ES2284512T3

ES2284512T3 - Tarjeta de circuito flexible y metodo para fabricar una tarjeta de circuito flexible.

Info

Publication number: ES2284512T3
Application number: ES00950932T
Authority: ES
Inventors: David J. Anderson; Tomasz L. Klosowiak
Original assignee: Motorola Inc
Current assignee: Motorola Solutions Inc
Priority date: 1999-10-01
Filing date: 2000-08-02
Publication date: 2007-11-16
Anticipated expiration: 2020-08-02
Also published as: DE60034806T2; DE60034806D1; EP1224847A1; WO2001026433A1; US6292370B1; EP1224847A4; EP1224847B1; ATE362305T1

Abstract

Una tarjeta de circuito flexible (10) caracterizado por: al menos una capa de un material del sustrato del circuito sustancialmente rígido (11), teniendo la, al menos una, capa una primera porción (12) y una segunda porción (14) y una región de doblado (16) que separa la primera y la segunda porción, estando formadas cada una de las porciones primera (12) y segunda (14) con trazas conductoras (32, 33) y con isletas conductoras para fijar e interconectar los componentes eléctricos a los mismos y conectar las trazas conductoras formadas entre la primera porción (12) y la segunda porción (14), extendiéndose las trazas conductoras de conexión (38) a través de la región de doblado (16); y estando plegada la primera porción (12) respecto a la segunda porción (14) formando un primer doblez (R1), un segundo doblez (R3) y un tercer doblez (R2) en la región de doblado (16), en el que el tercer doblez (R2) está intermedio entre el primer doblez (R1) y el segundo doblez (R3) y doblado en dirección opuesta a los mismos.

Description

Tarjeta de circuito flexible y método para fabricar una tarjeta de circuito flexible.

Campo de la invención

La presente invención se refiere en general a circuitos flexibles, y más particularmente, la presente invención se refiere a una tarjeta de circuito flexible y a un método para fabricar una tarjeta de circuito flexible.

Antecedentes de la invención

Los circuitos electrónicos funcionan como resultado de la interconexión y la interacción de numerosos componentes electrónicos. Típicamente, los diversos componentes electrónicos están interconectados usando una tarjeta de circuito.

La tecnología de las tarjetas de circuitos impresos rígidos se conoce muy bien. Se forman trazas conductoras sobre un sustrato, en base a un patrón predeterminado. En ciertas posiciones sobre la tarjeta de circuito se forman isletas conductoras que se acoplan a las trazas conductoras. Las isletas conductoras definen las posiciones sobre la tarjeta de circuito en las que se acoplan eléctricamente los componentes electrónicos, por ejemplo, por soldadura. Con todos los componentes electrónicos requeridos fijados a la tarjeta de circuito, las trazas conductoras interconectan los componentes electrónicos de modo que la tarjeta de circuito hace posible realizar una o muchas funciones para las que se diseño.

Un material que es bien conocido en la construcción de tarjetas de circuitos es el tipo de fibra de vidrio epoxi conocido como FR4. Una tarjeta de circuito típica tendrá numerosas capas laminadas de fibra de vidrio epoxi para proporcionar un sustrato relativamente rígido y estructuralmente estable sobre el cual pueden formarse las trazas conductoras y las isletas a las que pueden fijarse los componentes electrónicos.

Algunas aplicaciones de circuitos requieren que la tarjeta de circuito sea flexible. En algunas aplicaciones de circuito flexible, una parte de la tarjeta de circuito puede flexionar durante el funcionamiento normal del dispositivo al que está asociado. Por ejemplo, en algunas aplicaciones se requiere que los componentes mecánicos a los que se fijan los circuitos se muevan relativamente entre sí durante el funcionamiento normal. Si se requieren numerosas interconexiones entre los elementos del circuito acoplados a los componentes mecánicos respectivos puede que no sea práctica una conexión cableada. Puede usarse ventajosamente una tarjeta de circuito flexible formando las interconexiones como trazas conductoras sobre una tarjeta de circuito flexible.

