Avances en materiales y fabricación de PCB flexibles

En los últimos años, el mundo de los PCB (placas de circuito impreso) flexibles ha experimentado un crecimiento y avances tecnológicos importantes. Estos desarrollos han llevado a un aumento en la participación de mercado y a una ampliación de las aplicaciones debido a los beneficios inherentes de la flexibilidad, la delgadez y el diseño liviano. En este artículo completo, exploraremos los materiales primarios utilizados en los PCB flexibles, sus mejoras de rendimiento y el panorama en evolución de las tecnologías de fabricación de PCB flexibles.

Mejora del rendimiento mediante materiales de sustrato

El rendimiento de las placas de circuito impreso flexibles depende en gran medida de las propiedades de los materiales del sustrato. Los sustratos desempeñan un papel fundamental, ya que actúan como portadores de conductores y como aislantes entre los circuitos. Además, deben ser flexibles y permitir que se doblen y se curven, lo cual es esencial para las placas de circuito impreso flexibles.

Los materiales de sustrato más utilizados para las placas de circuito impreso flexibles incluyen películas de poliimida (PI) y poliéster (PET), aunque también se emplean otras películas poliméricas como el naftalato de polietileno (PEN), el politetrafluoroetileno ( PTFE ) y la aramida. La elección del material de sustrato debe basarse en una evaluación exhaustiva de su rendimiento y rentabilidad.

Película de poliimida (PI)

La película de poliimida, una resina termoendurecible, es un material de sustrato líder para laminados flexibles revestidos de cobre (FCCL). A diferencia de la mayoría de las resinas termoendurecibles, el PI no se ablanda ni fluye a altas temperaturas, lo que lo hace especialmente adecuado para PCB flexibles. PI cuenta con una alta resistencia térmica y excelentes características eléctricas. Sin embargo, tiene un inconveniente en términos de absorción de humedad y resistencia al desgarro. Las películas de PI mejoradas tienen una absorción de humedad significativamente menor, del 0.7 %, en comparación con la tasa típica del 1.6 %. También exhiben una estabilidad dimensional mejorada, con tolerancias reducidas de ±0.04% a ±0.02%.

Película de poliéster (PET)

La resina PET ofrece un rendimiento mecánico y eléctrico favorable. Su principal limitación es su escasa resistencia al calor, lo que lo hace inadecuado para procesos de ensamblaje y soldadura directa. Sin embargo, el rendimiento del naftalato de polietileno (PEN) es superior al del PET, pero no alcanza las cualidades del PI, lo que lo convierte en una alternativa adecuada en algunas aplicaciones.

Polímero de cristal líquido (LCP)

Para diseños compactos de RF y de alta frecuencia con circuitos flexibles, Highleap también puede revisar un proyecto de fabricación de PCB LCP junto con la configuración de capas flexibles y el paquete de ensamblaje.

Para abordar las limitaciones de los sustratos de poliimida, el polímero de cristal líquido (LCP) ha surgido como una alternativa prometedora. LCP es un material termoplástico que se puede procesar en películas delgadas adecuadas para PCB. Presenta una baja absorción de humedad (0.04%) y una constante dieléctrica de 2.85 (1GHz), lo que lo hace adecuado para circuitos digitales de alta frecuencia. Las propiedades del LCP, incluida la compatibilidad de alta frecuencia, la estabilidad dimensional térmica y la baja absorción de humedad, han llevado a su adopción en la fabricación de PCB flexibles.

Materiales de sustrato libres de halógenos

La industria electrónica ha experimentado un cambio hacia la responsabilidad ambiental. Normativas como RoHS (Restricción de Sustancias Peligrosas) y WEEE (Residuos de Aparatos Eléctricos y Electrónicos) han prohibido el uso de sustancias peligrosas en dispositivos electrónicos. Como resultado, se han desarrollado materiales de sustrato libres de halógenos compatibles con los requisitos ambientales, los cuales se utilizan ampliamente tanto en placas de circuito impreso rígidas como flexibles.

Materiales de sustrato en evolución

A medida que la demanda de PCB flexibles sigue creciendo, se realizan esfuerzos continuos de investigación y desarrollo para explorar nuevos materiales de sustrato que puedan mejorar aún más el rendimiento de los circuitos flexibles. Con más de 2000 tipos de películas plásticas aplicables disponibles en todo el mundo, sin duda hay margen para el descubrimiento de materiales que puedan ampliar los límites del diseño de PCB flexibles.

El papel del adhesivo en los PCB flexibles

Para las estructuras flexibles de poliimida que requieren un sistema adhesivo definido, el proceso de circuitos flexibles Pyralux LF de DuPont es una referencia útil específica del material antes de que se libere la estructura.

El adhesivo es un componente crítico en los PCB flexibles, ya que es responsable de unir la lámina de cobre y la película del material del sustrato. Los adhesivos se clasifican en varias categorías, que incluyen resina PI, resina PET, resina epoxi modificada y resina acrílica. Entre ellas, la resina epoxi modificada y la resina acrílica se utilizan más comúnmente debido a su alta fuerza adhesiva.

Material de sustrato PI de dos capas

El laminado revestido de cobre flexible tradicional (FCCL) normalmente consta de tres capas: poliimida, adhesivo y lámina de cobre. Sin embargo, la capa adhesiva a veces puede afectar negativamente el rendimiento de los PCB flexibles, particularmente en términos de rendimiento eléctrico y estabilidad dimensional. Para abordar este problema, se ha desarrollado CCL flexible de dos capas (2L-FCCL) sin adhesivo. Este avance no solo mejora la compatibilidad ambiental de los PCB flexibles, sino que también cumple con los requisitos de la soldadura sin plomo al elevar el umbral de temperatura de 220 °C a 260-300 °C. En la Tabla 2 a continuación se proporciona una comparación entre 3L-FCCL sin adhesivo y 1L-FCCL con adhesivo.

