El PCB flexible también se denomina placa de circuito impreso flexible, circuito flexible o placa de cableado flexible. Como su nombre indica, es un tipo de placa de circuito que se dobla. Puede doblarse, enrollarse, estirarse y moverse en tres dimensiones. Los circuitos impresos flexibles se fabrican con una fina película de poliimida o poliéster. Ofrecen gran fiabilidad y muy buena flexibilidad.

Los circuitos impresos flexibles (FPC) tienen su origen en la década de 1950., cuando investigadores estadounidenses desarrollaron técnicas para imprimir y grabar conductores planos en sustratos flexibles como alternativa a los mazos de cables tradicionales.. Los fabricantes utilizan películas de poliéster o poliimida como base. Estas películas hacen que la placa sea resistente y flexible. Al incrustar los circuitos en finas láminas de plástico, se pueden apilar muchas piezas pequeñas en espacios reducidos. El resultado es un circuito que se puede doblar, plegar y encajar en formas compactas. Los circuitos flexibles son ligeros, ocupan poco espacio, se enfrían bien y son fáciles de montar. Resuelven las limitaciones de los antiguos métodos de conexión.

Un circuito flexible tiene tres grupos principales de materiales. El primero es la película aislante. El segundo es el conductor. El tercero es el adhesivo. Estas partes trabajan juntas para satisfacer la necesidad de dispositivos electrónicos más pequeños y móviles. Los circuitos flexibles permiten que los dispositivos sean más densos, pequeños y fiables.

Materiales utilizados en los PCB flexibles

1. Película aislante

La película aislante forma la capa base principal del circuito. El adhesivo se utiliza para unir la lámina de cobre a la película aislante. En los diseños flexibles multicapa, la película también se utiliza para unir las capas internas.

La película aislante protege el circuito del polvo y la humedad. También reduce la tensión cuando la placa se dobla. La capa conductora es de lámina de cobre.

Algunos circuitos flexibles utilizan piezas rígidas de aluminio o acero inoxidable. Estas piezas rígidas proporcionan estabilidad dimensional. Proporcionan soporte físico a las piezas y los cables. También reducen la tensión. El adhesivo une las piezas rígidas al circuito flexible.

Otro material habitual es una capa de unión que recubre ambas caras de la película aislante. Esta capa de unión aísla y ayuda a unir las capas. Puede eliminar la necesidad de algunas capas de película y permite a los fabricantes unir muchas capas con menos piezas.

Existen muchos tipos de láminas aislantes. Las más utilizadas son las de poliimida y poliéster. Alrededor del ochenta por ciento de los fabricantes de circuitos flexibles de EE.UU. utilizan película de poliimida. Alrededor del veinte por ciento utiliza película de poliéster.

Poliamida no es fácil de quemar. Mantiene su forma, resiste el desgarro y soporta el calor de la soldadura. El poliéster, también llamado PET (tereftalato de polietileno), tiene características físicas parecidas a la poliimida. Tiene una constante dieléctrica más baja y absorbe menos humedad. Pero no resiste tan bien el calor. El poliéster se funde a unos 250°C y tiene una temperatura de transición vítrea (Tg) de unos 80°C. Esto limita su uso en productos que requieren soldaduras fuertes en los bordes de la placa. A bajas temperaturas, el poliéster puede volverse rígido. Aun así, el poliéster es bueno para teléfonos y otros productos que no se enfrentan a condiciones duras.

Las láminas de poliimida suelen combinarse con adhesivos de poliimida o acrílicos. Los films de poliéster suelen combinarse con adhesivos de poliéster.

2. Conductor

Las láminas de cobre se adaptan bien a los circuitos flexibles. La lámina de cobre puede fabricarse por electrodeposición (ED) o por laminación y recocido (RA). Una cara del cobre ED es brillante. La otra cara tiene una superficie mate. El cobre ED es flexible y puede tener muchos grosores y anchuras. La cara mate del cobre ED suele recibir un tratamiento especial para que se adhiera mejor.

El cobre RA es flexible y suave. Puede ser más resistente. El cobre RA es útil en diseños que necesitan flexión repetida o flexión dinámica.

3. Adhesivo

Los adhesivos hacen algo más que unir la película aislante al conductor. Pueden actuar como capas de recubrimiento, revestimientos protectores o capas superpuestas. La principal diferencia es cómo se aplica la capa. La capa de recubrimiento se adhiere a la película aislante y forma una estructura laminada.

