, el rendimiento bajo y el coste unitario elevado.

2. Teléfonos móviles - En los teléfonos, las placas rígido-flexibles aparecen en las zonas de bisagra de los teléfonos plegables, los módulos de cámara, los teclados y los módulos RF. Soportan flexiones repetidas y espacios de montaje reducidos.

3. Electrónica de consumo - Las cámaras de fotos digitales (DSC) y los productos de vídeo digital (DV) son artículos de consumo típicos que utilizan rigid-flex. Podemos considerar el rigid-flex desde dos ángulos: rendimiento y estructura. Desde el punto de vista del rendimiento, el rigid-flex puede unir diferentes placas y módulos rígidos en tres dimensiones. Así, con la misma densidad de líneas se aumenta la superficie útil del circuito. Esto aumenta la capacidad de carga del circuito y reduce los límites de la ruta de señal y los errores de montaje. Desde el punto de vista estructural, las placas rígidas-flexibles son ligeras y finas y permiten un enrutamiento flexible. Ayudan a reducir el tamaño y el peso.

4. Automoción - En los automóviles, las placas rígido-flexibles se utilizan para los interruptores de las llaves en el volante, las conexiones entre las pantallas del vehículo y las placas de control, las llaves de control de las puertas, los controles de audio del coche, los sistemas de cámaras de radar de aparcamiento, muchos sensores (calidad del aire, temperatura y humedad, detección y control de gases), los sistemas de comunicación del vehículo, la navegación por satélite, las conexiones para los controladores de los asientos traseros, las placas de los controladores de los asientos delanteros e incluso los sistemas de detección externa.

Materiales para placas rígido-flexibles multicapa

A continuación se muestra una tabla sencilla de los materiales más comunes utilizados para fabricar placas rígido-flexibles multicapa. Enumero el material necesario, la opción tradicional y las opciones de mayor rendimiento.

En la tabla anterior se enumeran varios materiales necesarios para fabricar placas rígido-flexibles. Es importante señalar que, con los avances tecnológicos, el rendimiento de estos materiales ha mejorado notablemente.

Los materiales deben tener una alta resistencia al calor y una buena estabilidad dimensional durante el calentamiento. Para campos de alta fiabilidad como el militar y el aeroespacial, recomendamos utilizar películas de poliimida más gruesas (más de 50 μm). En estos ámbitos, el material de base debe tener una gran estabilidad y durabilidad durante el procesamiento. En cambio, la electrónica de consumo suele seguir una tendencia a ser más delgada y ligera. En ellos, los fabricantes suelen utilizar dieléctricos más finos (menos de 50 μm).

Entre los laminados adhesivos revestidos de cobre, los coverlays y las películas de unión, los adhesivos acrílicos tienen una mejor fuerza de unión, pero una resistencia al calor ligeramente inferior y una mayor contracción. Los adhesivos epoxídicos ofrecen mejor resistencia al calor, pero tardan más en curar y a veces tienen una fuerza de unión ligeramente inferior.

El uso de laminados de cobre sin cola moldeados o laminados a presión suele ofrecer una mayor resistencia al calor y un menor coeficiente de expansión térmica (CTE). Estos materiales también ayudan a reducir el grosor final de la placa y pueden reducir significativamente las manchas de resina de perforación. Sin embargo, el material sin cola requiere un procesado por encima de 300°C y necesita un equipo y un control del proceso especiales.

Notas y consejos adicionales para diseñadores y compradores 

1. Habla con el fabricante de tu tabla con tiempo. Dígale cuántas capas rígidas y flexibles tiene previstas, dónde están las zonas de flexión y cuántos ciclos de flexión debe soportar la placa. Dígale también la impedancia objetivo y las necesidades de alta velocidad. El fabricante podrá entonces decirle si el diseño es factible y qué límites existen.

2. Mantenga las zonas de doblado libres de piezas rígidas y componentes pesados. Utilice líneas de plegado claras y mantenga las trazas cerca del eje neutro siempre que pueda. Los trazos a través de las zonas de doblado deben ser lo suficientemente anchos y seguir las reglas de flexión adecuadas. Evite los orificios pasantes chapados en zonas de doblado repetidas, a menos que utilice diseños especiales.

3. Diseñe para el montaje. Si prevé SMT en la zona flexible, planifique los soportes, los puntos de referencia y los pasos de horneado. Marque las zonas que necesiten refuerzos y donde vaya a utilizar adhesivos para sujetar los componentes.

4. Elija los materiales en función de las necesidades. Utilice poliimida más gruesa y materiales de base más resistentes para aplicaciones militares o médicas. Utilice dieléctricos finos para teléfonos y bienes de consumo ligeros si necesita poco peso y tamaño reducido.

5. Costes. El rígido-flexible puede reducir el número de piezas de montaje y conectores, pero la placa en sí puede costar más. Compruebe el coste de todo el sistema. A menudo, el coste total del sistema disminuye cuando se eliminan los conectores y los pasos de montaje relacionados. Tenga en cuenta también los costes de reparación y prueba.

6. Haga pruebas de estrés. Si su producto va a sufrir vibraciones, golpes, calor o humedad, pruebe la placa rígido-flexible antes. Las pruebas de ciclos, choques térmicos y humedad detectarán problemas antes de la producción en serie.

7. Planificar el utillaje. Colabore con el fabricante de placas de circuito impreso para planificar plantillas, soportes y programas de horneado. Un utillaje adecuado reduce los defectos y los errores de colocación.

8. Documentación. Proporcione dibujos mecánicos claros, apilamiento, reglas de flexión y mapas de capas. Indique dónde van los rigidizadores y dónde salen las colas de flexión de la zona rígida.