PCB flexibles: típicoes, Diseño y Aplicaciones

Las placas de circuito impreso flexibles se doblan para adaptarse a espacios curvos y estrechos. Utilizan finas capas de cobre sobre una película flexible que permite a los ingenieros construir dispositivos más pequeños. Se encuentran en cámaras, teléfonos inteligentes y herramientas médicas. La curvatura y el plegado ofrecen nuevas opciones de diseño y permiten transportar señales con alta fiabilidad.

Las PCB flexibles ayudan a reducir el espacio y el peso en los dispositivos. Los diseñadores pueden crear equipos con una apariencia delgada y ligera, mientras que los dispositivos portátiles ganan en comodidad y resistencia. Los fabricantes pueden reducir los pasos de ensamblaje, ahorrando así tiempo en las líneas de producción. Las placas flexibles también resisten el movimiento y la tensión del uso diario. Una amplia variedad de dispositivos, como autos eléctricos, drones y hogares inteligentes, utilizan esta tecnología. Este crecimiento da forma a muchas nuevas herramientas para usted.

Continúe leyendo para analizar los principales tipos de PCB flexibles, su estructura y sus ventajas y desventajas. También los compararemos con los PCB rígidos más populares y explicaremos por qué debería considerar los PCB flexibles. 

¿Qué es una placa de circuito impreso flexible?

Una placa de circuito impreso (PCB) flexible es una placa electrónica delgada construida sobre una película flexible. Contiene pistas de cobre que transportan la energía y las señales a través de la placa. La película base puede retorcerse o envolverse alrededor de las piezas. También se puede moldear para adaptarse a espacios reducidos o curvos. Esta libertad la hace ideal cuando una placa plana no es suficiente.

Las PCB rígidas se asientan sobre un sustrato duro y plano que resiste la flexión y mantiene su forma bajo tensión. Las PCB flexibles, en cambio, se doblan y flexionan con el movimiento o ajustes ajustados. Se pueden plegar dentro de dispositivos compactos, ahorrando así conectores y cables. Además, se reduce el peso y los pasos de montaje. Este cambio de diseño permite crear muchos nuevos diseños.

Los tableros flexibles utilizan películas como poliimida o poliéster como sustratos. Una lámina de cobre se adhiere a esta película con un adhesivo especial y una capa protectora protege las pistas manteniendo la flexibilidad. Es posible que se añadan refuerzos para sujetar las piezas, así como películas protectoras para aislamiento y resistencia. El número y el grosor de las capas varían según el uso para equilibrar la flexibilidad y la durabilidad.

Las PCB flexibles se encuentran en cámaras, teléfonos, wearables y sensores. Se integran en escáneres médicos, gafas inteligentes y drones. Los fabricantes de automóviles las utilizan en tableros de instrumentos y sensores, mientras que las naves espaciales y los satélites se basan en su ligereza y flexibilidad. Las placas flexibles también son esenciales en robots móviles.

Tipos de placas de circuitos flexibles

Existen muchos tipos de PCB flexibles que se utilizan para diferentes componentes y dispositivos eléctricos. A continuación, se detallan algunos de ellos.

PCB flexible de una cara

Una PCB flexible de una sola cara coloca pistas de cobre en una cara de una película delgada. La película de poliimida actúa como portadora de señal al doblarse en espacios pequeños. Una capa protectora protege las pistas y las marcas que sirven como puntos de plegado. Este diseño produce una placa delgada a un precio asequible para circuitos electrónicos básicos.

Los ingenieros suelen utilizar placas flexibles de una sola cara para cintas de sensores y tiras LED, así como para enlaces de señal básicos. La placa se doblará una sola vez durante la fabricación o permanecerá plana. Un solo corte en los arneses y cables reduce el espacio necesario y el peso del sistema. La capa única de cobre también permite a las empresas de fabricación mantener bajos costos de producción y simplificar los procesos de fabricación para tiradas cortas.

El diseño No se puede realizar un cableado complejo sin puentes adicionales. La ruta completa de las pistas se planifica meticulosamente, lo que elimina cualquier posibilidad de cruces. Las conexiones adicionales requieren puentes o cables externos. La adición de refuerzos aumenta el grosor de la placa, ya que sirven como conectores o elementos de montaje.

PCB flexible de doble cara

Una PCB flexible de doble cara contiene cobre en ambas caras de su película. Los orificios pasantes y las microvías conectan las distintas capas de la placa. Las capacidades de enrutamiento adicionales aumentan dentro de la misma área dimensional. Cada cara de la PCB flexible cuenta con cubiertas protectoras que también refuerzan las zonas propensas a doblarse. La placa mantiene su perfil delgado al trabajar con niveles de complejidad y densidades de señal promedio.