El material FR4 no ha sido adecuado para su uso en circuitos flexibles. Como se ha descrito anteriormente, el material FR4 es típicamente una construcción de numerosas capas de tejido de fibra de vidrio dentro de una resina epoxi (por ejemplo, alrededor de entre 2 - 5 capas). Una vez curada la resina epoxi, individualmente y/o colectivamente, las capas son rígidas. Un material sustitutivo que se ha usado satisfactoriamente para formar circuitos flexibles es la poliamida. No obstante la poliamida es sustancialmente más cara que el FR4.

Una aplicación particularmente útil para las tarjetas de circuito flexibles es el empaquetado tridimensional (3D). En la aplicación de empaquetado 3D, se dispone de una tarjeta de circuito plano y se fijan los elementos del circuito a la tarjeta de circuito en esta forma plana. La tarjeta plana se dobla a continuación una o más veces para facilitar el empaquetado del circuito dentro de una carcasa y reducir el volumen ocupado por el paquete del circuito. La construcción de circuitos de forma plana simplifica y facilita la fabricación usando automatización. La facultad de doblar a continuación la tarjeta de circuito dentro de un volumen más compacto es una gran ventaja para el diseño de empaquetado, y particularmente para el diseñador de empaquetado de electrónica de automoción, que frecuentemente se enfrenta a restricciones de espacio. No obstante, tal plegado requiere que sea flexible al menos la parte de la tarjeta de circuito que se va a doblar.

A diferencia de las aplicaciones en las que la tarjeta de circuito debe flexionarse repetidamente durante el normal funcionamiento, las tarjetas de circuitos flexibles en aplicaciones de empaquetamiento 3D pueden considerarse como "flexibles estáticas". Esto es, la tarjeta de circuito necesita flexionarse solo una vez cuando se fabrica y doblarse en su configuración final. Aunque sólo se requiere flexionar la tarjeta de circuito una vez, puede requerir formar un doblez en la tarjeta de circuito de un radio relativamente pequeño, por ejemplo, menos de 3 mm (120 milésimas). Estos requisitos de doblado limitan de nuevo la construcción de las tarjetas de circuitos a materiales muy flexibles, es decir poliamida, ya que los materiales típicos de FR4 son de nuevo demasiado quebradizos para formar dobleces de radios tan pequeños. Formar dobleces en el material FR4 de radios menores de alrededor de 5mm (200 milésimas) típicamente produce el agrietamiento de la tarjeta de circuito, lo que es un defecto inadmisible.

El documento GB 2294363 describe una técnica para proporcionar una tarjeta de circuito de fibra de vidrio epoxi doblada en una carcasa. El documento US 56655291 describe una técnica para proporcionar una tarjeta de circuito de FR4 doblada. En ambas técnicas mencionadas anteriormente la tarjeta de circuito comprende trazas conductoras y está poblada con componentes y la región de doblado comprende un doblez único.

Sería deseable y ventajoso formar una tarjeta de circuito flexible para una aplicación de empaquetamiento 3D usando materiales menos caros, tales como el FR4, sin las limitaciones asociadas sobre la capacidad de formar dobleces en la tarjeta de circuito.

Breve descripción de los dibujos

La Fig. 1 es una vista plana de un dispositivo electrónico en un estado plano con el dispositivo electrónico incorporando una tarjeta de circuito flexible de acuerdo con una realización preferida de la invención.

La Fig. 2 es una vista en perspectiva del dispositivo electrónico mostrado en la Fig. 1 en un estado de ensamblaje terminado.

La Fig. 3 es una vista del corte transversal tomado a lo largo de la línea 3 - 3 de la Fig. 2.

La Fig. 4 es una vista ampliada de una porción de la tarjeta de circuito flexible mostrada en la Fig. 3

La Fig. 5 es una vista ampliada de una porción de una tarjeta de circuito flexible de acuerdo con una realización preferida alternativa de la invención.

La Fig. 6 es un diagrama de flujo que ilustra un método para fabricar una tarjeta de circuito flexible de acuerdo con una realización preferida de la presente invención.

