Confronto tra design flessibile statico e dinamico: raggio di piegatura del PCB rigido-flessibile e altre considerazioni meccaniche

Piaccia o meno, i PCB flessibili e rigido-flessibili sono qui per restare, e l'elettronica sempre più flessibile sta uscendo dalla fase di ricerca per entrare nell'industria. I PCB flessibili sono ora utilizzati per molto più che alimentare un motore nel tuo disco rigido magnetico. Qualsiasi dispositivo che contiene un elemento pieghevole o traslante include probabilmente un PCB flessibile dinamico.

Con la crescita del mercato dei PCB flessibili che raggiunge decine di miliardi, i progettisti di PCB hanno ogni incentivo ad imparare quanto più possibile sia sulla progettazione di PCB flessibili statici che dinamici. Il prossimo prodotto della tua azienda o una riprogettazione di un prodotto esistente potrebbe dipendere da ciò.

PCB Flessibili Statici vs. Dinamici

Qualsiasi PCB flessibile è correlato a un PCB rigido-flessibile in quanto utilizzano gli stessi materiali per lo strato flessibile. Piuttosto che avere sezioni rigide con nucleo in poliimide circondato da rame e prepreg, un PCB flessibile è costruito interamente da un materiale flessibile. Il poliimide è tipicamente utilizzato poiché è facilmente adattabile ai processi di fabbricazione rigido-flessibili ed è relativamente economico, anche se materiali polimerici come il polietilene naftalato (PEN), il politetrafluoroetilene (PTFE) e l'Aramid possono essere utilizzati anche per i nastri flessibili.

I PCB flessibili possono essere progettati come PCB dinamici o statici. Progettare uno qualsiasi di questi tipi di PCB flessibili è tanto un esercizio meccanico quanto uno elettrico. I software di progettazione PCB con funzionalità di collaborazione ECAD/MCAD sono ottimi per progettare entrambi i tipi di PCB flessibili. Quando si pianifica un impilamento e si posizionano le tracce sui PCB flessibili, la sezione piegata della scheda dovrebbe essere trattata come una piastra rettangolare piegata durante l'analisi meccanica. Questo è fondamentale per determinare il giusto spessore delle tracce al fine di prevenire crepe e guasti.

Indipendentemente dal fatto che si stia progettando un PCB flessibile statico o dinamico, un impilamento flessibile complessivamente più spesso richiede un raggio di piegatura maggiore. Questo riduce la quantità di stress tensile e compressivo che si concentra lungo la piega mentre si forma il PCB all'angolo desiderato. Posizionare un raggio di piegatura più piccolo in un PCB più spesso può causare l'accumulo del coprilayer sulla superficie interna della piega. Questo poi mette più stress di taglio compressivo sulle tracce che si trovano all'interno dell'asse di piegatura neutro. Se si desidera ridurre lo spessore complessivo, sono disponibili coprilayer flessibili che non richiedono un adesivo.

PCB Flessibili Statici: Considerazioni sulla Produzione

Una volta che un circuito stampato flessibile statico è prodotto, di solito viene piegato durante l'assemblaggio al raggio di curvatura desiderato e all'angolo di piegatura con uno strumento di formatura compressiva. Questo strumento agisce come una morsa, e strumenti di formatura personalizzati possono essere utilizzati per realizzare più piegature in un unico nastro flessibile simultaneamente.

I circuiti stampati flessibili statici sono tipicamente sovrastampati oltre il punto di resa, il che significa che sono piegati oltre il loro raggio di piegatura inteso per garantire una certa deformazione plastica durante la formatura. Questo impedisce al circuito flessibile di rilassarsi tornando alla sua forma originale una volta rimosso dallo strumento di formatura. Quando il raggio di piegatura statico e l'angolo sono specificati in un PCB statico, dovresti effettivamente pianificare di avere un margine di sicurezza nello spessore delle tracce per prevenire la formazione di crepe sottili e il fallimento durante la sovraformatura.

Nastro flessibile statico per un dispositivo medico, come presentato in Electronics Weekly.

L'intuizione potrebbe suggerire che le tracce dovrebbero essere più spesse per resistere allo stress richiesto durante la sovraformatura, ma l'intuizione non è sempre corretta. Semplicemente, più il circuito è spesso, meno può flettersi senza danni. I circuiti stampati flessibili più spessi richiederanno una maggiore sovraformatura per conformarsi al raggio di piegatura e all'angolo desiderati. Questo pone ancora più stress sulle tracce durante la formatura.

Proprio come una lastra rettangolare piegata, ci sarà un asse neutro di flessione in tutta la scheda flessibile, che definisce una curva lungo la quale non c'è stress tensile o compressivo longitudinale. Tracce più sottili possono sopportare uno stress compressivo maggiore rispetto allo stress tensile, quindi tracce più sottili possono essere posizionate all'interno dell'asse neutro di flessione. Lo spostamento dell'asse neutro di flessione dipenderà dal raggio di piegatura. Una buona regola empirica per il raggio minimo di piegatura è utilizzare la seguente equazione:

Se lo stackup e lo spessore delle tracce sono scelti correttamente, seguire questa regola garantirà che l'asse neutro di flessione non si sposterà in modo apprezzabile dalla linea mediana del PCB. Man mano che aumenta il numero di strati, ciò garantirà che si rispettino gli standard IPC 2223C sul rapporto di piegatura (raggio di piegatura diviso per lo spessore) nei PCB flessibili.

PCB flessibili dinamici: Durabilità

Molte delle stesse considerazioni di progettazione per i PCB flessibili statici si applicano anche ai PCB flessibili dinamici. Un problema critico nei PCB flessibili dinamici è l'indurimento per lavoro durante la piegatura ripetuta. Il rame si indurirà per lavoro sotto cicli ripetuti, diventando infine fragile e incline alla frattura. La durabilità può essere estesa semplicemente consentendo un raggio di piegatura maggiore. Generalmente si consiglia che i PCB flessibili dinamici non superino un angolo di piegatura di 90°.

Man mano che il PCB si piega, l'asse neutro di piegatura si sposterà verso l'interno della piega. Questo è molto importante nei PCB flessibili dinamici poiché limita il numero di strati di rame consentiti a un numero basso, tipicamente un solo strato che coincide con l'asse neutro di piegatura. Sebbene il rame sia duttile, esso indurirà a causa del lavoro quando viene ripetutamente sottoposto a stress. Se si sceglie di utilizzare più di uno strato in un PCB flessibile, le tracce dovrebbero essere sfalsate, ovvero non dovrebbero sovrapporsi negli strati adiacenti, al fine di evitare stress eccessivo sulle tracce più lontane dall'asse neutro di piegatura.

Per prevenire stress eccessivo sulle tracce, assicurati di permettere un margine di sicurezza sufficiente e presta attenzione al raggio minimo di piegatura. Assicurati che il raggio minimo di piegatura sia inferiore al raggio di piegatura previsto al fine di prevenire lo stress ai bordi del circuito. Questo rallenterà l'indurimento da lavoro e aiuterà a estendere la vita utile del PCB.

Nastro flessibile statico per un disco rigido

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