Diseño de PCB rígido-flexible: beneficios y mejores prácticas de diseño

Con el uso de una PCB rígido-flexible (FPC rígida), los sustratos de circuitos flexibles y rígidos se cubren juntos. Las PCB rígido-flexibles superan los límites de las PCB convencionales. PCB rígidos y las propiedades únicas de los circuitos flexibles que utilizan conductores de cobre reforzados, electrodepositados o movidos, de alta flexibilidad, grabados sobre una película protectora flexible.

Los circuitos flexibles incorporan acumulaciones producidas utilizando una poliimida flexible, por ejemplo, Kapton o Norton, y recubiertas de cobre mediante calor, cemento acrílico y peso.

Del mismo modo, con las PCB tradicionales, se pueden montar segmentos en ambos lados de la placa rígida. Gracias a la combinación de circuitos rígidos y flexibles, una configuración rígido-flexible no utiliza conectores ni cables entre los segmentos. En cambio, los circuitos flexibles interconectan eléctricamente el sistema.

La ausencia de conectores y cables de conexión consigue algunas cosas:

• Mejora la capacidad del circuito para transmitir señales sin contratiempos.
• Se adapta a la impedancia controlada
• Elimina problemas de asociación, por ejemplo, articulaciones frías.
• Reduce el peso
• Libera espacio para diferentes piezas

Cada PCB rígido-flexible se divide en zonas que contienen diversos materiales y diferentes cantidades de capas. Las zonas rígidas a veces tienen más capas que las flexibles, y los materiales pasan de FR-4 a poliimida, experimentando zonas de cambio significativas.

Las estructuras complejas cambian frecuentemente de rígidas a flexibles y viceversa en diferentes ocasiones. A medida que se producen estas convergencias, la cubierta de materiales rígido-flexibles requiere repeler las aberturas de la zona de cambio para garantizar la integridad. Asimismo, numerosos diseños rígido-flexibles incorporan refuerzos de acero endurecido o aluminio que proporcionan soporte adicional a los conectores y segmentos.

Las cargas FPC rígidas cuestan mucho más que los tableros duros prácticamente idénticos y normalmente son varias veces más caras que un circuito flexible con refuerzo.

No obstante, el aumento del gasto se justifica en relación con aplicaciones y situaciones específicas, por ejemplo::

• Aplicaciones de alta calidad. Si una pieza se somete a impactos excesivos o repetidos, o a vibraciones intensas, los conectores con cables flexibles son más propensos a deformarse. El FPC rígido ofrece una fiabilidad excepcional, incluso en aplicaciones con vibraciones e impactos extremos.
• Aplicaciones de gran espesor. En espacios pequeños y cercados, a veces resulta difícil acomodar todos los cables y conectores que requiere una configuración de PCB. Las láminas rígidas de FPC se pueden superponer en perfiles muy pequeños, lo que ofrece una importante inversión de espacio en estos casos.
• Cinco o más láminas rígidas. Si su aplicación finalmente incluye cinco o más láminas rígidas conectadas entre sí con cables flexibles, una configuración coordinada de cables rígidos y flexibles suele ser la opción ideal y más económica.

Se aplican diversas reglas de diseño al diseño de PO rígido-flexible

Diversas dificultades contrarrestan la adaptabilidad y flexibilidad que permiten fabricar planos y artículos tridimensionales. Los planos PO rígido-flexibles convencionales permitían montar segmentos, conectores y el marco del artículo en la pieza rígida, físicamente más estable, del conjunto. De nuevo, en cuanto a los planos tradicionales, el circuito flexible simplemente funcionaba como interconexión, reduciendo la masa y mejorando la protección contra las vibraciones.

Las nuevas estructuras de elementos, combinadas con innovaciones mejoradas en circuitos flexibles, han presentado nuevas reglas de planificación para los PO rígido-flexibles. Su grupo de diseño ahora tiene la oportunidad de colocar componentes en el territorio del circuito flexible. La integración de esta oportunidad con un enfoque multicapa para gestionar la configuración rígido-flexible le permite a usted y a su grupo integrar más hardware en la estructura. Sin embargo, aprovechar esta oportunidad presenta algunas dificultades en cuanto a la dirección y las brechas.