Normalmente se utilizan tres métodos para fabricar 2L-FCCL:

1. galvanoplastia
2. Recubrimiento de película
3. Laminación

Cada método tiene sus ventajas y se elige en función de requisitos específicos. La galvanoplastia, por ejemplo, es adecuada para la producción de laminados y materiales de sustrato más delgados, y ofrece una solución rentable. El recubrimiento con película es ideal para la producción en gran volumen y ofrece rentabilidad. La laminación, por otro lado, destaca en la fabricación de tableros de doble cara.

Material de sustrato de polímero de cristal líquido (LCP)

El polímero de cristal líquido (LCP) es un material de sustrato relativamente nuevo que busca abordar las limitaciones de los sustratos de poliimida. La película LCP está recubierta con una lámina de cobre y se prensa en caliente para crear laminados revestidos de cobre (CCL) de una o dos caras. Los CCL basados ​​en LCP ofrecen propiedades excepcionales, incluida una baja tasa de absorción de agua de solo el 0.04 % y una constante dieléctrica compatible con circuitos digitales de alta frecuencia (2.85 a 1 GHz). Las propiedades de LCP lo convierten en una opción ideal para aplicaciones de alta frecuencia en PCB flexibles.

Materiales de sustrato flexibles libres de halógenos

Las regulaciones ambientales han obligado a la industria electrónica a realizar la transición a materiales de sustrato libres de halógenos. Desde 2003, la UE ha implementado las regulaciones RoHS y WEEE, restringiendo el uso de seis sustancias peligrosas y regulando el procesamiento de residuos de equipos electrónicos y eléctricos. Estas regulaciones han impactado los materiales utilizados en los PCB, incluidos los PCB flexibles. Como resultado, varios componentes de los PCB flexibles, como FCCL, recubrimientos, preimpregnados, máscaras de soldadura y placas de refuerzo, deben cumplir requisitos de resistencia al fuego y ausencia de halógenos.

Avances en láminas de cobre

La conductividad es una propiedad crítica en los PCB flexibles y la lámina de cobre sirve como material conductor principal. Además del cobre, a veces se utilizan materiales de aleación como aluminio, níquel, oro y plata. La elección de la lámina de cobre depende de la aplicación específica y del método de fabricación.

Lámina de cobre por electrodepósito (ED)

La lámina de cobre ED es uno de los materiales conductores más utilizados en PCB flexibles. Se caracteriza por una estructura cristalina en forma de escamas de pez, lo que da como resultado una lámina de cobre suave y con buena tenacidad. La lámina de cobre ED es adecuada para PCB dinámicamente flexibles que requieren una gran flexibilidad.

Lámina de cobre laminada y recocida (RA)

La lámina de cobre RA, por otro lado, presenta una estructura cristalina columnar, lo que da como resultado una estructura uniforme y plana. Este tipo de lámina de cobre es ideal para procesos de desbaste y grabado. La lámina de cobre RA se utiliza a menudo en PCB flexibles de alta densidad.

Demandas emergentes en láminas de cobre

A medida que aumenta la demanda de PCB flexibles de alta densidad con pasos más finos que van desde 40 μm a 50 μm, se imponen nuevos requisitos a la fabricación de láminas de cobre. Estos requisitos incluyen una baja rugosidad de la superficie y láminas de cobre ultrafinas para satisfacer las necesidades de la producción de PCB en gran volumen.

Pasta de plata conductora

La fabricación de PCB flexible implica el uso de tinta conductora, que se imprime en una película aislante para crear capas de alambre o blindaje. La pasta de plata conductora es el material principal utilizado para este propósito. Es esencial que la capa conductora impresa presente baja resistencia, garantice una conexión sólida y conserve la flexibilidad. Además, el proceso de impresión debería ser fácilmente implementable y el curado debería ser rápido.

La pasta de plata conductora moderna satisface estas demandas, permitiendo la formación de patrones conductores en películas, telas y papel de polímeros termoestables o termoplásticos. Esta tecnología también se extiende a la creación de gráficos utilizados en productos RFID. Los productos finales que contienen pasta de plata conductora se prueban rigurosamente en cuanto a almacenamiento a alta temperatura, resistencia a la humedad y rendimiento cíclico a alta y baja temperatura. La pasta de plata conductora se alinea con los requisitos de protección ambiental y rentabilidad.

Cubierta de poliimida (PI) fotosensible

Los recubrimientos adhesivos/PI tradicionales se han enfrentado a limitaciones para cumplir con los requisitos de los PCB flexibles de alta densidad, dimensionalmente estables y respetuosos con el medio ambiente. En respuesta, se ha desarrollado Photo-Imageable Coverlay (PIC). El PIC, que depende de resinas epoxi o acrílicas modificadas, ha ganado popularidad debido a su alta resolución, excelente fuerza de unión y flexibilidad. Sin embargo, estos PIC tienen limitaciones, incluida la baja estabilidad dimensional en PCB de alta densidad, la baja temperatura de transición vítrea (Tg) y la resistencia térmica limitada.

Conclusión

Los PCB flexibles han recorrido un largo camino en términos de materiales y tecnologías de fabricación. Los avances en materiales de sustrato, láminas de cobre, pastas conductoras y recubrimientos han abierto nuevas posibilidades para PCB flexibles de alta densidad, alta frecuencia y respetuosos con el medio ambiente. A medida que la demanda de productos electrónicos flexibles continúa creciendo, está claro que los esfuerzos continuos de investigación y desarrollo conducirán a mayores innovaciones en materiales y procesos.

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