PCB flexible rígida

Una placa de circuit imprès rígida-flexible típica consta de tres parts clau, unides en capes i mitjançant processos especialitzats:
• Seccions rígides: Fabricats amb materials de substrat rígids tradicionals (per exemple, FR-4, una resina epoxi reforçada amb vidre). Aquestes peces proporcionen estabilitat mecànica per suportar components electrònics (com ara xips, resistències, condensadors) i garantir la integritat estructural.
• Seccions flexibles: Compost per substrats flexibles (els materials comuns inclouen poliimida, PI o polièster, PET). Aquestes peces són primes, lleugeres i es poden doblegar, plegar o retorçar repetidament, cosa que permet que la placa s'adapti a formes irregulars o entorns dinàmics (per exemple, peces que necessiten obrir-se/tancar-se o vibrar).
• Interconnexió de capes: Les seccions rígides i flexibles comparteixen capes internes de coure conductor (traces de senyal, línies elèctriques, plans de terra) que estan connectades perfectament. Això elimina la necessitat de cables, connectors o unions de soldadura entre plaques rígides i flexibles separades, reduint els riscos de fallada.

En comparació amb les PCB rígides independents o les PCB flexibles, les PCB rígides-flexibles ofereixen avantatges diferenciats:
• Estalvi d'espai i pes: Es poden plegar per encaixar en recintes ajustats i complexos (per exemple, telèfons plegables, dispositius portables), reduint la mida i el pes totals dels dispositius electrònics.
• Fiabilitat millorada: Menys connectors i unions de soldadura signifiquen menys punts potencials de fallada (per exemple, connexions soltes per vibracions o envelliment), cosa que és fonamental per a aplicacions d'alta fiabilitat com els equips aeroespacials.
• Muntatge simplificat: La integració de múltiples peces rígides i flexibles en una sola placa simplifica el procés de fabricació, reduint el temps de muntatge i l'error humà.
• Millora del rendiment: Les traces de coure contínues minimitzen la pèrdua de senyal i les interferències electromagnètiques (EMI), garantint una transmissió estable del senyal, essencial per a dispositius d'alta freqüència.

Les dimensions de classificació de les plaques de circuits impresos rígides flexibles (PCB rígid-flexible) són nombroses. La classificació principal es pot basar en la forma estructural, les característiques de l'àrea flexible, el nombre de capes i l'adaptabilitat als escenaris d'aplicació, etc. Les diferents categories corresponen a les diferents dificultats del procés i requisits d'ús. A continuació es mostren els mètodes de classificació principals i les explicacions detallades de la indústria.

• Classificats per forma estructural
Aquest és el mètode de classificació més utilitzat. La base principal és el mode de connexió i les característiques de disseny de les zones rígides i flexibles, que determinen directament la compatibilitat d'instal·lació de la PCB.
PCB combinada rígid-flexible de zona flexible única: Tota la placa té només una zona flexible contínua, amb els dos extrems o un extrem connectat a la placa rígida. La zona flexible s'utilitza principalment per aconseguir funcions de "plegat" o "gir", com ara el cable pla que connecta la pantalla del portàtil a la unitat principal i a la placa de circuit d'alguns auriculars. Té una estructura senzilla i de baix cost, i és el model bàsic més comú en electrònica de consum.
PCB combinada rígid-flexible de zona multiflexible: Conté dues o més zones flexibles independents i forma una estructura complexa mitjançant la connexió en sèrie de múltiples plaques rígides. És adequada per a equips que requereixen flexió multidireccional i disseny descentralitzat, com ara mòduls de sensors industrials (múltiples unitats de detecció estan connectades a la placa rígida de control principal a través de zones flexibles) i plaques de circuit de mòduls de lents per a telèfons mòbils multicàmera.
PCB combinada rígida i flexible tridimensional: l'àrea flexible pot aconseguir flexions i torsions en un espai tridimensional, mentre que l'àrea rígida es distribueix en diferents plans espacials i es connecta perfectament a través de l'àrea flexible. S'utilitza principalment en equips amb un espai extremadament compacte i formes irregulars, com ara la placa de control del fuselatge de vehicles aeris no tripulats i les plaques de circuits integrats dels panells d'instruments dels cotxes, que poden maximitzar l'ús de l'espai tridimensional.