Los circuitos flexibles suelen tener líneas de torsión que influyen en la dirección. Debido a la posible presión del material, no se pueden colocar piezas ni vías cerca de la línea de torsión. Además, incluso cuando los segmentos están correctamente ubicados, la curvatura de los circuitos flexibles presenta pesos mecánicos repetidos en los amortiguadores de montaje superficial y las aberturas pasantes. Su equipo puede reducir estos problemas utilizando placas de aberturas pasantes y reforzando el soporte de los amortiguadores con una capa adicional para anclar los amortiguadores.

Al planificar la dirección de los seguidores, implemente prácticas que reduzcan el peso en sus circuitos. Utilice polígonos incubados para mantener la flexibilidad al conectar un plano de potencia o tierra a su circuito flexible. Debe utilizar seguidores curvos en lugar de ángulos de 90° o 45°, y usar patrones de desgarro para ajustar el ancho de los seguidores. Estas prácticas reducen el enfoque y las zonas inestables. Otra práctica recomendada es distribuir la tensión transversalmente sobre los seguidores, balanceando los seguidores superior e inferior en circuitos flexibles de doble cara. Equilibrar los seguidores evita que se superpongan de forma uniforme y refuerza el PO.

También debe seguir la dirección en sentido contrario a la línea de torsión para reducir la presión. Al sustituir un material rígido por uno flexible y uno flexible por uno rígido, la cantidad de capas de un material a otro puede variar. Puede utilizar la dirección de seguimiento para añadir firmeza al circuito flexible equilibrando la dirección de las capas cercanas.

Directrices de diseño de FPC rígido

En general, una configuración de flexión rígida se asemejará a una estructura de tablero duro, con las capas flexibles extendiéndose completamente hacia las regiones rígidas del tablero. Al igual que en los formatos de tablero duro, un paquete de creación de flexión rígida incorporará capas Gerber, junto con archivos de perforación, capas de cobertura de parche, clasificación, archivos de ruta perimetral, una capa de cubierta, etc.

Por lo general, existen algunos contrastes claves entre los paquetes de fabricación para FPC rígidos y aplicaciones de tableros duros:

• Un FPC rígido, por lo general, tiene muchas más dimensiones y debe representar con precisión los requisitos, ya que estas láminas se utilizan comúnmente en aplicaciones 3D. También debe representar con precisión las zonas de crecimiento de rígido a flexible, ya que estas no siempre son claras al examinar únicamente las capas Gerber.
• La disposición del material en láminas rígidas flexibles es básica y debe determinarse en colaboración con su fabricante. Su fabricante puede ayudarle a tomar las decisiones correctas sobre los materiales según sus necesidades, como la clasificación de combustibilidad UL, los radios de torsión mínimos requeridos, las consideraciones mecánicas, el control de impedancia en las capas flexibles y rígidas, la certificación RoHS, la compatibilidad con componentes sin plomo y otras consideraciones.
• Las láminas rígidas flexibles, por lo general, requieren capas adicionales en los documentos Gerber. Las capas 1 y X tendrán capas de velo de soldadura, pero también se necesitarán capas de diseño que describan la capa de recubrimiento y los segmentos de unión (si corresponde) del tablero, y la cantidad de cada uno que se introduce en los tableros duros. La norma IPC 2223 sugiere 0.100″, aunque su fabricante podría exigir una cantidad menor.

¿Qué afecta el diseño de PCB rígido-flexible?

Factores electromecánicos que influyen en el diseño

Al planificar PCB rígido-flexibles, considere los factores electromecánicos que influyen en el circuito flexible y la placa rígida. Al construir su estructura, concéntrese en la proporción entre el rango de curvatura y el grosor. En circuitos flexibles, las curvas cerradas o un mayor grosor en la zona de torsión aumentan la probabilidad de fallo. Los fabricantes recomiendan mantener el rango de curvatura al menos varias veces el grosor del material del circuito flexible y construir una réplica del mismo circuito para determinar dónde se producen las torsiones.

Debe evitar extender el circuito flexible con su torsión externa o comprimirlo con la torsión interna. Extender el borde de la curva más allá de los 90° genera extensión en un punto y presión en otro del circuito flexible.