Las PCB flexibles de doble cara se utilizan en lectores de códigos de barras, cables de cámara y retroiluminación LED. Esta capa adicional permite un mejor rendimiento al separar la alimentación de las líneas de datos. Los procesos de fabricación que incluyen operaciones de taladrado y chapado aumentan los gastos de fabricación por encima de los de la construcción de una sola cara. La flexibilidad en la colocación de piezas y el enrutamiento de red crítico suponen una ventaja para los diseñadores.

El proceso de enrutamiento en zonas de curvatura requiere una planificación exhaustiva para evitar el agrietamiento de las vías. El proceso de fabricación exige colocar las vías en zonas que eviten las secciones curvas, empleando aberturas reforzadas en la capa de recubrimiento. Las normas del fabricante determinan las dimensiones de las pistas para mantener la fiabilidad durante las operaciones de curvatura. Estas normas permiten lograr una alta densidad y, al mismo tiempo, mantener la fiabilidad a largo plazo en sistemas portátiles y plegables.

PCB flexible multicapa

La PCB flexible multicapa combina tres o más capas de cobre dentro de películas flexibles. Las capas internas de cobre incorporan planos de alimentación y de tierra que reducen el ruido. La conexión de las capas se realiza mediante microvías ciegas o enterradas para minimizar el espacio requerido. Una capa de recubrimiento se adhiere a la pila, protegiendo así todas las capas de cobre del desgaste por flexión.

Los diseños de circuitos de alta velocidad, junto con los módulos de RF y las conexiones compactas para cámaras, se benefician de este tipo específico de PCB flexible. Un encapsulado delgado y flexible contiene capas para la alimentación y la conexión a tierra durante la transmisión de señales. Se logra una mejor integridad de la señal y un mejor control de las interferencias electromagnéticas (EMI) mediante compensaciones de diseño con mayores costos. El proceso de fabricación requiere una alineación precisa, presiones de laminación específicas y un tratamiento térmico controlado para cada capa adhesiva.

La determinación temprana del número de capas resulta vital, ya que las capas adicionales generan espesor y procesos de grabado adicionales. Es necesario mapear las redes críticas en las capas internas para lograr protección durante el movimiento. El número de capas en la acumulación determina las limitaciones del radio de curvatura, que los diseñadores deben considerar al ajustar sus requisitos de diseño a estas restricciones. El equilibrio entre fiabilidad y flexibilidad se puede mantener en toda la placa.

PCB flexible

Cualquier circuito electrónico que utilice una película de sustrato flexible para su diseño se considera una PCB flexible. Un diseño de PCB flexible incluye configuraciones básicas de una sola capa, así como complejas construcciones multicapa. La selección de materiales y el espesor del cobre dependen del número previsto de flexiones. Las placas flexibles estáticas experimentan una flexión única, mientras que las placas flexibles dinámicas deben soportar movimientos de flexión continuos.

Las placas flexibles estáticas sirven específicamente para sujetar los pliegues de cámaras y teléfonos. El proceso requiere doblarlas y mantenerlas en su nueva posición. Las juntas móviles y las pantallas plegables requieren placas flexibles dinámicas para su funcionamiento. Se deben implementar diseños especiales para la liberación de tensiones del cobre y líneas de curvatura neutras. El diseño de la placa resistirá miles de ciclos de curvatura sin sufrir daños.

La selección de PCB flexibles le permite encontrar el equilibrio entre los requisitos de movimiento y el gasto en producto. El coste de las curvas de un solo uso se mantiene inferior al de las construcciones dinámicas durante el diseño y la producción. La selección del estilo de película y recubrimiento, así como la forma de la pista, depende de su perfil de movimiento y sus requisitos presupuestarios, y usted colabora con su fabricante para tomar estas decisiones.

Flexionar con refuerzo(es)

Las almohadillas rígidas fijadas a las placas de circuito impreso flexibles funcionan como refuerzos que soportan piezas pesadas y conectores. Los materiales de refuerzo consisten en FR4, poliimida y láminas metálicas delgadas. Se utilizan uniones para fijar los refuerzos en lugares que requieren un montaje plano o mayor resistencia. La combinación de zonas flexibles y rígidas en el diseño de la película permite la fijación de los conectores sin dañar el material.

El proceso de diseño requiere que los diseñadores instalen refuerzos debajo de los bordes del tablero, así como debajo de las almohadillas de conexión y los puntos de prueba. El tablero se corta con la forma deseada, manteniendo pequeñas aberturas para asegurar la flexión cercana. Las capas adhesivas aseguran una fijación segura de los refuerzos, evitando la acumulación de delaminación o protuberancias. Las transiciones entre los refuerzos se cubren con una capa protectora para lograr una flexión suave.