• Classificats per les característiques de les regions flexibles
La principal distinció és si la part flexible es pot doblegar repetidament per adaptar-se a una instal·lació estàtica o a escenaris de treball dinàmics.
PCB combinada rígid-flexible estàtica: la zona flexible només es doblega i es modela una vegada durant el muntatge, mantenint una forma fixa durant l'ús posterior i no subjecta a deformacions repetides. Per exemple, el marc d'un telèfon plegable es connecta a la placa de circuit. Després del muntatge, la zona flexible roman en un estat plegat fix durant molt de temps. El requisit principal és l'estabilitat estructural després de la conformació.
PCB rígid-flexible dinàmica: la zona flexible ha de suportar flexions, torsions i altres accions dinàmiques repetides i a llarg termini, cosa que requereix una resistència a la fatiga extremadament alta i una adherència de la capa de coure del substrat flexible. Les aplicacions típiques inclouen la placa de circuit del mecanisme d'alimentació de paper de les impressores i els components d'obertura i tancament de dispositius portàtils (com ara rellotges plegables), que han de complir el requisit de no fallar després de desenes de milers de flexions.

• Classificar pel nombre de capes de línia
De manera similar a les PCB ordinàries, es classifiquen pel nombre de capes de circuits conductors. Com més capes hi hagi, més alt serà el grau d'integració i més complex serà el procés.
PCB rígid-flexible d'una sola capa: només conté una capa de làmina de coure conductora, i les zones flexible i rígida comparteixen aquesta capa de circuit. Té l'estructura més simple i el cost més baix, però la seva funció és única. Només és adequat per a circuits de baixa complexitat, com ara les plaques de control de joguines senzilles i les línies de connexió de petits comandaments a distància.
PCB combinada rígida-flexible de doble capa: consta de dues capes de làmina de coure conductora, amb conducció intercapa aconseguida a través de vies al mig. La zona flexible utilitza un substrat flexible i la zona rígida està equipada amb una placa central FR-4. Tenint en compte tant el cost com la practicitat, s'utilitza àmpliament com a mòdul perifèric per a telèfons intel·ligents i tauletes.
PCB rígid-flexible multicapa: el nombre de capes és ≥4, generalment compost per una superposició alterna de "capa rígida - capa flexible - capa rígida", i té una capa d'alimentació, una capa de terra i una capa de senyal a l'interior. Té un alt grau d'integració i pot aconseguir una transmissió de senyals i una gestió d'energia complexes. És adequat per a dispositius electrònics d'alta gamma, com ara plaques de circuits per satèl·lit en aeroespacial i plaques base de detecció de precisió en equips mèdics.

• Classificar per adaptació de funcions especials
Tipus especialitzats dissenyats per a entorns extrems o necessitats especials, amb requisits personalitzats addicionals per a materials i processos.
PCB combinada rígida-flexible d'alta freqüència: Adopta substrats flexibles amb baixa constant dielèctrica i baixa pèrdua (com ara poliimida modificada amb PTFE), reduint l'atenuació i la interferència durant la transmissió del senyal, i és adequada per a escenaris d'alta freqüència com ara equips 5G, sistemes de radar i equips de comunicació per satèl·lit.
PCB combinada rígida i flexible resistent a altes temperatures: el substrat flexible i l'adhesiu estan fets de materials resistents a altes temperatures (com ara PI especial), que poden funcionar de manera estable dins d'un rang de temperatura de -55 ℃ a 200 ℃ o fins i tot més ampli. S'utilitza àmpliament en equips perifèrics de motors aeronàutics i sensors industrials d'alta temperatura.
PCB combinada rígida i flexible d'interconnexió d'alta densitat (HDI): mitjançant l'ús de microvies i tecnologies d'amplada de línia fina i espaiat de línia, millora la densitat de línia i redueix la mida de la placa, cosa que la fa adequada per a dispositius miniaturitzats com ara rellotges intel·ligents i dispositius mèdics implantables (com ara plaques de circuits auxiliars per a marcapassos).

