Circuitos impresos rígido-flexibles: cómo diseñarlos con PADS Professional

Los circuitos impresos rígido-flexibles son una tecnología altamente versátil, que aumenta las posibilidades de obtener productos competitivos en el mercado, por lo que el diseño de este tipo de circuitos adquiere cada día mayor importancia.

¿Por qué razones es recomendable la aplicación de la tecnología rígido-flexible? La primera de ellas es que supone una reducción de los costes. Esto es debido a que los circuitos impresos rígido-flexibles permiten una mayor integración con el cableado, sin requerir conectores en las operaciones de ensamblaje, y al hecho de poderse realizar el test del dispositivo en una única fase. Encontramos, así mismo, una reducción de los costes asociada a los grandes volúmenes de producción, característicos de los productos de gran consumo, algunos de los cuales son optimizados a través de la tecnología rígido-flexible.

La segunda razón para confiar en esta tecnología tiene que ver con la fiablidad. Los circuitos rígido-flexibles presentan una alta tolerancia a vibraciones y golpes y, volviendo al ensamblaje del dispositivo, durante esta fase se elimina la posibilidad de errores humanos. Además, suponen una mejora en la transmisión de señales.

La tercera razón, de suma importancia, es que los circuitos rígido-flexibles suponen una reducción, tanto en términos de dimensiones como de peso, de los dispositivos, gracias a la eliminación de componentes como los conectores.

Ejemplos de uso de circuitos impresos rígido-flexibles

Los ámbitos de aplicación de los circuitos impresos rígido-flexibles son muy diversos. Esta tecnología abarca desde los dispositivos militares hasta productos de consumo, de dimensiones reducidas, como es el caso de una cámara fotográfica o, aún más, de una pulsera de actividad.

Las aplicaciones de los circuitos impresos rígido-flexibles se diferencian por el nivel de complejidad que presentan, así como en función de los tipos de conexiones, de las modalidades de interconexión y de la posición de los componentes (a veces situados sobre la parte flexible).

Una de las situaciones más sencillas que podemos encontrar es el diseño de un cable flexible para un PCB, un stack up que define la transmisión de las señales entre dos conectores.

En un nivel un poco superior encontramos los circuitos rígido-flexibles. Se tratan de circuitos formados por varias placas rígidas, conectadas por medio de sustratos flexibles, con stack ups diferentes. Por ejemplo: tres placas con stack ups diferentes, interconectadas mediante conexiones flat, con diferente número de capas. Normalmente, esta tecnología se produce en un único panel.

Un proyecto más avanzado hace igualmente referencia a los circuitos rígido-flexibles, formados por varias placas rígidas, conectadas por medio de sustratos flexibles, con stack ups diferentes. En este caso, el circuito cuenta con componentes colocados sobre la partes flexibles, lo cual complica la fase de ensamblaje. Esta modalidad también suele producirse en un único panel.

Por último, encontramos la posibilidad más compleja: un sistema rígido-flexible, con un esquema de interconexión común, pero subdividido en varios circuitos impresos. Pueden existir varios diseños de circuito impreso, interconectados a través de las partes flexibles (los PCBs que componen el sistema no han de ser necesariamente iguales). Esta modalidad puede producirse en un único panel o en varios.

Las desventajas que presentan los circuitos impresos rígido-flexibles hacen referencia, principalmente, al diseño:

• Aumento de la complejidad de gestión del sistema.
• Aumento de la complejidad de gestión de la propiedad intelectual IP del sistema completo.
• Necesidad de un mayor control de la fiabilidad y de la calidad, al combinarse placas con características diferentes.
• Necesidad de una colaboración eficiente entre los diferentes equipos implicados en un proyecto.

Como problemáticas productivas encontramos las siguientes:

• Aumento del coste de elaboración.
• Aumento del coste de los materiales.
• Aumento de la sensibilidad a los arañazos.

En el ámbito de la tecnología rígido-flexible encontramos algunos términos específicos:

Coverlay:  capa elaborada con un material flexible que protege y aísla los circuitos. Favorece la flexibilidad y previniendo levantamientos.

Adhesivo: capa empleada donde el cobre se une directamente al material base.

Stiffener: capa elaborada para reforzar un área flexible para la colocación de los componentes.

Normalmente, los CAD dividen un sistema en zonas para gestionar los diferentes stack ups, lo cual obliga a crear un diseño dividido en ocho zonas. El problema que presenta este método es la imposibilidad de gestionar cada una de las zonas de manera independiente en el caso de que se superpongan en el eje Z; un pequeño cambio se propaga a las demás áreas circundantes y stack ups.