La introducción de refuerzos afecta el grosor de la placa en zonas específicas, por lo que es necesario verificar la accesibilidad de la herramienta de ensamblaje. Es necesario modificar las plantillas de pasta de soldadura y la configuración del equipo de selección y colocación. El proceso de configuración adicional garantiza que las piezas mantengan una alineación correcta y que las uniones soldadas conserven su resistencia a pesar de los movimientos de la película flexible circundante.

PCB rígido-flexible

Una PCB rígido-flexible combina secciones de placa rígidas y flexibles en una sola pieza. El proceso de fabricación implica la colocación de películas flexibles entre las capas rígidas antes de unirlas. El diseño híbrido elimina la necesidad de cables, ya que las islas rígidas utilizan puentes flexibles para conectarse entre sí. La placa mantiene su resistencia en zonas específicas, pero desarrolla flexibilidad en otras secciones.

Las PCB rígido-flexibles se utilizan en la industria aeroespacial, implantes médicos y equipos militares. Estas placas funcionan eficazmente en entornos exigentes que requieren diferentes niveles de rigidez. La placa contiene piezas rígidas que soportan componentes pesados ​​y secciones flexibles que crean estructuras similares a cables o permiten plegarlas. Su fabricación requiere una unión precisa de las capas, una laminación controlada y una alineación precisa de las áreas de cobre.

El proceso de diseño de estructuras rígido-flexibles comienza con el establecimiento de ajustes mecánicos y la determinación de los perfiles de plegado desde el principio. El diseño determina las regiones planas y las áreas que deben plegarse. La herramienta CAD debe ser compatible con el diseño de elementos de apilamiento rígidos y flexibles. Esta planificación minuciosa da como resultado un conjunto único que reduce el peso y el espacio, y simplifica los pasos de montaje.

Estructura de las PCB flexibles

La construcción de una placa flexible se asemeja a una delgada estructura tipo sándwich con propiedades flexibles. El componente principal de este sistema es un sustrato flexible. Las películas actúan como base donde se adhiere la lámina de cobre para crear los circuitos necesarios.

Las capas adhesivas funcionan como materiales de unión para mantener los componentes del circuito en su posición durante las operaciones de doblado. Las pistas de cobre reciben protección contra el desgaste y la humedad mediante la aplicación de una capa superior de recubrimiento.

¿Cuánto se puede doblar una PCB?

El radio de curvatura determina la curvatura máxima de los tableros flexibles. La medida estándar para la flexibilidad de curvatura es diez veces el grosor del tablero. Un radio de 1 mm es el requisito mínimo para doblar un tablero de 0.1 mm de grosor sin causar daños. Una sola curvatura funciona con un grosor cinco veces mayor, pero esto podría provocar fracturas en el tablero.

La elección del material influye en la flexibilidad. La poliimida conserva sus propiedades de resistencia al calentarse y soporta numerosos ciclos de flexión. El poliéster es el material más adecuado para el diseño de curvas estáticas. El espesor del cobre también es importante. La resistencia a la flexión del cobre fino aumenta, mientras que la tensión requerida disminuye.

Función del rigidizador en el diseño de PCB flexible

Los refuerzos sirven para mantener la planitud y estabilidad de las almohadillas de los componentes. Se colocan debajo de los conectores, circuitos integrados y puntos de prueba. Las uniones soldadas tienden a agrietarse cuando no hay refuerzos durante la flexión. Se recomienda usar adhesivo resistente al calor para conectar los refuerzos. El componente permanece fijo en su posición mientras se bloquea el movimiento de la placa.

Los materiales de refuerzo más utilizados son FR4, poliimida y aluminio. El FR4 ofrece una base rígida y económica. Los refuerzos de poliimida se adaptan a la flexibilidad del sustrato. El aluminio es un material resistente para conectores que requieren soporte estructural adicional. Los refuerzos deben moldearse antes de doblarse, manteniendo los bordes de la placa para el proceso. La colocación de los refuerzos se realiza debajo de los componentes o en los bordes de la placa para guiar los procesos de ensamblaje.

La adición de rigidizadores afecta el grosor de áreas específicas del tablero. Antes del montaje, es necesario tener en cuenta tanto los requisitos de altura como los márgenes de separación. La aplicación de cinta adhesiva o una lámina protectora en los bordes de los rigidizadores protege contra las tensiones ambientales. La colocación de los bordes de los rigidizadores bajo la cinta adhesiva o la lámina protectora garantiza la calidad del fresado y evita que la película se desprenda en las uniones entre el rigidizador y la sección flexible.

