Applicazioni delle PCB Flessibili e Rigido-Flessibili

Ci sono due ragioni fondamentali per progettare un circuito flessibile nel tuo prodotto: costruire un dispositivo compatto ed efficientemente assemblato, o rendere il circuito dinamicamente integrato con la funzione meccanica del prodotto. Puoi, naturalmente, basarti su entrambe queste ragioni per giustificare l'uso dei circuiti flessibili. Su questa nota, diamo un'occhiata ad alcune applicazioni e esempi di design di PCB rigido-flessibili per vedere le questioni che emergono quando si progettano circuiti flessibili.

Esempi di Applicazioni Dinamiche Flex

Gantry Meccatronico

Un'applicazione flex dinamica molto tipica, come potresti trovare in una stampante 3D o nella testa di una macchina CNC, è un gantry meccatronico. In sistemi fisicamente più grandi dove i componenti elettronici devono seguire lo stesso movimento di un elemento meccanico, ciò sarebbe realizzato con schede rigide o moduli separati, e questi sarebbero connessi con cavi. In pacchetti più piccoli ed eleganti, un nastro flessibile ha più senso poiché fornisce un assemblaggio a basso profilo così come il movimento richiesto.

Naturalmente, l'esempio sottostante sarebbe disposto lungo il gantry dell'asse X, e la testa dell'utensile dell'asse z viaggia lungo di esso. L'esempio sottostante mostra solo due assi di movimento qui, e il gantry stesso si muoverebbe nell'asse Y.

La lunghezza totale del nastro flessibile è la distanza estrema più lunga richiesta in aggiunta agli angoli e alle curve. L'angolo che si trova dietro la testa mobile dell'asse z aderirebbe allo shuttle dell'asse x che si muove lungo il portale (probabilmente su cuscinetti a manicotto). Le estremità avrebbero un rinforzo aggiunto per terminare la sezione del nastro flessibile. Per questo tipo di applicazione, è meglio attenersi a un singolo strato di rame laminato e ricotto e mantenere i raggi di curvatura il più grandi possibile praticamente. Questo aiuterà a massimizzare la durata poiché la regione di piegatura viene arrotolata lungo la lunghezza del nastro flessibile.

Esempio di progettazione flessibile del portale.

Considerazione sulla Fabbricazione del Gantry: Panelizzazione

L'esempio sopra solleva una buona questione riguardo la fabbricazione e il costo. Utilizzando un circuito a L ad angolo retto come questo potremmo, per amor di discussione, adattare sei nastri flessibili identici su un pannello di fabbricazione. Ciò comporta circa il 50% di spreco dello spazio del pannello e, se i componenti dovessero essere montati su questo particolare circuito flessibile, aggiungerebbe anche ai costi e ai tempi di attrezzaggio. Un esempio di pannello realizzato con questo particolare circuito flessibile in un array di schede incorporate è mostrato di seguito.

Panelizzazione dell'array di schede incorporate del circuito flessibile del CNC gantry.

Il bello dei circuiti flessibili è che, se utilizziamo i materiali giusti e pianifichiamo correttamente l'assemblaggio complessivo, possiamo anche creare pieghe di installazione a basso raggio. Posizionare una sezione flessibile statica con una piega permanente è una buona alternativa all'uso di circuiti flessibili curvi come mostrato nel pannello sopra, ma solo in determinate circostanze. La figura seguente mostra lo stesso design del portale ma con una piega increspata a 45° per sostituire l'angolo di 90° mostrato nella versione precedente.

Portale flessibile ridisegnato con piega statica.

La piega diventa chiaramente utile una volta che guardiamo il pannello (mostrato sotto). Per fabbricare un circuito flessibile con questo tipo di piega, non dobbiamo progettare una curvatura nella scheda. Invece, possiamo usare una sezione dritta nel PCB flessibile, così possiamo ora allineare un intero array di nastri flessibili in un singolo pannello. In questo modo, la resa aumenta significativamente. Il costo totale per scheda diminuirà a causa dell'aumento della resa per pannello e quindi della facilità di attrezzaggio per l'assemblaggio pick-and-place. Tuttavia, questo può essere contraddetto dal dover posizionare componenti sul lato opposto a un'estremità dell'assemblaggio, a causa della piega.

Pannello con la scheda del portale ridisegnata.

Dispositivi Rotazionali

Dai un'occhiata al layout del PCB rigido-flessibile mostrato di seguito. In questo layout, i livelli flessibili sono creati usando piegature anziché una piega permanente. Nota l'uso di guide di lavoro orizzontali nell'editor PCB; ciò consente una progettazione precisa del contorno della scheda basata sulle circonferenze curve delle sezioni del circuito flessibile in situ. Consente anche il posizionamento esatto delle linee di piegatura del circuito flessibile nella Modalità di Pianificazione della Scheda all'interno dell'editor PCB, che permette simulazioni accurate della piegatura del circuito flessibile in modalità 3D.

