Desbloqueando nuevas ideas: Mi viaje al mundo de los PCB flexibles

Durante años, he utilizado las fiables y comunes placas verdes conocidas como placas de circuito impreso rígidas. Han sido la base de muchos dispositivos electrónicos que he ayudado a crear. Pero a medida que la tecnología avanzaba, necesitando diseños más pequeños, ligeros y complejos, me encontré con un problema. La rigidez de la placa de circuito tradicional se estaba convirtiendo en un problema real. Fue entonces cuando empecé a aprender todo sobre los PCB flexibles, y cambió totalmente mi punto de vista sobre lo que se puede hacer en el diseño electrónico.

Este artículo es para cualquiera que quiera ir más allá de la electrónica normal, como yo. Veremos los detalles de la placa de circuito impreso flexible (FPC), una tecnología que permite que los circuitos se doblen, giren y plieguen. Aprenderá sobre los materiales que los hacen especiales, los diferentes tipos que puede utilizar y los increíbles beneficios que aportan. Compartiré lo que he aprendido para mostrarle por qué conocer el PCB flexible es ahora esencial para cualquier persona seria en la electrónica moderna.

¿Qué es Exactamente una Placa de Circuito Impreso Flexible?

Todavía recuerdo la primera vez que vi una placa de circuito impreso flexible. Parecía menos hardware y más una cinta futurista. Un PCB flexible es básicamente un diseño de vías eléctricas sobre un material base delgado y flexible. Imagine una placa de circuito que pueda doblarse y girar sin dañar las conexiones. A diferencia de las rígidas, estos circuitos están hechos para adaptarse a la forma del producto en el que se encuentran. Esta característica principal es lo que convierte al circuito flexible en una parte clave de la electrónica moderna y pequeña.

Una placa de circuito impreso flexible hace el mismo trabajo que cualquier PCB: conecta y sujeta las piezas electrónicas. Pero, la forma en que está construido sobre un sustrato flexible, generalmente una película de polímero, es lo que lo hace diferente. Esto permite que se utilice un circuito flexible donde no se puede utilizar una placa de circuito rígida, como la conexión de piezas que se mueven o el ajuste en áreas de formas extrañas. La tecnología existe desde hace tiempo, pero ha crecido muy rápidamente debido a la necesidad de dispositivos electrónicos más pequeños y portátiles.

¿En qué se diferencian las PCB flexibles de las PCB rígidas?

Cuando empecé a investigar sobre la electrónica flexible, la diferencia más clara era, por supuesto, que podía doblarse. Pero a medida que aprendí más, vi que las diferencias son mucho más que sólo ser flexible. Un PCB rígido utiliza una base sólida y rígida, a menudo FR-4, que es un tipo de material de fibra de vidrio. Esto lo hace fuerte y estable. Un PCB flexible, sin embargo, utiliza un material base flexible como la poliimida, que le permite doblarse y flexionarse. Esta diferencia básica en los materiales decide cómo se utilizan; los PCB rígidos son ideales para productos grandes como ordenadores de sobremesa, mientras que los PCB flexibles son vitales para dispositivos pequeños como teléfonos inteligentes y dispositivos portátiles.

La forma en que se fabrican también tiene diferencias clave. Por ejemplo, en lugar de una máscara de soldadura, un circuito flexible suele utilizar una "capa de recubrimiento", que es una película protectora flexible para el circuito. El coste es otro factor importante. Al principio, un circuito flexible suele costar más de fabricar que una placa de circuito rígida. Pero, debido a que puede hacer que los productos sean más pequeños y eliminar la necesidad de conectores y cables, puede terminar ahorrando dinero en costes de montaje y materiales. He visto que estos "ahorros ocultos" a menudo hacen que el PCB flexible sea una opción de dinero más inteligente para diseños complejos.

¿Qué materiales componen un PCB flexible?

Lo que hace especial a un PCB flexible son los materiales utilizados para construirlo. Los materiales que elija afectan directamente a la capacidad de la placa para doblarse, a su duración y a su capacidad para soportar el calor. En mi experiencia, es muy importante entender estos materiales para diseñar un producto que funcione bien y dure mucho tiempo.

Aquí hay una lista de los principales materiales utilizados:

El material base que he visto con más frecuencia es poliimida (PI). El hecho de que pueda soportar altas temperaturas lo hace muy fuerte para trabajos duros. El conductor es casi siempre de cobre, que se graba para formar los patrones del circuito. A continuación, se aplica una fina capa protectora, como ENIG (Oro de inmersión de níquel sin electrolitos), plata de inmersióno estaño de inmersión, para evitar la oxidación y ayudar a la soldadura.