La serigrafía se utiliza para cubrir y revestir con adhesivo. No todas las estructuras laminadas utilizan adhesivos. Los laminados sin adhesivo permiten fabricar circuitos más finos y flexibles. También ofrecen una mejor transferencia de calor que los laminados con adhesivo. Al no haber una capa adhesiva que bloquee el calor, éste se desplaza mejor por el circuito. Esto permite que los flexibles sin adhesivo funcionen en condiciones en las que los flexibles con adhesivo podrían fallar.

Pasos de soldadura para FPC (proceso de soldadura de FPC)

A continuación se indican los pasos prácticos para soldar a mano un chip PQFP y piezas SMD comunes en circuitos flexibles. Utilice estos pasos como una guía clara. Siga también las normas de seguridad y ESD.

1. Antes de soldar, aplique fundente a las pastillas. Utilice una plancha para tratar las almohadillas. De este modo se evita un mal estañado o la oxidación de las pastillas. Los chips no suelen necesitar trabajo previo.

2. Utilice unas pinzas para colocar con cuidado el chip PQFP en la placa de circuito impreso. Haga esto para evitar doblar o romper los cables. Alinee el chip con las almohadillas. Asegúrese de que el chip apunta en la dirección correcta. Calienta la plancha a más de 300°C. Pon un poco de soldadura en la punta de la plancha. Presiona el chip alineado con una herramienta. Añade una pequeña cantidad de soldadura a dos patillas diagonales. Sujeta el chip y suelda las dos patillas diagonales. Esto fijará el chip en su sitio. Una vez soldadas las dos patillas, comprueba la alineación. Si es necesario, mueva o retire y vuelva a colocar el chip.

3. Cuando empiece a soldar todas las patillas, añada soldadura a la punta del soldador. Aplique fundente a todas las patillas para mantenerlas húmedas. Toque con la punta del soldador el extremo de cada patilla hasta que vea que la soldadura fluye hacia la patilla. Mantenga la punta del cautín paralela a las patillas durante la soldadura. Así evitarás que se formen puentes entre las patillas por exceso de soldadura.

4. Después de soldar todas las patillas, utilice fundente para humedecerlas y limpiar la soldadura. Retire la soldadura sobrante para eliminar cortocircuitos y puentes. Por último, utilice unas pinzas para inspeccionar las juntas de soldadura en mal estado. Cuando termine, limpie la placa. Utiliza alcohol y un cepillo de cerdas duras, y pasa un paño en la dirección de las patillas hasta que desaparezcan los restos de soldadura.

5. Las resistencias y condensadores SMD son más fáciles. Coloque la pieza sobre una almohadilla. A continuación, coloque un extremo sobre la almohadilla y sujételo con unas pinzas. Suelde primero un extremo. Compruebe la colocación. Si está alineado, suelde el otro extremo.

Diferencias clave entre circuito impreso rígido y circuito flexible

Las placas de circuito impreso rígidas son lo que la gente suele considerar placas de circuito impreso. Utilizan conductores y otras piezas en una placa no conductora. La placa no conductora suele contener vidrio. El vidrio hace que la placa sea fuerte y rígida. Las PCB rígidas ofrecen un buen soporte para las piezas y una buena resistencia al calor.

Las placas de circuito impreso flexibles también tienen trazas conductoras sobre una base no conductora. Pero la base es flexible, como la poliimida. Una base flexible permite al circuito doblarse, soportar vibraciones, enfriarse bien y adoptar muchas formas. Gracias a estas formas, los circuitos flexibles son ahora habituales en diseños electrónicos compactos y nuevos.

Además del material de base y la rigidez, existen otras grandes diferencias:

• Elección del conductor: Flex suele utilizar cobre RA más blando en lugar de cobre ED duro. Esto ayuda si el circuito debe doblarse sin agrietarse.

• Fabricación: Los fabricantes de Flex no utilizan máscaras de soldadura como los PCB rígidos. Utilizan coverlay o covercoat para proteger las trazas desnudas.

• Coste: Los circuitos flexibles suelen costar más que las placas rígidas. Pero una placa flexible permite a los ingenieros reducir el tamaño del producto. Esto puede reducir el coste total del producto, ya que fabricar o enviar un producto más pequeño puede costar menos.

Cómo elegir entre placas de circuito impreso rígidas y flexibles

Ambos tipos pueden funcionar en muchos productos. Algunos usos se benefician más de un tipo. Por ejemplo, las placas de circuito impreso rígidas tienen sentido en productos más grandes, como televisores y ordenadores de sobremesa. Los productos compactos, como teléfonos y wearables, suelen necesitar circuitos flexibles.