Layout PCB per un design flessibile dinamico rotazionale. I nastri flessibili possono essere attaccati a un alloggiamento fisso o a un altro componente che ruoterà con l'albero centrale nell'assemblaggio.

In questo esempio, un motore passo-passo deve essere montato su un assemblaggio in modo tale che il motore e la sua scheda di controllo del circuito stampato saranno in movimento, mentre l'albero sarà stazionario. I circuiti flessibili sono progettati per essere terminati agli estremi estremi su un assemblaggio di base fisso e piegati a forma di cilindro, ripiegandosi indietro per consentire un movimento bidirezionale. Di seguito sono mostrate le viste 3D di questo design.

Vista 3D di una scheda di controllo per motore passo-passo rotante. Bracci più lunghi permetterebbero una rotazione del motore e della sua scheda di controllo maggiore di 360°.

La vista completamente piegata dell'assemblaggio, inclusa la struttura 3D del motore passo-passo.

Possiamo vedere le direzioni di movimento e i terminali flessibili ancorati per darvi un'idea di come funzionerà questo assemblaggio. Questo tipo di disposizione rende relativamente semplice ottenere una rotazione maggiore di 360°. Questo esempio è ipotetico e mostra un motore passo-passo, anche se questo tipo di design sarebbe ben adatto per applicazioni di sensori rotativi. Le sezioni rigido-flessibili terminate potrebbero anche essere montate su alcuni componenti dell'involucro, a patto che l'involucro ruoti, fornendo un modo semplice per fornire un collegamento di ritorno alla sezione rigida della scheda di controllo.

Esempi di Applicazione Flex Statico

Magnetica Planare (Trasformatori e Induttori)

L'uso di circuiti flessibili e rigido-flessibili per magnetics planari integrati sta crescendo in popolarità. L'utilizzo di circuiti flessibili per magnetics planari presenta alcuni vantaggi distinti. Il film di poliimide è disponibile in spessori che consentono un'isolamento molto elevato delle avvolgimenti, così come una stabilità ad alta temperatura che lo rende adatto per processi di incapsulamento a caldo con smalto. Da un punto di vista delle perdite; l'uso di tracce di rame incise richiede che le tracce siano più larghe, ma ciò può facilmente ridurre le perdite per correnti parassite perché l'impedenza aggiuntiva dovuta all'effetto pelle sarà ridotta.

Le spire non avvolte di un induttore a quattro avvolgimenti.

Di seguito è mostrato uno schema di ingresso e uscita interessante per un induttore a nucleo d'aria avvolto. In questo assemblaggio di PCB flessibile avvolto, la fine di ogni avvolgimento si sovrappone all'inizio dell'avvolgimento successivo. Ciò potrebbe essere fatto per aumentare il numero di spire rispetto al semplice avere più avvolgimenti separati.

Avvolgimenti di induttore avvolti.

18 Strati al Prezzo di 2

L'estensione naturale di questo concetto consiste nell'includere alcuni strati flessibili nel design del tuo convertitore con l'intenzione di piegarli l'uno sull'altro. Nell'esempio mostrato di seguito, viene presentato un design di trasformatore a circuito flessibile a 2 strati, dove un singolo nucleo di ferrite piano E18 sporge attraverso le aperture nella regione del terminatore finale (sul lato sinistro). Questa idea potrebbe essere estesa arbitrariamente (sebbene con limiti pratici dello spessore della scheda finale piegata). In figura 11, gli strati di rame superiore e inferiore su flessibile doppia faccia forniscono 18 strati utilizzabili per le avvolgimenti del trasformatore.

Intorno a ciascuna delle aperture del nucleo centrale, puoi realizzare un singolo giro per un avvolgimento di induttore. Serpeggiando la traccia attorno a un lato del nucleo otterrai mezzo giro, mentre il percorso di ritorno fornisce l'altro mezzo giro in una bobina di trasformatore; insieme, le sezioni di conduttore piegate formano un insieme di anelli di corrente impilati che possono generare e ricevere un campo magnetico.

Vista dall'alto di un trasformatore a circuito flessibile. Un singolo avvolgimento di corrente elevata è mostrato sullo strato superiore, e sei avvolgimenti di corrente più leggera sono instradati sullo strato inferiore.