¿Existen diferentes tipos de PCB flexibles?

Al igual que las placas rígidas, los PCB flexibles vienen en algunos tipos diferentes, y cada uno es bueno para diferentes cosas. He aprendido que elegir el tipo correcto de circuito flexible es muy importante para el buen funcionamiento del producto final y para su coste. Por lo general, se clasifican por el número de capas de conductor que tienen.

Estos son los tipos comunes de circuitos flexibles que uso mucho:

• Circuitos flexibles de una sola cara: Estos son el tipo más básico de PCB flexible. Tienen una capa conductora en un solo lado de una película dieléctrica flexible. Creo que son ideales para usos sencillos en los que la placa se dobla una sola vez cuando se instala. A menudo se encuentran en cosas como una calculadora o el cabezal móvil de una impresora.
• Circuitos flexibles de doble cara: Estas placas tienen dos capas conductoras, una a cada lado de la base. Se utilizan orificios pasantes metalizados (PTH) para conectar las dos capas. Este diseño permite tener circuitos más complejos y densos, lo que lo convierte en una opción popular para cosas como cámaras digitales y teléfonos móviles.
• Circuitos flexibles multicapa: Para trabajos realmente complicados, los circuitos flexibles multicapa son el camino a seguir. Estos combinan algunos circuitos de una o dos caras pegados entre sí, con conexiones realizadas a través de orificios pasantes metalizados o microvías. Los he utilizado en productos de primer nivel como dispositivos médicos y unidades GPS donde se necesita una gran cantidad de conexiones en un espacio pequeño.
• PCB rígido-flexibles: Esta es una mezcla que combina lo mejor de ambos tipos. Un PCB rígido-flexible une placas de circuito rígidas y circuitos flexibles en una sola unidad conectada. Esto elimina la necesidad de conectores entre las placas rígidas, lo que lo hace más fiable y fácil de montar.

También hay tipos especiales como HDI (Interconexión de alta densidad) PCB flexibles. Estos utilizan materiales muy finos y microvías para productos que necesitan el mejor rendimiento y el tamaño más pequeño.

¿Cuáles son las ventajas reales de usar Flex en el mundo real?

Cuando empecé a utilizar PCB flexibles para algunos de mis proyectos, las ventajas fueron evidentes de inmediato. No se trataba sólo de poder doblarse; era un cambio básico en la libertad de diseño y en el buen funcionamiento de las cosas. Las muchas ventajas de una placa de circuito impreso flexible pueden ser un gran problema para la fabricación de nuevos productos.

Estos son algunos de los principales beneficios que he visto yo mismo:

• Menos espacio y peso: Este es a menudo el beneficio más comentado. Los circuitos flexibles son muy delgados y ligeros. He visto productos que pesan hasta un 75% menos en comparación con el uso de placas rígidas y configuraciones de cables de estilo antiguo. Esto es muy importante en áreas como la aeroespacial y para la fabricación de dispositivos portátiles ligeros.
• Más fiable y dura más: Al eliminar los conectores, que a menudo causan problemas, los diseños flexibles y rígido-flexibles mejoran enormemente la fiabilidad del sistema. El material de poliimida también puede soportar mejor las sacudidas y el calor extremo que los materiales de las placas rígidas.
• Libertad de diseño y flexión: Un circuito flexible puede doblarse, plegarse y moldearse en 3D. Esto me ha permitido diseñar productos electrónicos que pueden entrar en productos pequeños y de formas extrañas, lo que sería imposible con una placa de circuito rígida.
• Mejor eliminación del calor: Debido a que los PCB flexibles son tan delgados, a menudo hacen un mejor trabajo de gestión y eliminación del calor que sus primos rígidos más gruesos.
• Menores costes y tiempo de montaje: Aunque un PCB flexible puede costar más al principio, puede ahorrarle mucho dinero con el tiempo. Al sustituir las configuraciones de cables gruesos, se utiliza menos material, se necesita menos trabajo y hay menos posibilidades de errores durante el montaje.

¿Cómo se fabrican los circuitos impresos flexibles?

El proceso de fabricación de una placa de circuito flexible es similar en algunos aspectos al de fabricación de un PCB rígido, pero con importantes diferencias debido a que los materiales son flexibles. Conocer estos pasos básicos me ha ayudado a diseñar circuitos flexibles que son más fáciles y baratos de fabricar.