Consejos de diseño para placas de circuito impreso flexibles

Planifique el ancho y el espaciado de las pistas desde el principio del diseño. Las pistas más anchas transportan más corriente, pero añaden rigidez. Las pistas más estrechas permiten una mayor flexión, pero limitan la corriente. Mantenga un espaciado uniforme para evitar cortocircuitos por flexión. Mantenga los valores mínimos dentro de las capacidades de su fabricante.

Delimite las zonas de curvatura y mantenga alejadas las redes sensibles. Coloque líneas de curvatura donde la placa se curvará suavemente. Evite colocar vías en zonas de pliegue. Agregue patrones de relieve, como formas de hueso de perro, en los extremos de las pistas. Esto distribuye la tensión y evita grietas al flexionar la placa.

Coloque los componentes fuera de las zonas de flexión siempre que sea posible. Utilice piezas de montaje superficial de perfil bajo. Si debe colocar piezas en una zona de flexión, utilice conectores flexibles o conectores de inserción sin fuerza. Coloque las redes de alta velocidad o alta precisión en secciones estables para minimizar la distorsión de la señal causada por el movimiento flexible.

Elija herramientas CAD que gestionen el apilamiento flexible y la simulación de plegado. Muchas herramientas de PCB le permiten dibujar líneas de plegado neutras y visualizar la tensión del cobre. Defina la acumulación de capas con sustrato, adhesivo, cobre y recubrimiento. Exporte los datos de plegado a CAD mecánico para el diseño de la carcasa. Este flujo de trabajo le garantiza la detección temprana de problemas de ajuste o colisión.

Acerca de PCBasic

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Ventajas de los PCB flexibles

Las PCB flexibles ofrecen numerosas ventajas que permiten diseñar diseños compactos con pocas piezas. Estas son las principales ventajas.

•  Ahorra espacio al plegar el tablero en espacios reducidos.

•  Reducen el peso de tu dispositivo mediante el uso de películas delgadas.

•  Elimina cables y conectores adicionales de tu diseño.

•  Reducen los pasos de montaje y aceleran la producción.

•  Duran más en piezas móviles con tablas que se doblan.

•  Reducirás los costes de envío con un producto final más ligero.

Desventajas de las PCB flexibles

Si bien las PCB flexibles ofrecen muchas ventajas, también presentan algunas desventajas. A continuación, se presentan algunas.

•  Es posible que pague más en materiales y tarifas de procesamiento especiales.

•  Requieren un manejo cuidadoso y accesorios de montaje personalizados.

•  Limitan la cantidad de carga que se coloca en las zonas de curvatura.

•  Es necesario agregar refuerzos para conectores o piezas pesadas.

•  Requieren pruebas e inspección para detectar daños por flexión de forma temprana.

PCB flexible vs. PCB rígido-flexible

Los métodos de fabricación de las PCB flexibles y rígido-flexibles difieren, aunque cumplen los mismos requisitos funcionales. La siguiente tabla ilustra las principales diferencias entre las PCB flexibles y rígido-flexibles.

Servicios de fabricación de prototipos de PCB flexibles de PCBasic

El servicio rápido de fabricación de prototipos de PCB flexibles de PCBasic gestiona prototipos de cualquier nivel de complejidad. Puede enviar sus archivos Gerber y especificaciones de apilado a través de nuestra plataforma en línea. La revisión del diseño por parte de nuestros ingenieros le asesorará sobre el radio de curvatura, así como sobre las características del ancho de pista y las dimensiones del paso de la cubierta. La comunicación con el fabricante se realiza mediante correo electrónico y chat en tiempo real.

PCBasic utiliza cortadoras láser de precisión para fresar su prototipo antes de añadir láminas de cobre a las películas de poliimida mediante procesos de ploteo. Nos adaptamos a sus necesidades para unir materiales de recubrimiento y refuerzos. El taller de ensamblaje de nuestra empresa realiza operaciones de soldadura de piezas y pruebas funcionales mediante ciclos de flexión. El informe incluye fotos, registros de pruebas y documentación completa.

Conclusión

La tecnología de PCB flexible permite nuevos diseños de productos gracias a la minimización del espacio, la reducción de peso y la simplificación de los procedimientos de montaje. La selección incluye placas de una sola cara, diseños multicapa y rígido-flexibles, según las necesidades de su proyecto. La fiabilidad en movimiento se consigue gracias a una cuidadosa planificación de los materiales, las pistas y las consideraciones de flexión.

La experiencia y el rápido proceso de creación y producción de prototipos que fabricantes como PCBasic ofrecen a sus clientes. El uso de la placa flexible adecuada le permite desarrollar dispositivos dinámicos y delgados de forma eficiente y segura.