Los sistemas electrónicos modernos de alta densidad requieren soluciones avanzadas para conectar numerosas placas de circuito impreso y módulos internos. Pero cuando se trata de aplicaciones de alta fiabilidad (Hi-Rel), las exigencias son aún mayores. Este artículo examina las principales diferencias entre las opciones de interconexión disponibles. Se centrará principalmente en los casos en los que hay que utilizar configuraciones de cables individuales discretos y en las situaciones en las que los circuitos impresos flexibles (FPC) son la mejor opción.

En gran parte de las aplicaciones estándar, los cables discretos trenzados o sólidos suelen ser adecuados. Sin embargo, si el sistema tiene limitaciones de espacio o peso, hay que considerar soluciones de interconexión mejor optimizadas.
 
Las ventajas de los FPC
Los FPC han experimentado un crecimiento exponencial en los últimos tiempos. En ellos, las intrincadas capas de circuitos se graban directamente sobre un sustrato de polímero ultrafino revestido de cobre. Al ofrecer perfiles aún más bajos, además de una considerable reducción de peso, los FPC ya se han convertido en una opción popular dentro del segmento de la electrónica de consumo. Ahora también se están utilizando cada vez más en los modernos diseños de satélites, robótica y aviónica.

Un atributo clave de los FPC es su capacidad para soportar curvaturas mucho más acusadas que otras formas de cableado. Además, son capaces de soportar mejor los movimientos dinámicos al ser sometidos a flexión. Esto es especialmente importante en relación con los actuadores lineales, los ordenadores portátiles robustos y las superficies de control de vuelo, donde hay movimientos periódicos continuos en un solo eje.

El diseño de un FPC lo hace apto para doblarse en ángulo recto con respecto al plano del cable, pero no en otras direcciones. Al utilizarlos, se pierde la capacidad de doblar simultáneamente en varios ejes.

¿Qué opción elegir?
La conveniencia de optar por un conjunto de cables basado en FPC o en cables discretos dependerá de los parámetros de funcionamiento del sistema y del entorno de aplicación en el que se encuentre. Estas son las principales cuestiones que deberá tener en cuenta:
 
1. ¿Qué nivel de corriente necesitará?
Como se ha mencionado, los FPC se basan en trazados de cobre ultrafinos. Por lo tanto, sus niveles de corriente regular y de pico serán más bajos que los de otros tipos de cableado, por lo que hay que tenerlo en cuenta antes de tomar cualquier decisión sobre la opción de cableado que se va a especificar. Es poco probable que los FPC puedan superar 1A por circuito. La única forma de aumentar su capacidad de corriente sería engrosar los circuitos de cobre, lo que afectaría a la flexibilidad del FPC. Por el contrario, los cables discretos son capaces de suministrar corrientes al menos 3 veces mayores que los FPC. Esto significa que son adecuados tanto para el suministro de energía como para la transmisión de datos.

2. ¿Es prioritario mantener el peso total del sistema al mínimo?
El elemento de cableado puede contribuir significativamente al peso total de un sistema. Por lo tanto, si está desarrollando un sistema Hi-Rel que funciona con baterías o depende de las reservas de combustible almacenadas, el peso será una preocupación y especificar el cableado adecuado es vital. Por ejemplo, si tenemos un vehículo aéreo no tripulado (UAV). Para esta aplicación, puede ser aconsejable desplegar los FPC para ayudar a reducir el peso, siempre que los niveles de corriente que se soporten estén dentro del alcance de este tipo de conexión.

3. ¿Cuáles son las limitaciones de espacio?
Al considerar los requisitos de espacio de una conexión entre placas de circuito impreso y cables, hay dos elementos que deben tenerse en cuenta. En primer lugar, que la altura del propio conector del cable supere la del conector de montaje en placa equivalente. En segundo lugar, que los cables que salen de la parte posterior de la conexión en vertical tengan un espacio adecuado para permitir el radio de curvatura. Incluso puede ser necesario añadir un acolchado en el dispositivo opuesto, placa o caja, para garantizar que el cableado doblado no se desgaste durante su estancia en el campo. Con los FPC, dejar el conector SMT en ángulo recto significará que estas preocupaciones de espacio de conexión se mitigan.

4. ¿Qué radio de curvatura puede sufrir el cableado?
Normalmente es aceptable un radio de curvatura de 6 a 10 veces el grosor del aislamiento del cable. Gracias a su estructura mucho más fina, un FPC puede soportar curvas mucho más pronunciadas que los conjuntos de cables discretos. Sin embargo, hay que tener en cuenta que esto sólo se aplica en una dirección (a lo largo del cable). Tomemos otro ejemplo: un brazo robótico con múltiples articulaciones axiales que le permiten realizar movimientos complejos. Para casos de uso de este tipo, un conjunto discreto basado en cables que pueda girar y retorcerse puede ser una mejor opción.

