Hasta una fecha reciente tan solo unas pocas compañías eran capaces de fabricar circuitos impresos flexibles (flexible printed circuits, FPC) con una longitud superior a un par de metros. Ahora las nuevas técnicas de fabricación permiten diseñar y producir FPC multicapa con una longitud ilimitada. Esto abre todo un mundo de nuevas aplicaciones que antes debían ser cubiertas por voluminosos cableados convencionales.
A partir de un concepto propuesto por primera vez por el inventor Albert Hanson, quien lo patentó en 1902 y 1903, los FPC ahora representan un mercado mundial valorado en miles de millones de dólares. Dicho sea de paso, el término “circuito impreso” puede llevar a confusión ya que los FPC, al igual que sus homólogos rígidos, se fabrican mediante un proceso sustractivo con el cual el cobre es atacado químicamente en su sustrato para dejar los elementos conductores del circuito. No se imprime sobre el sustrato, por lo que no se deben confundir los FPC con innovaciones recientes en el ámbito de la “electrónica impresa”. Los sustratos están hechos de diversos materiales. Los poliésteres y las poliamidas se han venido utilizado de forma generalizada, pero actualmente están surgiendo otros polímeros avanzados, en concreto versiones termoplásticas que se pueden laminar en tramas o pueden funcionar a temperaturas muy elevadas. Los FPC pueden ser de una o dos caras, y en interconexiones de mayor densidad también pueden ser multicapa.
Los FPC multicapa suelen estar formados por varios circuitos flexibles de una o dos caras unidos por capas conductoras y de aislamiento y metalizado para formar un dispositivo interconectado compuesto. En la aplicación, los circuitos flexibles pueden ser estáticos o dinámicos. Se pueden flexionar para adaptarlos a la carcasa, permitiendo así incorporar una circuitería compleja a estructuras curvadas y aerodinámicas. Es posible que un diseño dinámico también se flexione cuando está en funcionamiento, por ejemplo en una conexión a través de la bisagra de la puerta de un coche. Un solo FPC puede sustituir no solo un cable plano, cableado discreto o complejos sistemas de cableado, sino también conectores e incluso placas de circuito (printed circuit boards, PCB) rígidas de tipo convencional. Los FPC permiten ahorrar peso y espacio, y a menudo reducen los costes además de mejorar las prestaciones del circuito.
Además, gracias a la naturaleza tridimensional de la tecnología FPC, los circuitos se pueden doblar y adaptar a diversos formatos, lo cual sería imposible con las PCB y cables convencionales. Los FPC se encuentran en un amplio abanico de productos electrónicos y eléctricos: automóvil, consumo, medicina, entretenimiento, TI y equipamiento industrial. Se utilizan ampliamente en dispositivos portátiles como consolas de juegos, ordenadores portátiles, teléfonos móviles y cámaras. Las cintas para el pecho y las pulseras para aplicaciones deportivas y los dispositivos de control médico constituyen claros ejemplos de aplicaciones vestibles (wearables). También se utilizan en dispositivos de pequeño tamaño como audífonos, marcapasos y bombas en medicina. Los sustratos ultrafinos y flexibles también han permitido el desarrollo de parches para la piel que sirven para controlar el nivel de azúcar en la sangre o dispensar medicamentos. En la industria, las etiquetas inteligentes incorporan circuitería de etiquetas RFID para aplicaciones de seguridad, lucha contra la falsificación y transporte, logística y localización.
Principales ventajas de los FPC
- Ahorro de espacio: sustratos dieléctricos muy finos, algunos a partir de 25 μm o menos, junto con su forma plana, permiten conectar los circuitos a la estructura de un producto o dentro de ella.
- Ahorro de peso: la reducción correspondiente de peso es mayor ya que se necesitan menos conectores y menos sujeciones. Los conductores más pequeños y el menor contenido de cobre contribuyen a ello.
- Versatilidad: los FPC están diseñados a medida para que se puedan doblar, curvar y adaptar prácticamente a una carcasa de cualquier forma.
- Robustez: las conexiones robustas en comparación con el cableado debido a que los conductores planos que incorpora el FPC pueden disipar menor el calor y transportar más corriente que los cables redondos equivalentes. El menor número de conectores aumenta la fiabilidad ya que desde un punto de vista físico son más resistentes que las PCB rígidas frente a vibraciones y choques.
- Mayor temperatura de trabajo: la estabilidad térmica es mejor, especialmente con materiales de poliamida, permitiendo así que el circuito resista niveles más extremos de calor que las PCB rígidas. El desajuste térmico también se ve reducido.
- Diafonía y ruido: se controlan más fácilmente utilizando un conductor de estructura uniforme en el circuito flexible. Entre las opciones para el plano de masa se encuentran películas de blindaje tramadas, de cobre sólido, aluminio o ligeras. El enlace entre vías y carriles internos de protección puede proporcionar un blindaje de 360o, con vías metalizadas a lo largo de toda la longitud del circuito.
- Buenas prestaciones de EMC: menores emisiones radiadas gracias al bucle de tierra más pequeño creado por las pistas de protección y las mejores características de pérdida de transmisión en modo diferencial.
- En aplicaciones de bus de datos, mejor control de la impedancia, menores pérdidas de transmisión y menos emisiones de campo radiadas gracias a las rutas de retorno de corriente más cortas.
