Opciones en expansión para rígidos

Ken Ghadia | 10 de marzo de 2023

Construir productos electrónicos en factores de forma no convencionales con alta densidad de empaque es posible gracias a diseños de circuitos tridimensionales que utilizan placas de circuito impreso (PCB) flexibles y rígido-flexibles. Las aplicaciones avanzadas en dispositivos médicos, automóviles y sistemas aeroespaciales dependen en gran medida de la flexibilidad y estabilidad que ofrecen los circuitos impresos flexibles (FPC). Estos beneficios también los han hecho populares en la industria de los wearables y en la electrónica miniaturizada. El rápido progreso en los materiales de las placas y las tecnologías de fabricación ha permitido innumerables configuraciones en los diseños de PCB flexibles y rígido-flexibles.

Según la flexibilidad requerida de su producto, puede elegir PCB flexibles o rígido-flexibles para su diseño. La complejidad que implica acomodar múltiples funciones exigirá capas de señal más altas en la pila de PCB. Una cinta flexible transfiere la señal entre las placas y presenta una pila similar a la sección rígida. Al utilizar las últimas herramientas de diseño y disposición, puede crear fácilmente el conjunto necesario para su producto. Comienza desde una estructura simétrica de capas uniformes hasta una construcción avanzada de capa flexible con espacio de aire. Discutiremos algunas de las configuraciones que se utilizan en los diseños electrónicos actuales.

Una PCB rígida-flexible simple comienza con dos capas rígidas y una flexible. Esta configuración sólo puede proporcionar funciones limitadas y apenas se utiliza en los dispositivos actuales. Una estructura más típica incluye cuatro capas rígidas con dos capas flexibles. La Tabla 1 representa una acumulación simétrica de capas uniformes que puede admitir trazas controladas por impedancia.

FR4 es el material aislante rígido comúnmente utilizado para PCB. IPC 2221 proporciona una lista de materiales sugeridos según las clasificaciones de productos. Las cintas están hechas de poliimida flexible. Son más delgados en comparación con las placas que conectan. Pero su apilamiento será similar a las capas internas de la PCB rígida. La cubierta en el área flexible tiene la misma funcionalidad que la máscara de soldadura de la sección rígida. Una máscara de soldadura líquida fotoimagen (LPI) se usa ampliamente en la fabricación de PCB rígido-flexibles.

Cuatro capas rígidas con dos capas flexibles

RÍGIDO

DOBLAR

RÍGIDO

Máscara para soldar

Máscara para soldar

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 1

Sustrato FR4

Sustrato FR4

preimpregnado

Cubierta

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 2

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Cobre CAPA 3

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 3

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

preimpregnado

Cubierta

Sustrato FR4

Sustrato FR4

Cobre CAPA 4

Cobre CAPA 4

Máscara para soldar

Máscara para soldar

tabla 1

En la Tabla 1 anterior, hay cuatro capas de señal en la sección rígida y dos capas de señal en la sección flexible. Puede haber hasta 20 capas rígidas y alrededor de seis capas flexibles en cualquier diseño de PCB rígido-flexible de uso general.

Se puede observar que las capas flexibles se colocan exactamente en el centro del apilamiento para construir un diseño simétrico. Se prefiere esto para lograr la estabilidad mecánica de la PCB. Aunque algunas aplicaciones requieren estructuras asimétricas, un apilamiento equilibrado puede minimizar posibles torceduras o problemas de deformación de la placa.

Los conectores de fuerza de inserción cero (ZIF) se utilizan a menudo para sujetar cables planos delicados como los cables FPC. Para evitar un circuito flexible separado para conectores ZIF, puede ampliar directamente su diseño con una construcción de cola ZIF. Esto ahorra una buena cantidad de espacio en áreas de PCB rígidas y mejora la conectividad de la señal.

Considerando el mismo ejemplo de un apilamiento simétrico de capas pares que tiene cuatro capas rígidas con dos capas flexibles, puede modificar la sección derecha del apilamiento para integrar una construcción de cola ZIF como se muestra en la Tabla 2 a continuación.

Cuatro capas rígidas con dos capas flexibles y contactos ZIF

RÍGIDO

DOBLAR

Construcción de cola ZIF

Máscara para soldar

Cobre CAPA 1

Refuerzo de poliimida

Sustrato FR4

Adhesivo

preimpregnado

Cubierta

Cubierta

Adhesivo para recubrimiento

Adhesivo para recubrimiento

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 1

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida -Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Cobre CAPA 3

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 2

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

Cubierta

Sustrato FR4

Cobre CAPA 4

Máscara para soldar

Tabla 2

Las especificaciones del conector ZIF definen una tolerancia dimensional estricta para la colocación precisa de los dedos de contacto. En esta configuración se pueden acomodar un máximo de cuatro capas flexibles. Pero en el diseño se utilizan habitualmente una o dos capas flexibles. Se incluye un refuerzo de poliimida con un espesor de alrededor de 0,05 mm a 0,20 mm para cumplir con los requisitos de espesor ZIF.