Cuando elijas, piensa en:

• Qué debe hacer su producto.

• Lo que la industria utiliza normalmente para productos similares.

• Cómo el uso de un tipo puede cambiar los costes o el montaje.

Si su dispositivo necesita plegarse, doblarse o ahorrar espacio, elija flex. Si necesita bajo coste y alta resistencia de montaje para piezas grandes, elija rígido.

Refuerzos para placas de circuito impreso flexibles

Los rigidizadores también se denominan placas de refuerzo, placas de apoyo o nervios de refuerzo. Se utilizan en electrónica para controlar la flexión. Los rigidizadores resuelven el problema de las placas flexibles. Refuerzan las zonas de conexión y facilitan el montaje.

Tipos comunes de rigidizadores:

• Refuerzos de acero inoxidable

• Refuerzos de aluminio

• Refuerzos de poliéster

• Refuerzos de poliimida

• Refuerzos de fibra de vidrio

• Refuerzos de PTFE (teflón)

• Refuerzos de policarbonato

Normas de manipulación de los rigidizadores de poliimida (PI):

1. Hornee los rigidizadores PI a 80°C durante 30 minutos antes de utilizarlos.

2. Si puedes, trabaja en una sala blanca a unos 25°C y 65% de humedad relativa.

3. Utilice pronto los rigidizadores PI recién cortados. Si permanecen más de un día, séllelos bien.

4. Limpie la interfaz entre el FPC y el refuerzo antes de pegarlo.

5. Utilice las condiciones correctas de encolado y prensado cuando utilice prensas diferentes.

6. Después del curado, espere a que la plantilla se enfríe antes de abrir y retirar la pieza.

7. No enfríe rápidamente los rigidizadores PI después de la laminación. Retire la pieza sobre un soporte de calentamiento lento, como un paño de fibra de vidrio, si es necesario. Si utiliza una prensa de platina, espere hasta que el producto se enfríe a temperatura ambiente.

Cómo evitar abolladuras y grietas en las placas de circuito impreso flexibles

El eje de flexión neutro de un circuito flexible puede no estar centrado en la pila. Una manipulación adecuada ayuda a evitar abolladuras y grietas.

Las placas de circuito impreso flexibles son tanto piezas mecánicas como eléctricas. La disposición de las trazas debe hacer que todo el circuito sea resistente. A diferencia de una placa rígida, una placa flexible puede doblarse, retorcerse y plegarse para encajar en el producto final. Si el pliegue va más allá de un punto, el cobre se somete a una fuerte tensión. Eso puede romper el flex o hacer abolladuras.

El flex ofrece a los diseñadores opciones que no tienen las placas rígidas. Aunque la flexibilidad sea la mejor opción, eso no significa que las pistas de cobre no vayan a fallar nunca. El cobre también tiene límites en cuanto a la tensión que puede soportar.

Hay que vigilar muchas cosas, sobre todo cuando el producto va a sufrir flexiones dinámicas (doblarse mientras se usa) o cuando debe plegarse en espacios reducidos de la carcasa. La precisión es importante para evitar grietas.

Consideraciones de diseño para mejorar

flexión y plegado

A continuación se ofrecen ideas de diseño claras para aumentar la vida útil y la fiabilidad.

Conozca los puntos de tensión y el radio de curvatura

Conozca los límites de flexión, plegado y torsión. En el caso de la flexión por una sola cara, si el estiramiento o la compresión superan el radio de curvatura o el punto de tensión, el cobre se agrietará. Trabaje siempre dentro de estos límites.

Eje neutro

Para un uso dinámico de la flexión, los diseños de flexión de una sola cara son los mejores. Una sola cara deja espacio al cobre cerca del centro de la estructura. En este diseño, el cobre no se comprime ni se estira mucho durante la flexión dinámica.

Más fino es mejor

Las pilas más finas se doblan más fácilmente. Tienen un radio de curvatura interior más pequeño y menos tensión en la capa exterior. Para piezas que se doblan mucho, utilice cobre más fino y capas dieléctricas más finas.

Trazado de vigas en I

Viga en I significa que las capas de cobre o dieléctricas se solapan directamente en ambos lados. Esto hace que la zona de pliegue sea más resistente. Como la capa interior se comprime, la exterior se estira más. Para reducirlo, desplace los trazos en lados opuestos.

