Directrices exitosas de diseño de circuitos flexibles
Con el uso de sensores y tecnología en todo, desde teléfonos móviles hasta refrigeradores, automóviles y dispositivos médicos portátiles, las placas de circuitos son un componente de muchos tipos diferentes de productos. En el mundo actual de la electrónica, cualquier producto con un interruptor de encendido/apagado contiene una placa de circuito. Debido a su versatilidad, el uso de circuitos flexibles es uno de los segmentos de mercado de productos de más rápido crecimiento.
Con la introducción de circuitos flexibles y rígido-flexibles, los ingenieros han tenido la oportunidad de ser más creativos en el diseño de productos nuevos e innovadores. Los tableros flexibles y rígido-flexibles están construidos para encajar en espacios reducidos tridimensionales al tiempo que garantizan la resistencia al desgaste mecánico y la vibración. Los ingenieros pueden diseñar productos que requieran tableros para encajar en espacios reducidos, girar y girar para empaquetar y hacer que el producto viva en un entorno más dinámico. Estos circuitos flexibles tienen los mismos niveles de rendimiento que las placas FR4 rígidas tradicionales; sin embargo, tienen sus propios matices y consideraciones en lo que respecta al diseño, la fabricación y el montaje.
Patrón de diseñó
Al diseñar un circuito flexible, es importante conocer la aplicación específica de la placa. ¿Se utilizará en un entorno estático o dinámico? Si la placa va a residir en un entorno estático, con poco o ningún movimiento, el diseño del circuito debe tener la cantidad adecuada de flexibilidad para que pueda instalarse fácilmente dentro del producto. Alternativamente, si el tablero va a existir en un entorno dinámico, donde el tablero se flexionará continuamente hacia adelante y hacia atrás, se debe considerar en el diseño un nivel de flexibilidad que pueda soportar el movimiento continuo.
¿La aplicación requerirá una placa flexible o una placa rígido-flexible? Si el producto requiere tecnología de montaje en superficie de un solo lado, entonces una placa completamente flexible es la mejor opción. Si el producto requiere tecnología de montaje en superficie de dos caras, entonces se necesita una placa rígido-flexible.
Ya sea un ingeniero de hardware, un ingeniero mecánico o un diseñador experimentado de placas de diseño, todos están un poco aprensivos la primera vez que diseñan un circuito flexible. Su suposición es que el enfoque para diseñar un circuito flexible es muy diferente al de una placa rígida. Pero el hecho es que diseñar un circuito flexible es muy similar a una placa rígida con solo algunas diferencias. Configuras todas tus capas en el software como una tabla rígida. Los archivos de salida son todos iguales. Las únicas diferencias reales son la capa de cubierta, la capa de refuerzo y algunas reglas básicas de diseño a tener en cuenta. Comprender que un circuito flexible se flexionará por naturaleza significa que debe asegurarse de mantener características clave como vías, trazos de terminación y ángulos agudos lejos de las regiones de flexión. El circuito flexible está hecho de material de poliimida, por lo que es más difícil de procesar, así que mantenga las pistas, las vías, los anillos anulares, las almohadillas y el espacio lo más grandes posible. A menudo me preguntan qué tan pequeño es el rastro o la vía que se puede usar. Puede ir tan pequeño como desee, pero será más difícil de fabricar y la confiabilidad entra en juego. Puede salirse con la suya con características mucho más estrictas en una placa rígida que en un circuito flexible. Por lo general, en una placa rígida, se aplica una máscara de soldadura en las capas exteriores para proteger las características de cobre. En una placa flexible, las características exteriores de cobre suelen estar protegidas por una capa de cubierta. En el archivo de diseño, el diseñador de diseño debe crear esta capa de cubierta igual que una capa de máscara de soldadura. La última diferencia con un diseño flexible es el refuerzo. Los refuerzos se utilizan para agregar soporte a ciertas regiones de una placa de circuito flexible. Los refuerzos pueden estar en múltiples regiones de un circuito flexible y pueden estar en cualquier lado del tablero. En el archivo de diseño, si todos los refuerzos están representados en un archivo, deben identificarse en el plano de fabricación en qué lado del tablero deben aplicarse. De lo contrario, se debe crear una capa separada para los refuerzos superior e inferior del circuito flexible.