Descripción detallada de las realizaciones preferidas

Refiriéndonos ahora a la Fig. 1, la tarjeta de circuito flexible 10 incluye un sustrato 11 que tiene una primera porción 12, una segunda porción 14 y una región de doblado 16 que une la primera porción 12 y la segunda porción 14. La primera porción 12 y la segunda porción 14 del sustrato pueden ser de múltiples capas de FR4, mientras que la región de doblado 16 está formada preferiblemente de una capa única de material FR4, esto es, un tejido de fibra de vidrio único impregnado con resina. La región de doblado 16 puede incluir, no obstante, múltiples capas de materiales FR4 laminadas juntas, pero en general tendrá sólo una capa única.

La primera porción 12 y la segunda porción 14 pueden fijarse dentro de un primer elemento de la carcasa 18 y un segundo elemento de la carcasa 20, respectivamente. La primera porción 12 y la segunda porción 14 pueden pegarse, jalonarse o, como se muestra en la Fig. 1, retenerse por los elementos de lengüeta 19 formados dentro del primer elemento de la carcasa 18 y del segundo elemento de la carcasa 20. El primer elemento de la carcasa 18 y el segundo elemento de la carcasa 20 se conectan por el elemento de conexión 22, y en una realización preferida, el primer elemento de la carcasa 18, el segundo elemento de la carcasa 20 y el elemento de conexión 22 están formados íntegramente de un metal, tal como el aluminio. El primer elemento de la carcasa 18, el segundo elemento de la carcasa 20 y el elemento de conexión 22 pueden incluir cada uno elementos de pestaña 24, 26, y 28 respectivamente. Con referencia a la Fig. 2, en una configuración terminada, el primer elemento de la carcasa 18, el segundo elemento de la carcasa, el elemento de conexión 22 y las pestañas 24 - 28 forman una estructura de carcasa cerrada 30 que contiene la tarjeta de circuito flexible 10. Las interfaces 29 entre las pestañas 24 - 28 pueden soldarse o sellarse usando un material de sellado adecuado 31 (Fig. 3).

Refiriéndonos de nuevo a la Fig. 1, están formadas una pluralidad de trazas conductoras 32 y de isletas conductoras 34 sobre la primera porción 12, y están formadas una pluralidad de trazas conductoras 33 y de isletas conductoras 35 sobre la segunda porción 14. Las trazas conductoras 32 y 33 y las isletas conductoras 34 y 35 permiten la fijación y la interconexión de los componentes electrónicos a la tarjeta de circuito 10. Por ejemplo, los componentes electrónicos 36 se muestran fijados a la primera porción 12 y la segunda porción 14. Se apreciará por supuesto que típicamente se fijarán a la tarjeta de circuito 10 numerosos componentes.

En la región de doblado 16 del sustrato 11 se forman una pluralidad de trazas de conexión 38. Las trazas de conexión 38 acoplan las trazas conductoras 32 sobre la primera porción 12 con las trazas conductoras 33 formadas sobre la segunda porción 14. Ventajosamente, de acuerdo con una realización preferida de la invención, las trazas conductoras 32 y 33 y las trazas de conexión 38 pueden formarse y cubrirse con una máscara de soldadura rígida. Esto es, una máscara de soldadura que tiene un alargamiento de menos del 10 por ciento. Los circuitos flexibles previos requerían el uso de máscara de soldadura flexible, es decir, una máscara de soldadura que tiene un alargamiento de hasta el 30 por ciento para responsabilizarse del estrés de tensión introducido al flexionar la tarjeta de circuito. La máscara de soldadura flexible es sustancialmente más cara que la máscara de soldadura rígida.

Refiriéndonos a la Fig. 3 y la Fig. 4, al formar la estructura de carcasa 30 doblando el primer elemento de carcasa 18 con respecto al segundo elemento de carcasa 20, en la estructura de carcasa 30, se forma el doblez 40 en la región de doblado 16 del sustrato 11. Esto es la región de doblado libre tal como la región de doblado 16 está sin apoyo durante el proceso de doblado. Pueden formarse tres radios 42, 44 y 46 en la región de doblado 16, y cada uno tiene como radio R1, R2 y R3, respectivamente. Los radios R1, R2 y R3 son cada uno menores que aproximadamente 3 mm (120 milésimas), y pueden estar entre alrededor de 1 mm (40 milésimas) y 2,5 mm (100 milésimas). Para lograr la formación del doblez 40 sin causar agrietamiento o de otro modo dañar el material FR4 al formar la región de doblado 16 y/o las trazas de conexión 38, el sustrato 11 se calienta en primer lugar dentro de alrededor de 10ºC de la temperatura de transición de la fibra de vidrio, T_{g} del material FR4.