Curvas o pliegues pronunciados

Muchas tablas flexibles están diseñadas para plegarse. Una tabla bien hecha aguanta el primer pliegue o giro. Pero doblar repetidamente una zona arrugada no es bueno. El cobre se romperá con el tiempo. No es recomendable. Utilice trucos de diseño como trazos de esquinas redondeadas en la zona del pliegue.

Otros consejos para evitar las grietas:

• Utilice trazados soldados o estañados.

• Utilice cobre RA o cobre ED con dirección de grano controlada.

• Utilice una película de poliimida de recubrimiento en la zona de la curva.

• Utilice nervios de refuerzo en la parte inferior y una capa de cobertura en la parte superior.

Otras notas prácticas sobre diseño y procesos

• Cuando cargue piezas, mantenga las huellas alejadas de agujeros y bordes afilados. Así se reduce el riesgo de rotura.

• Utilice almohadillas redondas y añada filetes en las trazas cercanas a las curvas.

• Mantenga las vías alejadas de las zonas de curvatura sometidas a grandes esfuerzos. Si debe colocar vías, utilice refuerzos.

• Utilice ángulos redondeados en las trazas y almohadillas. Los ángulos rectos concentran la tensión y pueden provocar grietas.

• Cuando dirija las trazas a través de un pliegue, intente dirigirlas perpendicularmente al eje del pliegue siempre que sea posible. Así se reduce la tensión de tracción.

• Para movimientos repetidos, intente utilizar una transición de flexo a placa que mantenga la curvatura en una zona libre sin piezas ni vías.

Manipulación del conjunto y notas medioambientales

• Almacene la poliimida y otros materiales en bolsas secas y selladas. La humedad puede dañar los adhesivos y provocar delaminación.

• Mantenga limpias las zonas de trabajo. El polvo y los aceites dañan la adhesión.

• Para la soldadura por reflujo, siga los límites de tiempo-temperatura del material. La poliimida soporta altas temperaturas, pero el poliéster no.

• Cuando utilice adhesivos, siga las curvas de curado y los pasos de enfriamiento. Un enfriamiento demasiado rápido puede provocar tensiones y alabeos.

• Utilice protección ESD cuando manipule circuitos flexibles. Algunos circuitos tienen circuitos integrados sensibles.

Aplicaciones habituales de las placas de circuito impreso flexibles

Los circuitos flexibles son populares en muchos productos:

• Teléfonos móviles y tabletas

• Cámaras

• Dispositivos portátiles

• Dispositivos médicos y sensores

• Sensores de automoción y piezas del salpicadero

• Electrónica aeroespacial y militar

• Iluminación y pantallas LED

• Conectores y conjuntos de cables

Sus principales ventajas son su pequeño tamaño, su ligereza y su capacidad para adaptarse a formas extrañas.

Ventajas y límites de los circuitos flexibles

Ventajas:

• Ahorra espacio y reduce el peso.

• Permitir piezas móviles o plegables.

• Menor necesidad de conectores porque el flex puede cablearse entre placas.

• Buen rendimiento térmico cuando se diseña correctamente.

• Mayor fiabilidad en muchos usos dinámicos.

Límites:

• El coste es superior al de los PCB rígidos simples.

• La manipulación requiere más cuidado.

• Algunos materiales no soportan un calor de soldadura elevado.

• Riesgos dinámicos de flexión de corta duración si el diseño es incorrecto.

Pruebas y controles de calidad

Para garantizar la fiabilidad:

• Utilice la prueba de doblado para comprobar la vida dinámica del doblado.

• Utilice ciclos térmicos para comprobar la resistencia a los cambios de temperatura.

• Inspeccione con rayos X o microscopio en busca de grietas ocultas.

• Realice pruebas de tracción en los rigidizadores y conectores encolados para comprobar la resistencia de sujeción.

• Compruebe la impedancia y continuidad de las líneas de señal.

Notas finales y consejos rápidos

• Elija poliimida si desea más calor y mayor fiabilidad. Elija poliéster cuando el menor coste y el menor calor estén bien.

• Para la flexión dinámica, utilice pilas finas de una sola cara y cobre RA.

• Añada refuerzos en las zonas de los conectores para facilitar el montaje.

• Mantenga los radios de curvatura grandes siempre que pueda. Los radios más grandes alargan la vida útil.

• Si observa abolladuras o grietas antes de tiempo, revise la ubicación de la curva y la pila. Cambie el tipo de cobre, el grosor o añada un recubrimiento.

• Asegúrese de que los pasos de montaje se ajustan a los límites del material. Por ejemplo, no utilice procesos de soldadura a alta temperatura en flexibles con base de poliéster.