Refuerzo (Stiffener) de PCB: un elemento esencial para circuitos flexibles

• La parte flexible necesita conectarse a otra placa o fuente de alimentación.
• Se necesita fijar un componente al material flexible de la PCB.
• Los componentes adjuntos ejercerán demasiado peso sobre la PCB flexible.
• Los conectores que requieren múltiples inserciones podrían estresar las almohadillas de conexión.

Función del Refuerzo en el Diseño de PCB Flexibles

Un refuerzo en una PCB flexible (FPC) es una capa rígida, típicamente hecha de materiales como poliamida o FR4, añadida a áreas específicas de la PCB flexible. Proporciona soporte mecánico y refuerzo para evitar doblamientos o flexiones en regiones delicadas, como zonas de conectores o puntos de montaje. Los refuerzos mejoran la durabilidad, aumentan la fiabilidad en áreas de alta tensión y ayudan a mantener la forma general de la FPC en secciones críticas.

¿Cuáles son los distintos usos de los materiales para refuerzos de PCB?

El tipo de refuerzo que necesita su PCB depende de varios factores. Existen tres tipos de refuerzos, cada uno con sus ventajas y desventajas. Cada tipo de refuerzo tiene un rango típico de espesores disponibles. Cuanto más grueso sea el refuerzo requerido, mayor será el impacto en el diseño general de la PCB y el circuito. Veamos cada uno.

1. Refuerzos FR4

FR4 es el mismo sustrato que normalmente se utiliza para construir PCBs. Es un material sólido hecho de resina epoxi, fibra de vidrio reforzada y cobre. Por esta razón, también es el material más utilizado para refuerzos. El grosor del FR4 varía entre 0,003" y 0,125". Los principales beneficios de los refuerzos FR4 son:

• Proporcionan soporte sólido y plano durante los procesos de ensamblaje pick-and-place y reflujo.
• Facilitan la aplicación de conectores Plated Through Hole (PTH) debido a su material sólido y conductor.
• Ofrecen una solución rentable, permitiendo que las PCBs flexibles se integren sin problemas con PCBs sólidas del mismo material.

2. Poliamida (PI)

Los refuerzos de poliamida se fabrican creando capas delgadas y firmes con polímeros de alta temperatura, como Kapton. Estas capas de polímero pueden apilarse para crear un refuerzo más grueso y firme, dependiendo de los requisitos del producto final. Los refuerzos de poliamida suelen estar disponibles en grosores de 0,001", 0,002", 0,003" y 0,005". Las principales razones para usar un refuerzo PI son:

• Excelente para crear resistencia a la soldadura y alta fuerza de adhesión.
• Mayor número de capas limita la flexión de la PCB, facilitando el ensamblaje.
• Aumenta la resistencia al desgaste en los orificios, reduciendo el daño a largo plazo.
• Se adapta fácilmente a inserciones adicionales como conectores ZIF o sockets.

3. Aluminio / Acero Inoxidable

Aunque son mucho más costosos que PI o FR4, el acero inoxidable y el aluminio ofrecen muchos beneficios que los hacen ideales para circuitos exigentes. El grosor de aluminio/acero inoxidable varía entre 0,1 mm y 0,45 mm. Algunos de estos beneficios incluyen:

• Mayor resistencia y robustez en los conectores.
• Resistencia a la corrosión.
• Mayor conformabilidad para los componentes.
• Espesor del refuerzo.

Consideraciones de Diseño para Refuerzos en PCB

Cuando se trata de la fijación de un refuerzo a un circuito, se utiliza calor y presión. También puede emplearse un adhesivo sensible a la presión para unir los refuerzos a la PCB. Al incorporar refuerzos en el diseño de una PCB, usted debe considerar varios factores:

Tamaño y Grosor de la Placa: Las placas más grandes y delgadas generalmente requieren un refuerzo más sólido.

Distribución de Componentes: La distribución y el peso de los componentes en la PCB afectan la colocación y el diseño del refuerzo requerido.

Condiciones Ambientales: Debe considerar las fluctuaciones de temperatura, humedad y niveles de vibración en el entorno de operación previsto.

Rendimiento Eléctrico: Los refuerzos no deben interferir con las características eléctricas de la PCB, como la integridad de la señal o el apantallamiento EMI.

Procesos de Fabricación: El diseño del refuerzo debe ser compatible con los procesos de fabricación y ensamblaje de la PCB.

Consideraciones de Coste: La elección del material del refuerzo y la complejidad del diseño afectan el coste total de la PCB.

Integración con el Diseño de PCB

Integrar los refuerzos en el proceso de diseño de la PCB implica varios pasos:

1- Planificación Temprana: Considere los requisitos de los refuerzos durante la fase inicial del diseño layout de la PCB.