El disseny i la producció de PCB combinats rígids-flexibles ha de tenir en compte tant l'estabilitat estructural de les PCB rígides com l'adaptabilitat a la flexió de les PCB flexibles. Durant la fase de disseny, s'han d'evitar els riscos potencials en la producció i l'ús posteriors. En la fase de producció, cal controlar els enllaços especials del procés per garantir la fiabilitat i la consistència del producte. Els següents són els punts clau detallats del disseny i la producció:

• Punts clau del disseny
El disseny és el nucli de la qualitat de les PCB combinades rígides i flexibles. Cal tenir en compte simultàniament el rendiment elèctric, les característiques mecàniques i la viabilitat de la producció, amb un enfocament en els aspectes següents:

• Disseny estructural i de maquetació
El límit entre la zona rígida i la zona flexible és clar: s'ha de reservar una zona de transició (normalment de 0,5 a 1 mm) al límit entre la zona rígida i la zona flexible per evitar que els components, les vies i les làmines de coure creuin el límit i per evitar esquerdes a causa de diferències de material durant la flexió. Les vores de la zona flexible s'han d'arrodonir (radi ≥1 mm) per reduir la concentració d'esforços.
Ubicació de la zona flexible i planificació de la flexió: la zona flexible ha d'evitar zones d'alta tensió. En escenaris de flexió dinàmica, el radi de flexió ha de complir el requisit que "el radi de flexió mínim de la làmina de coure interior sigui ≥ 10 vegades el gruix del substrat flexible i el de la làmina de coure exterior sigui ≥15 vegades". La flexió estàtica només requereix una conformació única i el radi es pot reduir adequadament. Al mateix temps, eviteu la superposició i la flexió a la zona flexible per evitar que la compressió a llarg termini danyi el circuit.
La disposició dels components és raonable: els components que generen calor (com ara xips i resistències) s'han de concentrar a la zona rígida i lluny de la zona flexible per evitar l'envelliment del substrat flexible a causa de les altes temperatures. Els components de gran resistència (com ara interfícies i sensors) s'han de fixar a les zones rígides i s'ha de proporcionar espai reservat per a la dissipació de calor i forats de fixació.

• Disseny de línies i capes
La direcció de la línia s'adapta a la direcció de flexió: a la zona flexible, es prefereix que la direcció de la línia sigui horitzontal (paral·lela a la direcció de flexió) per reduir els danys per tracció/compressió a la làmina de coure durant la flexió. Eviteu establir línies primes i denses i línies amb angles aguts a la zona flexible. L'amplada i l'espaiat de la línia han de ser lleugerament més grans que els de la zona rígida (es recomana que l'amplada/espaiat mínim de la línia sigui ≥0,1 mm).
Optimització de l'estructura d'apilament: per a PCB combinats rígids-flexibles multicapa, la capa flexible ha d'adoptar una estructura simètrica (com ara "capa rígida - capa flexible - capa flexible - capa rígida") per evitar que la placa es deformi. Els materials del nucli rígid estan prohibits a la zona flexible. L'adhesiu ha de ser de materials flexibles (com ara acrílic) per garantir el rendiment de flexió.
Disseny de vies i connexió a terra: Les vies metal·litzades estan prohibides a la zona flexible. Totes les vies han de romandre a la zona rígida i estar almenys a 1 mm de distància del límit de la zona flexible. Configureu capes de connexió a terra independents per reduir la interferència del senyal. En escenaris d'alta freqüència, es poden adoptar estructures de "línia de microstrip" o "línia de cinta" per optimitzar la transmissió del senyal.