5. ¿Se mantendrá la curvatura constantemente o el cableado tendrá que hacer frente a una curvatura cambiante a lo largo de su vida útil?
Si se espera que el cableado pase por muchos ciclos de flexión, es probable que la durabilidad de un FPC se distinga de otras formas de cableado, mientras que los materiales del cableado discreto se volverán más frágiles cuando se sometan a movimientos de flexión repetidos.

6. ¿Dónde se situará exactamente el cableado con respecto al sistema?
Este es un aspecto importante que hay que tener en cuenta porque los FPC tienen una protección externa más fina y, por tanto, están muy expuestos. Lo ideal es que estén dentro de una caja para asegurar su funcionamiento continuo. En cambio, los conjuntos de cables discretos tienen un revestimiento de polímero más grueso alrededor de sus cables que los protege mejor de posibles fuentes de daños. Por lo tanto, deben utilizarse en un conjunto de cables si se encuentran en el exterior de un equipo. También es más fácil asegurar los conjuntos de cables con accesorios de gestión de cables. Esto ayuda a evitar vibraciones no deseadas, así como el desgaste contra otros componentes y la carcasa. También facilita la colocación de protecciones adicionales alrededor de los mazos de cables.

7. ¿Qué materiales deben especificarse?
Los conectores, cables, FPC y accesorios están disponibles en una gran variedad de materiales. Si se establecen los requisitos de temperatura desde el principio y se comprueba que todos los materiales que componen el cable o la conexión FPC elegidos los soportan, se pueden evitar problemas más adelante. Los efectos de las interferencias electromagnéticas o de radiofrecuencia también deben tenerse en cuenta a la hora de decidir los materiales. Si se trabaja directamente con el proveedor, se puede comprobar que el producto final es adecuado para todos los factores implicados. Si el entorno es demasiado agresivo, tal vez sean necesarios métodos de protección. Puede ser necesario un trenzado externo en el haz de cables para combatir las interferencias electromagnéticas, pero las conexiones flexibles podrían ser una mejor opción en este caso, ya que son menos propensas a las emisiones electromagnéticas. Puede ser necesario realizar pruebas para confirmar las mejores opciones para una aplicación determinada.

8. ¿Qué otros factores hay que tener en cuenta?
Cuando se trata de hardware para satélites, es esencial prestar atención a las propiedades de desgasificación del conjunto ya que, de lo contrario, podrían desprenderse sustancias en el vacío del espacio que podrían afectar al funcionamiento de los circuitos electrónicos críticos. Si existe la posibilidad de contaminación por aceites, combustibles y otros productos químicos, o la posibilidad de crecimiento de hongos, habrá que tomar medidas de precaución.

Para complementar su cartera de conjuntos de cables discretos, Harwin ofrece ahora conectores Hi-Rel con FPC. Disponibles para sus productos Datamate J-Tek (paso de 2 mm) y Gecko (paso de 1,25 mm), estas opciones de FPC son muy adecuadas para los diseños de sistemas con limitaciones de espacio. Su bajo perfil permite apilar las placas mucho más cerca unas de otras. Además, gracias al uso de componentes de conectores en ángulo recto, el acceso a todo el cableado será más fácil, ya que las terminaciones pueden colocarse en el borde de la placa en lugar de más cerca del centro.

Los FPC empleados en estos conjuntos tienen una base de poliimida revestida de cobre con una capa de adhesivo. La zona rígida situada en el extremo libre está diseñada para ser compatible con varios tipos de conectores FPC (ZIF y LIF).

Los conjuntos FPC de Harwin tienen un paso de 0,5 mm y una corriente nominal de 0,4 A para Gecko, o un paso de 1 mm y una corriente nominal de 1 A por pista para Datamate. Se puede admitir una amplia gama de temperaturas de funcionamiento, de acuerdo con las especificaciones de los conectores. Además de la gama de ejemplos existente, se pueden suministrar otros diseños de conjuntos FPC (con diferentes tamaños y longitudes) para satisfacer las necesidades particulares de los clientes.

Se dispone de una amplia gama de opciones de montaje de cables discretos directamente desde el almacén. Con aislamiento de PTFE, se ajustan plenamente a la norma de cableado IPC WHMA-A-620, respetada internacionalmente. Están disponibles en varias longitudes de cable, con una opción de extremo único o doble. Además, también se pueden suministrar conjuntos a medida que se ajusten exactamente a los requisitos específicos de los clientes. Las cantidades mínimas de pedido son reducidas, lo que significa que estos conjuntos pueden suministrarse para trabajos de desarrollo y creación de prototipos.

Está claro que en los entornos en los que el espacio disponible es limitado, o en los que el peso total del sistema debe mantenerse lo más bajo posible, tanto los FPC como el cableado discreto resultarán ventajosos. Cada uno de ellos tiene sus respectivas ventajas sobre el otro en determinadas áreas. La elección de uno u otro dependerá de las circunstancias específicas. Si se pone en contacto con los expertos de Harwin, recibirá un asesoramiento informado que le ayudará a tomar la decisión correcta.

Autor:Por Wendy Jane Preston, especialista en interconexión, Harwin