Cuando se requiere soporte adicional para un área específica en la placa de circuito flexible o se necesita protección para los componentes o conectores conectados, la mejor opción es incluir un refuerzo en el diseño. Esto evitará que el circuito se mueva y protegerá la integridad de las juntas de soldadura. Es importante recordar que el refuerzo se coloca mejor en el lado opuesto del componente que soporta. Hay numerosos tipos de refuerzos para elegir; poliimida, FR4, acero inoxidable, aluminio o muchas otras opciones. El grosor del refuerzo depende de cómo se usará el tablero. Cuanto más grueso es el refuerzo, más soporte proporciona. Si la tabla se usa en espacios pequeños/estrechos, el grosor del refuerzo puede ser un problema que requiera un refuerzo más delgado. VER IMAGEN DEL REFUERZO.
Ahora que el diseñador ha completado su primer circuito flexible, tiene la tarea de diseñar su primer rígido-flexible. El nivel de confusión y aprensión se multiplicó por cinco. Los ingenieros a menudo piensan que la parte flexible de la placa está pegada o unida de alguna manera a la sección rígida de la placa. VER IMAGEN RÍGIDO-FLEX. Rigid-flex se construye como todas las tablas rígidas y flexibles con el método de capas apiladas sobre capas. Cuando se trata de diseñar rígido-flexible, el enfoque es el mismo que para las otras placas de circuito. La principal diferencia es que ciertas regiones de las capas rígidas estarán en blanco en el archivo de diseño. El fabricante de la placa reconocerá esto como una región flexible y planificará la placa en consecuencia.
A diferencia de una placa rígida, el circuito flexible tiene muchas variaciones, por lo que es muy importante tener un dibujo de fabricación detallado que acompañe al diseño. El dibujo de fabricación debe mencionar todos los detalles para que el fabricante no los pase por alto. Lo peor es que el fabricante asuma lo que requieres. Los circuitos flexibles tienen muchas variables en movimiento, por lo que los detalles son muy importantes.
Material
El circuito flexible generalmente se construye con material de poliimida. La mayoría de los fabricantes en los EE. UU. utilizarán poliimida fabricada por Dupont. Los fabricantes fuera de los EE. UU. pueden usar otros proveedores de materiales debido al costo y la disponibilidad. Sin embargo, debido a que el circuito flexible es único, es una buena idea usar el mismo material en el prototipo que eventualmente se usará en la producción en volumen. Durante la prueba, está tratando de ver cuántos ciclos puede soportar el circuito flexible. A continuación se muestra una regla general sobre el radio de curvatura de un circuito flexible. Prueba A.
La regla del radio de curvatura es solo una guía general. La forma absoluta de determinar cuánto se puede doblar un circuito flexible o cuántos ciclos resistirá es someterlo a una prueba de esfuerzo.
Un par de factores afectarán cuánto puede flexionarse un circuito flexible. La selección de materiales es muy importante. Aunque el grosor de la placa determinará la flexibilidad, el material ayudará a la calidad y el ciclo de vida del circuito flexible. El tipo de cobre utilizado en un circuito flexible es muy importante. Hay dos tipos de cobre disponibles en el mercado, Cobre ED (Cobre depositado) y Cobre recocido en rollo. Si es posible, se debe evitar el cobre ED porque es un proceso chapado y el cobre será muy quebradizo. Se prefiere el cobre recocido en rollo. El cobre se enrolla sobre el material flexible, por lo que es muy maleable. Dicho esto, también es importante mencionar la dirección del grano en su dibujo de fabricación. Desea que el grano vaya en la misma dirección que la dirección de su curva. Las áreas sólidas de cobre, como los planos de tierra, deben estar sombreadas cuando sea posible. Esto ayudará a que el circuito flexible sea más flexible.
Fabricación
Ahora que el diseño está completo, construyamos la placa flexible lo más rápido posible. Como todos los proyectos de ingeniería, esta placa flexible está retrasada, por lo que la necesitamos para mañana. Después de todo, las placas rígidas se pueden construir en uno o dos días, así que ¿por qué no flexionar los circuitos? ¡Detener! No tan rapido mi amigo.