Los PCB rígidos-flexibles se pueden diseñar con diferentes métodos de blindaje para proteger productos como teléfonos móviles, máquinas de resonancia magnética y sistemas de radar contra radiaciones EMI externas. Una de dichas configuraciones con una capa de película protectora se muestra en la Tabla 3 a continuación. De nuevo se considera aquí la configuración con cuatro capas rígidas con dos capas flexibles. La capa de película protectora se lamina a la superficie externa de la capa de cubierta bajo calor y presión. Este método es más barato y más popular en comparación con las técnicas de protección con capa de cobre o tinta plateada.

Cuatro capas rígidas con capas flexibles blindadas

RÍGIDO

DOBLAR

RÍGIDO

Máscara para soldar

Máscara para soldar

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 1

Sustrato FR4

Capa de escudo

Sustrato FR4

preimpregnado

Cubierta

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 2

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Cobre CAPA 3

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 3

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

preimpregnado

Cubierta

Sustrato FR4

Capa de escudo

Sustrato FR4

Cobre CAPA 4

Cobre CAPA 4

Máscara para soldar

Máscara para soldar

Tabla 3

El creciente número de capas de señal afecta la capacidad de flexión de los PCB rígidos-flexibles. Pero para conservar los beneficios de flexibilidad y costo reducido, IPC recomienda configurar dos o más capas flexibles juntas como un solo conjunto. Esta configuración se conoce como construcción con espacio de aire y elimina los adhesivos flexibles en las áreas rígidas de la PCB. Los juegos flexibles se doblan por separado con esta configuración y minimizan los problemas de inconsistencia de los orificios pasantes.

La Tabla 4 muestra una configuración rígido-flexible con la construcción de espacio de aire. Incluye un stack-up con seis capas rígidas y cuatro capas flexibles. Cada par de capas flexibles está agrupado con una capa de cobertura en ambos lados. Se construye un espacio de aire entre los dos pares de capas flexibles según las pautas de IPC 2223. La prueba de tensión de interconexión de IPC ha establecido con éxito una mayor confiabilidad de una PCB rígida-flexible con construcción de espacio de aire al someter una placa de muestra a ciclos rápidos de temperatura.

Aunque este proceso agrega una capa adicional en ambos lados de los pares flexibles, los beneficios de un mayor rendimiento y un rendimiento confiable hacen que valga la pena implementarlo.

Seis capas rígidas con cuatro capas flexibles con construcción de espacio de aire

RÍGIDO

DOBLAR

RÍGIDO

Máscara para soldar

Máscara para soldar

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 1

Sustrato FR4

Sustrato FR4

preimpregnado

Cubierta

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 1

Cobre CAPA 2

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida, sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Cobre CAPA 3

Cobre CAPA 2

Cobre CAPA 3

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

preimpregnado

Cubierta

ENTREHIERRO

Cubierta

Adhesivo para recubrimiento

Cobre CAPA 4

Cobre CAPA 3

Cobre CAPA 4

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Núcleo de poliimida - Sin adhesivo

Cobre CAPA 5

Cobre CAPA 4

Cobre CAPA 5

preimpregnado

Adhesivo para recubrimiento

preimpregnado

Cubierta

Sustrato FR4

Sustrato FR4

Cobre CAPA 6

Cobre CAPA 6

Máscara para soldar

Máscara para soldar

Tabla 4

Todas las configuraciones discutidas hasta ahora son principalmente construcciones simétricas y de capas uniformes. Pero también es posible construir una pila de capas impares. Las aplicaciones que requieren configuraciones GND-SIGNAL-GND para blindaje de doble cara en áreas flexibles pueden adoptar preferiblemente la estrategia de capas impares. Esto reduce el costo de diseño y mejora la capacidad de flexión.

En lugar de colocar capas flexibles en el centro de la pila, se pueden mover hacia arriba o hacia abajo para lograr un diseño asimétrico. Se puede emplear una configuración de este tipo si un diseño tiene requisitos de espesor dieléctrico variables. Pero la configuración desequilibrada afectará la resistencia mecánica de la placa, por lo que la placa debe contar con un soporte adecuado durante el proceso de montaje.

También son viables diseños con diferentes espesores de área rígida o diferentes capas flexibles. Muchos fabricantes de PCB ofrecen diversas configuraciones de PCB rígido-flexibles, como paneles separables, revestimiento de bordes, formatos de encuadernación, etc.

Hay varias configuraciones de diseño alternativas posibles en PCB rígido-flexibles. Puede implementar múltiples funcionalidades con una densidad de circuito mejorada y un empaque excelente. Un fabricante experimentado de PCB rígidos y flexibles puede sugerir una configuración factible y rentable para sus requisitos de diseño.

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