Por ejemplo, para un material FR4 que tiene una temperatura T_{g} de 150ºC, el sustrato 11 puede calentarse alrededor de entre 150 - 160ºC, y preferiblemente alrededor de 155ºC antes del doblado. El FR4 se hace lo suficientemente flexible bajo el calor para permitir la formación del doblez 40 sin causar daño al sustrato 11 o a los componentes del circuito 36. Además como se ha observado anteriormente, este calentamiento del sustrato 11 tiene la ventaja adicional de permitir el uso de máscara de soldadura rígida en la formación de las trazas conductoras 32 y 33 y las trazas de conexión 38. La temperatura T_{g} para máscara de soldadura rígida es típicamente menor que la temperatura T_{g} del material FR4. Por calentamiento del sustrato 11 dentro de alrededor 10ºC de la temperatura T_{g} del material del sustrato, la máscara de soldadura rígida se hace lo suficientemente flexible para permitir flexionar en la región de doblado 40 sin la formación de estrés de tensión que por el contrario se observaría en el doblez 40, y particularmente dentro del radio 44 que puede causar el agrietamiento o la separación de las trazas de conexión 38.

Consiguiendo radios, tales como los radios 42 - 46, dentro del doblez 40 permite que la tarjeta de circuito 10 se doble más compactamente de lo que se lograría por el contrario usando FR4 o materiales similares relativamente quebradizos. La alternativa es usar poliamida o materiales flexibles similares con una penalización de costo sustancial. La tarjeta de circuito 10 doblada compactamente permite a la estructura de carcasa 30 tener un perfil compacto. El perfil compacto de la estructura de carcasa 30 facilita la instalación dentro, por ejemplo del motor de un vehículo, y una aeronave o una aplicación industrial. Además, el doblez 40 mantiene sustancialmente su forma y experimenta muy poco retroceso de elasticidad sugiriendo la ausencia o el pequeño estrés en la región de doblado 16. Por el contrario, el material de poliamida después del doblado tiende a volver a su forma anterior al doblado.

Refiriéndonos ahora a la Fig. 5, la tarjeta de circuito 50 está formada para incluir un doblez 52 que tiene un radio R4 de alrededor de 1mm hasta 1,5 mm (de 40 a 60 milésimas). El doblez 52 puede formarse libremente o con una prensa de sujeción. La tarjeta de circuito 50 incluye un sustrato 54, formado por una pluralidad de capas (mostrándose tres capas 56, 58 y 60) de material FR4. El sustrato 54 en la región de doblado será preferiblemente una sola capa de material FR4. De acuerdo con una realización preferida de la invención, antes de la formación del doblez 52, se calienta el sustrato 54 dentro de alrededor de 10ºC de la temperatura T_{g} del material del sustrato. El uso de una prensa de sujeción junto con el calentamiento del sustrato 54, puede permitir formar el doblez 52 con un radio de curvatura aún más pequeño del que puede obtenerse por el doblado libre después del calentamiento.

Refiriéndonos a la Fig. 6, se muestra en forma de diagrama de flujo un método 100 de acuerdo con una realización preferida de la invención para formar una tarjeta de circuito flexible. En la etapa 102, el sustrato del circuito formado de un material relativamente quebradizo, tal como el sustrato 11 o el sustrato 54, se calienta a aproximadamente la temperatura T_{g} del material del sustrato. En un proceso de fabricación automatizado, antes del calentamiento puede estar formado el sustrato del circuito con las trazas conductoras, isletas conductoras y tener fijados los componentes eléctricos y acoplados eléctricamente a las trazas conductoras y a las isletas conductoras. Esto puede conseguirse usando las técnicas de fabricación y soldadura bien conocidas. La etapa de calentamiento puede ser parte de este proceso de ensamblado global, y puede circunscribirse al paso del sustrato del circuito a través de un horno.