Cuando la fabricación de un circuito flexible requiere un tiempo de entrega más largo. Las placas flexibles son más difíciles de fabricar que las placas de circuitos rígidos tradicionales, por lo que requieren más tiempo de fabricación. Circuitos flex construidos con material de poliimida. El material es delgado, frágil y difícil de manipular. La perforación de las vías es diferente. La química para platear las vías es diferente. Puede haber mucho trabajo manual relacionado con los refuerzos y la capa de recubrimiento. Todas estas diferencias impiden que la mayoría de los fabricantes construyan circuitos flexibles en menos de tres días hábiles. Aquí, solo estamos hablando de circuitos flexibles de 2 capas. Si el circuito flexible tiene un mayor número de capas, el tiempo de fabricación puede aumentar hasta dos o tres semanas.
Ahora pasamos a la fabricación de circuitos rígido-flexibles. El circuito rígido-flexible es realmente un animal completamente diferente. La planificación inicial y el leva de un Rigid-flex pueden tardar fácilmente de 2 a 3 días en realizarse antes de que la placa pueda lanzarse a la planta de fabricación. Este trabajo de ingeniería inicial es muy crítico porque rígido-flexible toma muchos pasos diferentes y cada paso es fundamental para la fabricación exitosa del rígido-flexible. Una de las cosas más importantes a tener en cuenta es que el rígido-flexible viene en muchos apilamientos diferentes. Es raro ver varios trabajos rígido-flexibles en una planta de fabricación con una acumulación similar. Con un tablero rígido, todos los tableros de 6 capas se procesan de la misma manera. Con rígido-flexible, puede tener 5 trabajos con 6 capas en el piso de fabricación y todos pueden procesarse de manera diferente.
Ejemplo-
Tablero n.º 1: tablero de 6 capas: tiene 4 capas rígidas con 2 capas flexibles.
Tablero n.º 2: tablero de 6 capas: tiene 3 capas rígidas con 3 capas flexibles.
Tablero n.º 3: tablero de 6 capas: rígido de 4 capas con 2 capas flexibles, pero las 2 capas flexibles están en capas diferentes.
La otra dificultad de la fabricación de circuitos rígido-flexibles es la combinación de trabajar con dos tipos de materiales diferentes. Rigid-flex combina material rígido con material de circuito flexible. Tienen dos propiedades diferentes, por lo que es complicado trabajar con ellos. Esta es la razón por la que no hay muchos fabricantes de placas de circuito que construyan circuitos rígidos y flexibles en la misma instalación. Cada fabricante de placas de circuito se adhiere a lo que mejor construye, respectivamente. La falla más común con el circuito rígido-flexible se atribuye al proceso de recubrimiento. Si el revestimiento de las vías no se realiza correctamente, se producirán huecos, grietas y deslaminación. Los dos materiales diferentes tienen una tasa de expansión del eje Z diferente, por lo que un enchapado inadecuado expondrá fácilmente la mala calidad.
Debido a la complejidad de un circuito flexible, el costo del material, el tiempo de procesamiento, la química, la perforación y el manejo, el costo de fabricar una placa flexible es más alto que el de una placa de circuito rígida tradicional. Los compradores a veces se sorprenden por la diferencia de precio entre los circuitos rígidos y flexibles. Con suerte, ahora entienden por qué hay una diferencia de precio y por qué los circuitos flexibles no se pueden construir tan rápido como las placas de circuito rígidas tradicionales.
A medida que los productos electrónicos se vuelven más pequeños, el circuito flexible se volverá más popular y común en la industria electrónica. Aunque el costo es mayor, existen muchas aplicaciones útiles para los circuitos flexibles. Los circuitos flexibles se pueden plegar y encajar en un espacio reducido. Los circuitos flexibles pueden moverse hacia adelante y hacia atrás en un entorno dinámico. La industria electrónica ya no tiene por qué ser tan rígida. El circuito flexible puede ayudar a los diseñadores a expandir su imaginación y desarrollar productos electrónicos más geniales y avanzados.
Artículo de Tuan Tran, director de hitechcircuits