2- Selección de Material: Elija materiales de refuerzo compatibles con el sustrato de la PCB y la aplicación prevista.

3- Análisis Térmico: Evalúe el impacto de los refuerzos en las características térmicas de la PCB.

4- Simulación Mecánica: Utilice análisis por elementos finitos (FEA) para optimizar el diseño y la colocación del refuerzo.

5- Consideraciones de Fabricación: Asegúrese de que el diseño del refuerzo sea compatible con los procesos de fabricación y ensamblaje de la PCB.

6- Pruebas y Validación: Realice prototipos y pruebas para verificar la efectividad del diseño del refuerzo.

Cómo Fijar un Refuerzo

Los refuerzos se fijan a una PCB flexible en el mismo lado que los componentes cuando se utilizan componentes de montaje con orificio metalizado (PTH). Esto permite acceder a las almohadillas de soldadura debajo del conector sin necesidad de desmontar, facilitando la colocación de un segundo refuerzo en el otro lado si es necesario.

Luego, los refuerzos se sellan en su lugar utilizando unión térmica o adhesivos sensibles a la presión.

Unión Térmica: El refuerzo se adhiere mediante calor y presión sin dañar los componentes. Esto proporciona un vínculo mucho más fuerte, haciéndolo más seguro cuando se utiliza. Sin embargo, este método es más costoso y requiere más tiempo. No se puede retirar el refuerzo sin causar daños significativos a la PCB y a sus componentes.

Adhesivos Sensibles a la Presión: Este método solo requiere presión para fijar el refuerzo, lo que es más económico y rápido, aunque menos permanente. Por ello, esta opción es ideal para la electrónica de consumo y permite retirarlo con facilidad si surge algún problema.

Colocación y Configuración del Refuerzo

La colocación efectiva de los refuerzos es crucial para un rendimiento óptimo. Las configuraciones comunes incluyen:

Refuerzos de Toda la Placa: Cubren toda el área de la PCB, proporcionando soporte máximo, pero pueden aumentar el peso y el costo.

Refuerzos Parciales: Se aplican en áreas específicas de la PCB que requieren soporte adicional, como zonas con componentes pesados o propensas a flexión.

Refuerzos de Borde: Refuerzan los bordes de la PCB para evitar flexión y mejorar el manejo durante el ensamblaje.

Refuerzos Localizados: Pequeños refuerzos dirigidos a soportar componentes específicos o áreas críticas del circuito.

Consejos de Diseño para Placas de Circuito Impreso Rígido-Flexible

1. Tenga en cuenta el radio máximo de flexión al trabajar con FPC de diferentes grosores.

2. En áreas donde el sustrato o la capa superior se dobla, evite discontinuidades.

3. Se pueden agregar "tear drops" para hacer los orificios pasantes más estables y rígidos. Para obtener más información sobre cómo agregar tear drops a su diseño, consulte esta página de tutorial de EasyEDA.

4. Utilice un refuerzo debajo del circuito electrónico principal de la PCB.

5. Redondee y haga un poco más grandes las esquinas para evitar que se rasgue la PCB en los bordes.

6. Alrededor de los refuerzos, se permiten marcas grabadas(etched markings), mientras que las marcas de serigrafía no.

Para obtener más información relacionada con el diseño, consulte un artículo completo sobre una PCB totalmente flexible de una placa Arduino.

La Diferencia Entre PCBs Rígido-Flex y Flex Rigidizado

El uso de refuerzos afectará el tipo de PCB que obtenga. Estas se conocen como PCBs Rígido-Flex o Flex Rigidizado. Mejorar la rigidez de la PCB requiere una planificación cuidadosa basada en la función del ensamblaje y las necesidades de soporte, asegurando que se utilice el refuerzo adecuado para la tarea. Las diferencias entre estas son:

• Rígido-Flex: Secciones rígidas con trazas conectadas mediante orificios; los refuerzos proporcionan conexiones eléctricas y se convierten en partes funcionales de la PCB.

• Flex Rigidizado: Los refuerzos solo proporcionan soporte mecánico sin afectar la funcionalidad de la PCB, ayudando al ensamblaje y aumentando la resistencia.

Conclusión:

La ventaja de utilizar un refuerzo en una PCB cuando necesitamos un área rígida en el circuito, con el fin de proteger los componentes o conectores, no puede ser sobreestimada. Al hacerlo, se asegura de que el circuito no se doble y de que se mantenga la integridad de las uniones de soldadura. Es común utilizar FR4 como material de refuerzo para rigidizar áreas específicas del circuito.

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