El proceso suele incluir estos pasos principales:

1. Preparación de los materiales: El proceso comienza eligiendo el sustrato flexible adecuado (como poliimida) y lámina de cobre. A menudo ya están pegados. A continuación, el material se corta al tamaño adecuado para la hoja de producción.
2. Perforación: Los agujeros para las piezas y las vías se perforan en el material. Para diseños densos, a menudo se utilizan láseres para hacer pequeños microvías.
3. Recubrimiento de cobre: Se coloca una capa de cobre en los agujeros perforados (esto se llama metalización de agujeros pasantes) para realizar conexiones eléctricas entre las capas de las placas de doble cara y multicapa.
4. Imagen y grabado del circuito: Se coloca un material sensible a la luz sobre el cobre. Se utiliza una máscara con el patrón del circuito para hacer brillar la luz UV sobre él. Las partes que no fueron expuestas a la luz y el cobre debajo son entonces lavados con productos químicos, dejando los caminos eléctricos necesarios del diseño del circuito.
5. Aplicación de la cubierta: En lugar de una máscara de soldadura, se coloca una cubierta (una capa de poliimida con pegamento) en la placa para proteger los circuitos de cobre de la humedad y los daños. Se dejan aberturas para las almohadillas de los componentes.
6. Acabado superficial: Para proteger las almohadillas de cobre abiertas de la oxidación y prepararlas para la soldadura, se coloca un acabado superficial. Los tipos comunes incluyen ENIG, OSP (Conservante orgánico de la soldabilidad), plata de inmersióno estaño de inmersión.
7. Aplicación de refuerzo: Si el diseño lo necesita, se unen a ciertos puntos refuerzos hechos de materiales como FR-4 o poliimida más gruesa para soportar los componentes.
8. Pruebas y corte: Las placas terminadas se prueban eléctricamente para asegurarse de que no haya roturas ni cortocircuitos. A continuación, se cortan de la hoja de producción principal.

¿Qué es una PCB rígida-flexible y cuándo debo usar una?

A menudo me preguntan sobre rígido-flexibles PCB, y tiene sentido. Son un poderoso paso adelante en la tecnología de placas de circuito. Un PCB rígido-flexible es una placa híbrida que tiene las mejores características de los circuitos rígidos y flexibles. Está hecho de partes de placas de circuito rígidas que están unidas suavemente por circuitos flexibles incorporados. Esto hace una sola PCB que puede ser doblada o plegada para adaptarse a la forma del producto final.

El mayor beneficio de un PCB rígido-flexible es que elimina la necesidad de conectores estándar, cables y las juntas de soldadura que suelen unir las placas rígidas separadas. Esto no sólo ahorra una enorme cantidad de espacio, sino que también hace que el sistema sea mucho más fiable al eliminar los puntos que podrían fallar. He descubierto que los diseños rígido-flexibles son ideales para productos complejos y de alto riesgo en los que el espacio es reducido y se necesita que sea muy duradero.

Entonces, ¿cuándo es una buena idea elegir un diseño rígido-flexible? Los sugiero para trabajos complejos que necesitan ser muy fiables, donde el espacio es limitado y la dureza es clave. Los ejemplos incluyen equipos militares, sistemas aeroespaciales y dispositivos médicos avanzados como marcapasos. Aunque hacerlos al principio es más difícil y cuesta más que un PCB flexible o rígido estándar, el montaje más fácil, el peso más ligero, el tamaño más pequeño y la mejor fiabilidad a menudo hacen que el coste adicional valga la pena.

¿Cuáles son las aplicaciones más comunes de los PCB flexibles?

El uso de PCB flexibles ha crecido muy rápido en los últimos diez años. Su capacidad especial para ahorrar espacio, ser más ligeros y soportar las sacudidas los ha hecho esenciales en casi todas las partes de la industria electrónica. He tenido la oportunidad de verlos utilizados en una gran variedad de productos.

Estas son algunas de las áreas más comunes donde se utilizan los circuitos impresos flexibles:

• Electrónica de consumo: Este es probablemente el mercado más grande. Los circuitos flexibles son una parte clave de los teléfonos inteligentes, tabletas, cámaras digitales y dispositivos portátiles modernos. Conectan pantallas, piezas de cámara y otros componentes en estos dispositivos muy abarrotados. El conocido teléfono inteligente plegable es un gran ejemplo de electrónica flexible en el trabajo.
• Automóvil: La industria del automóvil utiliza cada vez más circuitos flexibles para cosas como los paneles del salpicadero, los sistemas de control ABS y los circuitos colocados en el revestimiento del techo de un coche. Debido a que resisten las sacudidas, son perfectos para las duras condiciones bajo el capó.
• Productos sanitarios: En medicina, ser fiable es lo más importante. Los PCB flexibles y rígido-flexibles se utilizan en todo tipo de cosas, desde audífonos y marcapasos hasta máquinas de imagen médica. El hecho de que sean seguros para el cuerpo y puedan encajar en diseños pequeños y cómodos son beneficios clave para los implantes médicos y los dispositivos portátiles.
• Aeroespacial y militar: En estos importantes campos, el peso ligero y la resistencia de los PCB flexibles son vitales. Se utilizan en satélites, electrónica de aviones y sistemas GPS donde deben ser lo suficientemente resistentes para soportar el calor extremo y las sacudidas.