En la etapa 104, el sustrato se mantiene durante un corto intervalo de tiempo, t_{h}, a la temperatura de transición s/g del material del sustrato o cerca de la misma. El intervalo de tiempo t_{h} puede ser aproximadamente de 5 a 15 segundos, y preferiblemente alrededor de 10 segundos. En la etapa 104, se forma un doblez en el sustrato, tal como el doblez 40 ó el doblez 52. Para el doblado del proceso global de fabricación del circuito, el sustrato del circuito puede fijarse dentro de una carcasa abierta, y la carcasa puede doblarse con el sustrato del circuito para formar el dispositivo electrónico terminado.

De acuerdo con una realización preferida de la invención el doblez puede tener un radio inferior a 3 mm (120 milésimas), y puede tener un radio alrededor de entre 1 mm y 2,5 mm (de 40 a 100 milésimas). Posteriormente a formarse el doblez no se requiere un procesamiento adicional.

Claims

1. Una tarjeta de circuito flexible (10) caracterizado por:

al menos una capa de un material del sustrato del circuito sustancialmente rígido (11), teniendo la, al menos una, capa una primera porción (12) y una segunda porción (14) y una región de doblado (16) que separa la primera y la segunda porción, estando formadas cada una de las porciones primera (12) y segunda (14) con trazas conductoras (32, 33) y con isletas conductoras para fijar e interconectar los componentes eléctricos a los mismos y conectar las trazas conductoras formadas entre la primera porción (12) y la segunda porción (14), extendiéndose las trazas conductoras de conexión (38) a través de la región de doblado (16); y

estando plegada la primera porción (12) respecto a la segunda porción (14) formando un primer doblez (R1), un segundo doblez (R3) y un tercer doblez (R2) en la región de doblado (16), en el que el tercer doblez (R2) está intermedio entre el primer doblez (R1) y el segundo doblez (R3) y doblado en dirección opuesta a los mismos.

2. La tarjeta de circuito flexible como se ha mostrado en la reivindicación 1, en la que la primera porción (12) y la segunda porción (14) comprenden cada una al menos una laminación adicional del material del sustrato del circuito.

3. La tarjeta de circuito flexible como se ha mostrado en la reivindicación 1, en la que la, al menos una, capa del material del sustrato comprende un tejido de fibra de vidrio impregnado con resina epoxi.

4. Un método (100) para formar una tarjeta de circuito, caracterizado el método por las etapas de:

proporcionar un sustrato (11) dentro de una carcasa, comprendiendo el sustrato (11) una región de doblado (16), siendo la región de doblado (16) al menos una capa plana de material sustancialmente rígido;

calentar (102) el sustrato (16); y

formar (106) un primer doblez (R1), un segundo doblez (R3), y un tercer doblez (R2) en el sustrato (11) en la región de doblado (16), en la que el tercer doblez (R2) es intermedio entre el primer doblez (R1) y el segundo doblez (R3) y doblado en dirección opuesta a los mismos en la que la carcasa se dobla con el sustrato.

5. El método como se ha mostrado en la reivindicación 4, que comprende además, antes de la etapa de formar un doblez (106), la etapa de sujetar (104) durante un periodo de predeterminado de sujeción.

6. El método como se ha mostrado en la reivindicación 4, en el que la etapa de calentamiento (102) comprende el calentamiento del sustrato a aproximadamente la temperatura de transición de la fibra de vidrio del material del sustrato.

7. El método como se ha mostrado en la reivindicación 4, en el que el material del sustrato sustancialmente rígido comprende al menos una capa de un tejido de fibra de vidrio impregnada con resina epoxi.

8. Un método (100) para formar una tarjeta de circuito, caracterizado el método por las etapas de:

proporcionar un sustrato (11), comprendiendo el sustrato (11) una región de doblado (16), siendo la región de doblado (16) al menos una capa plana de un material sustancialmente rígido;

proporcionar una pluralidad de trazas conductoras (38) y de isletas conductoras sobre el sustrato (11) usando una máscara de soldadura que tiene una característica de alargamiento de menos de un 10 por ciento;

calentar (102) el sustrato (16); y

formar un doblez en el sustrato (16) y la máscara de soldadura en la región de doblado (16).