- Instalación más sencilla y fiable: montaje más rápido de menos componentes; mejor repetibilidad ya que se requiere menos intervención manual; sin necesidad de codificar los cables por colores. Todo ello da como resultado unos costes de instalación más bajos, menor riesgo de rechazo durante el montaje y menos fallos de funcionamiento.
El proceso de fabricación IHT y las nuevas aplicaciones que permite
Como se ha señalado antes, la longitud de los FPC multicapa que se pueden fabricar ha restringido su adopción en numerosas aplicaciones. La longitud se ha visto limitada típicamente a 610 mm, si bien unos pocos fabricantes son capaces de producir circuitos de hasta varios metros. Un proceso patentado y denominado Improved Harness Technology™ (IHT) logra superar en la actualidad dichas limitaciones. IHT es un proceso de fabricación rollo a rollo que no solo permite fabricar FPC multicapa de cualquier longitud sino que también se puede automatizar en gran parte y es económico. En la fabricación convencional de FPC, pasos del proceso como el taladrado, la generación de la imagen, la impresión y la metalización se basan en equipos que suelen utilizar procesos estáticos. IHT emplea maquinaria especialmente adaptada y software a medida para los procesos dinámicos que exige la fabricación de FPC de una longitud indeterminada. Además, los procesos IHT utilizan materiales entregados en rollos, a diferencia de las láminas de tamaño fijo en las que se suelen suministrar los materiales. Hace falta un minucioso análisis y planificación antes de iniciar cualquier proyecto de implementación de FPC. Al indicar los requisitos, el cliente debe trabajar estrechamente con el fabricante con el fin de asegurar que un FPC sea adecuado para la aplicación. Para asegurar que el producto final funcione como está previsto se debe seguir un proceso de diseño detallado que cumpla los requisitos del producto final, el entorno de funcionamiento al que se dirige, la configuración del encapsulado, las características mecánicas y eléctricas y el método de montaje.
Como resultado de este proceso se obtiene la especificación exigida por el fabricante de FPC con el objetivo de validar el diseño y proporcionar los presupuestos pertinentes. Con IHT, Trackwise trata principalmente de sustituir el cableado convencional, cuyos componentes montados se limitan a los conectores. Los largos FPC producidos por el proceso IHT suelen ser PCB a las que se pueden incorporar componentes que utilicen técnicas PTH o SMT para obtener un cableado “inteligente”.
En la actualidad, las industrias del automóvil, aeroespacial y de telecomunicaciones aprovechan cada vez más las ventajas de los FPC. Se están sustituyendo cableados de gran tamaño, pesados y complejos por circuitos flexibles para adaptarse a las restricciones de espacio y peso en un creciente número de sistemas en la cabina y a bordo. En los coches, por ejemplo, durante los últimos años han crecido exponencialmente las funciones controladas de forma electrónica. Los vehículos actuales pueden incorporar entre 30 y 100 unidades de control electrónico y cubrir todos los aspectos relacionados con la gestión del motor, seguridad pasiva y activa, y confort de los pasajeros. Los modelos de lujo pueden contener hasta 1.500 cables de cobre cuya longitud total es superior a 1,5 km, y todo ello tiene que estar interconectado. Este porcentaje está llamado a crecer con la llegada de los vehículos eléctricos y autónomos. El sector de la aviación civil sigue en gran parte las mismas tendencias. En cualquier avión, el ahorro de peso tiene una gran importancia ya que afecta a los costes operativos y a las emisiones. IHT permite crear una sola estructura de circuito flexible que puede abarcar las alas del avión o desde el morro hasta la cola.
Se obtienen así importantes ventajas a nivel de subsistema y sistema ya que el propio FPC se convierte en un subsistema. IHT también abre el paso a la distribución de la electrónica, incluida la integración en el circuito de las funciones de detección y acondicionamiento de señal. De esta manera se crea en la práctica una interconexión inteligente en sustitución de interconexiones pasivas del cableado. En aplicaciones aeroespaciales, los circuitos flexibles han demostrado su capacidad para reducir el peso hasta un 75% respecto al cableado tradicional. Una aplicación reciente de IHT consiste en un cableado de 10 m de longitud y 6 capas con seguimiento de arco eléctrico para un avión comercial. Otros proyectos aeroespaciales son un circuito multicapa de 42 m para el cableado de alimentación destinado a la instalación de un panel solar en un vehículo espacial y un FPC blindado de 26 m de longitud para transferir alimentación y señal a lo ancho de un vehículo aéreo no tripulado. También empiezan a surgir aplicaciones en vehículos eléctricos, donde se espera la adopción de FPC producidos mediante el proceso IHT en cableados de alta y baja tensión para paquetes de baterías en vehículos eléctricos. En este caso el FPC puede combinar los circuitos de alimentación, control y supervisión.
Conclusión
La tendencia hacia la sostenibilidad y la protección del medio ambiente ha promovido la llegada de nuevos desarrollos en los mercados del automóvil y aeroespacial. Entre los futuros proyectos se encuentran vehículos eléctricos, vehículos aéreos no tripulados, motores de avión más eficientes y tecnología de satélite. Estos y otros desarrollos en el ámbito medico e industrial se deberán beneficiados por el diseño y la fabricación de circuitos flexibles con una longitud ilimitada.