• La selecció de materials compleix els requisits
Substrat flexible: Per a escenaris de flexió dinàmica, trieu poliimida (PI) amb bona resistència a la fatiga; per a escenaris estàtics, es pot seleccionar polièster (PET) amb un cost més baix. Els equips d'alta freqüència han de seleccionar substrats de PI amb baixes constants dielèctriques (com ara PI modificat amb PTFE).
Làmina de coure i pel·lícula de recobriment: Per a zones flexibles, es prefereix làmina de coure enrotllada (amb bona ductilitat i resistència a la flexió), mentre que per a zones rígides es pot utilitzar làmina de coure electrolític. La superfície de la zona flexible s'ha de cobrir amb una pel·lícula de recobriment flexible (pel·lícula PI) i la vora ha de sobrepassar la làmina de coure entre 0,2 i 0,3 mm per proporcionar protecció i aïllament.

La producció de PCB combinats rígids i flexibles integra els processos de PCB rígids i flexibles, i requereix un control addicional sobre els enllaços de connexió entre rigidesa i flexibilitat. Els punts principals són els següents:

▶ Procés de pretractament i laminació del substrat
• Neteja del substrat: La superfície del substrat flexible de PI és propensa a adsorbir impureses. Cal eliminar les taques d'oli i les capes d'òxid mitjançant la neteja per plasma o el tractament químic per millorar l'adhesió entre la làmina de coure i el substrat. Els substrats rígids FR-4 s'han d'assecar i deshumidificar per evitar que es formin bombolles d'aire durant la laminació.
• Laminació precisa: Durant la laminació, cal controlar la temperatura, la pressió i el temps. Els paràmetres d'unió de la zona flexible i la zona rígida s'han d'establir de manera diferent per evitar la deformació del substrat flexible o la delaminació de la zona rígida. S'adopta el mètode de laminació gradual. Primer, es lamina la capa flexible i després es lamina amb la capa rígida per garantir una unió entre capes estreta.

▶Fabricació de circuits i control de gravat
• Exposició d'alta precisió: els substrats flexibles són propensos a estirar-se. S'han d'utilitzar accessoris especials per a la fixació durant l'exposició per evitar la desviació de la línia. S'adopta la màquina d'exposició a llum ultraviolada paral·lela per garantir la precisió del patró de línia, especialment per controlar l'error d'amplada de línia a la zona flexible dins de ±0,02 mm.
• Optimització del procés de gravat: s'utilitza una solució de gravat alcalina per tractar la làmina de coure a la zona flexible. La velocitat de gravat és lleugerament inferior a la de la zona rígida per evitar que un gravat excessiu provoqui la ruptura de la línia. Després del gravat, cal netejar-lo a temps per evitar que el líquid residual corroeixi el substrat.

▶Processos de tall i conformació
• Tall de contorns de zona flexible: El contorn de la zona flexible es processa mitjançant tall làser (làser de CO₂ o làser ultraviolat), amb un tall suau i sense rebaves, evitant l'esquinçament del material base causat pel tall mecànic. Durant el tall, cal controlar la potència del làser per evitar danys als circuits interns.
• Formació de zones rígides: La zona rígida es pot formar mitjançant fresat CNC, i les vores s'han de desbarbar i bisellar. El límit entre la zona rígida i la zona flexible s'ha de polir per segona vegada per garantir una transició suau i reduir la concentració d'esforços durant la flexió.

▶Postprocessament i inspecció de qualitat
• Tractament superficial: Les zones rígides poden sotmetre's a tractaments superficials com ara la polvorització d'estany, el xapat d'or i l'OSP per millorar el rendiment de la soldadura. La superfície de la zona flexible només està protegida per una pel·lícula de recobriment. Els tractaments a alta temperatura com la polvorització d'estany estan prohibits per evitar la deformació del material base.
• Inspecció de tot el procés: Durant la producció, cal inspeccionar l'adhesió entre capes (mitjançant la prova de pelat) i la conductivitat lineal (prova de sonda voladora). Els productes acabats s'han de sotmetre a proves de flexió (la flexió dinàmica requereix la simulació de desenes de milers de cicles) i a proves d'ambient d'alta i baixa temperatura per garantir l'estabilitat i la fiabilitat en escenaris d'ús.