Otro aspecto clave para la calidad de la resistencia rígido-flexible es el grosor y el tipo de conductor presente en la zona de torsión. Se puede reducir el grosor y el desgaste mecánico reduciendo el recubrimiento de los conductores y utilizando almohadillas de recubrimiento. El uso de un recubrimiento de cobre, oro o níquel de alta densidad disminuye la flexibilidad en la curva y permite la aparición de tensiones mecánicas y grietas.

Consideraciones sobre la disposición del material

Las capas rígidas de material FPC impactan significativamente el costo, la capacidad de fabricación y el rendimiento final de la PCB, por lo que es fundamental invertir tiempo en elegir el conjunto de materiales ideal. Por ejemplo, la impedancia controlada, la resistencia y los requisitos de conducción de corriente son factores cruciales que influyen tanto en las cargas de cobre como en la elección del material.

Un arquitecto de PCB debe colaborar con el fabricante de la placa para examinar estos factores, de modo que el plan posterior cumpla con todos los requisitos de fidelidad de las marcas. Una vez que el diseñador haya realizado los cálculos iniciales, el fabricante puede verificarlos y proporcionar una representación más precisa de las características de impedancia de la placa y el conjunto de materiales necesario para lograr dichas características.

Si las características de impedancia no son demasiado básicas, busca las propuestas de diseño rígido-flexible más económicas y estables. El programa Rigid-Flex ofrece los costos de material más bajos en general para diseño rígido-flexible, además de ofrecer una plataforma de inicio segura para los diseñadores que se inician en la construcción rígido-flexible.

Si desea obtener una estimación rápida de cuánto podría costar su configuración rígido-flexible, pruebe nuestra Calculadora de Costos Rígido-Flexible. Esta calculadora considerará sus necesidades y le proporcionará un presupuesto para niveles de generación bajos. Es un excelente punto de partida para comprobar si su plan es económicamente viable según los requisitos de su programa.

Los segmentos rígidos de las láminas rígido-flexibles suelen tener 20 capas o menos. A veces tienen más, pero generalmente es poco común que superen las veinte. No todas las secciones de tablero duro tienen la misma cantidad de capas. Por ejemplo, podría tener un segmento rígido con 16 capas de herrajes y otro con 12. Si la disposición del material es similar para ambos y las cargas tienen un grosor similar, no habrá problemas de ensamblaje. En ocasiones, una configuración puede utilizar tableros duros de grosores diferentes; sin embargo, estas configuraciones son mucho más difíciles de implementar y se deben considerar otras opciones.

Las áreas flexibles de las láminas rígido-flexibles suelen ser de una (singlete), dos (doblete), tres (triplete) o cuatro capas (desarrollo cuádruple). En ocasiones, un fabricante necesita más de cuatro capas sobre las áreas flexibles de la carga, pero a menudo no están adheridas. Las áreas flexibles reforzadas con más de cuatro capas pueden ser muy resistentes a la torsión y la flexión. Las cargas de cobre sobre las capas flexibles de las láminas rígido-flexibles suelen ser de media onza y una onza.

En ocasiones, el interés eléctrico requiere cargas de dos onzas. En esos casos, el diseñador debe colaborar estrechamente con su fabricante para seleccionar el preimpregnado sin flujo adecuado para rellenar satisfactoriamente los circuitos más gruesos de las placas de circuito impreso. El preimpregnado sin flujo, por su configuración, no prefiere el flujo, y los componentes de dos onzas pueden presentar algunas dificultades. Ocasionalmente, se utilizan cargas de cobre de tres onzas, lo que puede presentar problemas considerables de ensamblaje por la misma razón.

El diseño de PCB rígido-flexible requiere trabajo en equipo

Los nuevos instrumentos de configuración de PCB permiten a su equipo de diseño gestionar diferentes capas, visualizar estructuras electromecánicas en 3D, comprobar los controles de configuración y recrear la actividad de los circuitos flexibles. De hecho, incluso con estos instrumentos a mano, la construcción eficaz de una PCB rígido-flexible depende del trabajo en equipo entre su equipo y los fabricantes.

El trabajo en equipo debe comenzar en las fases más puntuales del proyecto y continuar durante todo el proceso de construcción y se basa en una correspondencia constante.

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