PADS Professional proporciona la posibilidad de implementar board outlines individuales, lo cual permite gestionar cada uno de ellos de manera particular, reduciendo el impacto de las modificaciones sobre los demás elementos. De este modo se simplifica la gestión de estructuras rígido-flexibles complejas, con distintos stack ups y superposiciones. Admite el Stack Up Master y capas adicionales como coverlays, adhesivos, stiffeners o flex cores.

Las configuraciones de stack up admitidas por PADS Professional son:

• Embedded cover lay.
• Bikini cover lay.
• Bookbinder flex.
• Rigid-flex con PCBs rígidos y stack ups independientes.
• Flex y rigid-flex con stiffeners.

Los elementos admitidos en el Stackup Editor de PADS Professional son:

• Cover layers.
• Adhesives.
• Stiffeners.
• Flex cores.

PADS Professional permite una gestión dinámica de los padstacks, con lo que se pueden definir tanto las aperturas en las capas de cobertura superiores e inferiores, como en los stiffeners (los agujeros son representados en tiempo real sobre la capa de cobertura). Esto permite emplear una sola biblioteca para ambas tecnologías.

PADS Professional incluye un elemento específico para definir el punto y modalidad de pleglado de la placa, en base a diferentes parámetros: radius, angle, allow corners (plegado de pistas), allow width change (modificación del espesor de una pista), allow non-perp (pistas que no se corresponden con un ángulo de plegado de 90º), allow vias, allow solid fills (exige el relleno cross-hatch si está deshabilitado), allow parts, bend order (secuencia de plegado), left/right slide distance (animación dinámica del plegado con DRC), binding length (longitud extra para Book Binder Flex).

Para favorecer un flujo de trabajo eficiente, los diseños rígido-flexibles han de responder a unos criterios específicos en lo que respecta al enrutamiento de los circuitos impresos:

• Recorridos lo más perpendiculares posible a la línea de plegado.
• Inexistencia de contacto en el área de plegado con otras placas flexibles.
• Distribución uniforme de los conductores.
• Si es posible, prever conductores más amplios en la parte externa, cerca del contorno de flexión.
• Mantenimiento de un offset entre las pistas top y bottom para prevenir el I-Beaming.
• Si es posible, evitar ángulos en las pistas en la zona de flexión.
• Perforaciones para terminar posibles splits en la parte flexible para prevenir rasgaduras.

En la imagen se muestran ejemplos de soluciones más o menos aceptables:

PADS Professional ofrece distintas funcionalidades para resolver el enrutamiento cuando se refiere a la zona flexible: AutoRouter, Sketch Router, All Angle Plow, Multi Plow con arcos.

Además, es posible generar de manera automática el teardrop, lo cual uniforma la transacción entre una pista y el pad y aumenta la fiabilidad de la zona de plegado.

PADS Professional, en lo que se refiere a la exportación de datos, genera los datos en formato ODB++.

Hazard Explorer permite identificar rápidamente posibles problemáticas típicas de los circuitos flexibles, como elementos situados demasiado cerca del área de plegado, pistas no perpendiculares a la línea de plegado o la falta de teardrops curvos.

Además, la funcionalidad Flex Analysis HyperLynx supone un soporte completo, ya que permite la importación y modificación de stack ups múltiples, las secciones transversales durante la simulación y un modelado preciso de las pistas sobre planos retinados.

En la fase final es posible verificar la corrección de las áreas de plegado y la inexistencia de interferencias en un entorno 3D foto-realístico.

Es posible la exportación de los diseños, tanto electrónicos como mecánicos, en formato Step o ProStep, en el caso de que sea necesaria una colaboración incremental. La versión VX 2.3 de PADS Professional incluye el módulo dedicado a la colaboración ECAD-MCAD en todas las configuraciones y sin coste adicional.

Información técnica: PADS MCAD Collaboration

En resumen, PADS Professional pone a la disposición del diseñador una amplia gama de funcionalidades para gestionar de manera completa la complejidad de los diseños que implican la tecnología rígido-flexible. La metodología “correct by construction” posibilita la verificación de los errores en tiempo real, junto a otras funciones pensadas para optimizar la calidad y la fiabilidad de los productos. “Design reuse” permiten gestionar de manera ágil las partes repetitivas del enrutamiento. Por último, PADS Professional, también en lo que se refiere a la tecnología rígido-flexible, favorece una colaboración ECAD-MCAD de calidad.