¿Existen reglas de diseño especiales para una placa de circuito flexible?

Hacer un diseño para una placa de circuito flexible es diferente a hacer uno para una placa rígida. Descubrí esto por las malas en uno de mis primeros proyectos. Para asegurarse de que es fiable, especialmente para las piezas que se doblan mucho, hay ciertas reglas de diseño que debe seguir. Si ignora esto, las vías eléctricas pueden agrietarse y fallar pronto.

Estas son algunas reglas muy importantes que siempre sigo al hacer diseños de placas de circuito con partes flexibles:

• Utilice curvas suaves: Las esquinas afiladas causan estrés. Utilice siempre trazas curvas con un gran radio de curvatura en lugar de giros bruscos de 90 grados. Una buena guía es hacer que el radio de curvatura sea al menos 10 veces más grueso que el material flexible.
• Trazas escalonadas: En circuitos flexibles de doble cara o multicapa, no coloque trazas justo encima de otras en el área que se dobla. Colocarlos en lados opuestos de forma escalonada distribuye mejor la tensión.
• Enrute los conductores a través de la curva: Las líneas del conductor deben correr rectas a través de la línea de curvatura cuando pueda. Esto ejerce menos tensión en las trazas de cobre cuando se flexionan.
• Realice transiciones suaves: No realice cambios bruscos en el ancho de una traza. Si necesita hacer una traza más pequeña, utilice una pendiente suave en lugar de un paso brusco.
• Mantenga las vías fuera de las áreas de curvatura: Los orificios pasantes metalizados y las vías son partes rígidas. Ponerlos en un lugar que necesita doblarse causará grandes problemas. Manténgalos en las partes planas y no flexibles de la placa o en las secciones rígidas de un diseño rígido-flexible.

Hablar con su fabricante también es muy importante. Pueden darle reglas específicas de DFM (Diseño para la Fabricabilidad) basadas en cómo hacen las cosas y los materiales que utilizan.

¿Por qué las PCB flexibles son cada vez más populares?

No se puede negar la tendencia: los PCB flexibles ya no son una tecnología especial; son una solución común. Desde mi punto de vista en la industria electrónica, las razones por las que se han vuelto tan populares son obvias. Es una combinación de lo que quiere el mercado y las mejoras en la tecnología. El impulso constante hacia una electrónica más pequeña, ligera y potente es la razón principal. Un PCB rígido normal con sus grandes conectores simplemente no puede encajar en los pequeños espacios y cumplir con los límites de peso de los dispositivos portátiles actuales, los nuevos teléfonos inteligentes y los sensores IoT.

Además, la fiabilidad de una placa de circuito flexible ha sido probada en los lugares más duros, desde el interior del cuerpo de una persona hasta el espacio exterior. A medida que industrias como la del automóvil y la de los dispositivos médicos utilizan una tecnología más avanzada, la necesidad de conexiones fuertes y fiables que puedan soportar las sacudidas y el movimiento constante ha crecido mucho. La capacidad de crear diseños complejos de placas de circuito en 3D también ha iniciado una nueva ola de nuevas ideas, permitiendo a los ingenieros y diseñadores de PCB ser más creativos.

Por último, aunque los materiales puedan costar más, el coste total de poseerlos suele ser menor. Utilizar menos piezas (como cables y conectores) y facilitar el proceso de montaje significa menores costes de montaje y menos posibilidades de errores. A medida que las formas de fabricarlos mejoren y sean más fáciles de acceder, creo que veremos que el uso de PCB flexibles y rígido-flexibles crece aún más, formando el futuro de los productos electrónicos avanzados.

Conclusiones clave para recordar:

• Un PCB flexible está hecho sobre un material base flexible, generalmente poliimida, que le permite doblarse y plegarse.
• Proporcionan grandes beneficios en la reducción de peso y tamaño, teniendo mejor fiabilidad, y permitiendo más libertad de diseño que una placa de circuito rígida.
• Los principales tipos son de una sola cara, de doble cara, multicapa y rígido-flexibles PCB, que mezclan tecnología rígida y flexible.
• Las reglas de diseño especiales, como el uso de curvas suaves y trazas escalonadas, son vitales para la larga vida de un circuito flexible.
• La creciente necesidad de más pequeños, ligeros y creativos electrónica en todas las industrias está haciendo circuitos impresos flexibles más popular.