Questo potrebbe essere confuso, perché devi tenere traccia delle corrette direzioni di avvolgimento rispetto alla relazione di ogni sezione piegata con la geometria del nucleo di ferrite. Dato che questo intero circuito flessibile si piegherà ortogonalmente, ho aggiunto delle frecce sullo strato Meccanico 1 del progetto rivolte in direzione opposta rispetto a ogni strato di avvolgimento adiacente per ricordarmi in quale direzione incanalare il rame. Questo è mostrato di seguito per chiarezza.

Strato Meccanico 1 che mostra il contorno della scheda e le frecce di direzione di avvolgimento per guida.

L'assemblaggio finale nucleo-e-flessibile è mostrato di seguito. Nota che questo potrebbe essere integrato all'interno di un design rigido-flessibile dove la maggior parte del circuito si trova su una scheda a circuito stampato rigida a 2 strati, con la parte flessibile utilizzata per ottenere gli strati aggiuntivi necessari per tutti gli avvolgimenti del nucleo. Naturalmente, ci sarà un compromesso di costo tra l'uso di una grande area flessibile rispetto all'aggiunta di molti strati a un design solo rigido.

Il trasformatore completamente piegato alla fine, con modello 3D del nucleo magnetico di ferrite Ferroxcube E18 attraverso le aperture.

Multi-Layer Rigid-Flex

Per molti progetti militari, aerospaziali o simili di alta densità che richiedono assemblaggi compatti e affidabili in spazi ristretti, è difficile evitare l'uso di diversi strati di circuiti flessibili tra le aree rigide della scheda. Questo è ancora più necessario nei progetti digitali ad alta velocità, a causa della necessità di schermature o strati di piano tra i bus che attraversano le regioni flessibili. La sfida qui è mantenere un buon grado di flessibilità. Il numero di strati del circuito flessibile deve essere mantenuto al minimo, solitamente due strati di rame su un unico substrato di poliimide con coperture in poliimide.

Nei progetti “normali”, la lunghezza delle sezioni del circuito flessibile è la stessa per le regioni flessibili sovrapposte. Questo significa che si finisce con la situazione mostrata di seguito, dove le pieghe possono produrre una tensione significativa nelle aree flessibili tra le schede rigide una volta collocate nell'assemblaggio finale.

La tensione nel circuito flessibile esterno e la compressione del circuito interno si verificheranno quando più strati flessibili sovrapposti sono progettati con la stessa lunghezza. Si noti lo "strizzare fuori" della perla di adesivo utilizzata in questo progetto, proprio dove il flessibile entra nella sezione rigida.

La maggior parte dei fabbricanti specializzati in schede rigido-flessibili a questo punto ti direbbe di utilizzare la costruzione "a libro". La costruzione a libro è un metodo valido in cui i raggi in situ delle pieghe del circuito flessibile vengono utilizzati per determinare la lunghezza corretta per ogni combinazione di circuito flessibile e substrato nel pacchetto di strati. Un esempio illustrativo del concetto è mostrato nel brano di IPC-2223b qui sotto.

Costruzione a libro [Fonte: IPC-2223B, 2008 p26].

Puoi dire immediatamente che questo metodo costerà denaro e aumenterà la sfida della progettazione. Spesso, una migliore alternativa è utilizzare circuiti flessibili della stessa lunghezza e raggio, ma separare i diversi strati di circuito flessibile in modo che non si sovrappongano. Un esempio di ciò è mostrato qui sotto.

Costruzione alternativa a libro. Normalmente, le sezioni flessibili potrebbero sovrapporsi e richiederebbero lunghezze diverse per mantenere bassa la tensione/compressione. In questa alternativa, le sezioni flessibili sono posizionate in diverse regioni lungo il bordo delle sezioni rigide in modo che non debbano più sovrapporsi.

Pieghe Ultra-Strette Senza Sacrificare il Numero di Strati

Con alcune scelte di progettazione creative lungo la regione di piegatura, è possibile ottenere pieghe molto strette senza perdere strati di rame.

La piccola scheda mostrata di seguito utilizza un nastro a forma di "S" per definire le curve e ridurre il raggio di curvatura minimo lungo il bordo delle regioni rinforzate. Non è visibile in questa foto, ma ci sono componenti montati su sezioni che avevano un rinforzo sottile incollato sul retro della scheda.

Ottenendo sostanzialmente un raggio di curvatura di 180° con più strati di rame.

Questo concetto può essere esteso in molteplici direzioni. Il design della PCB mostrato di seguito è una scheda di visualizzazione PCB ultra-flessibile. Si possono vedere i numerosi LED in una matrice sulle sezioni più larghe e rigide. L'intero assemblaggio è rigido in quelle sezioni solo a causa del gran numero di strati di rame e film di PI laminati insieme. Ancora una volta, utilizzando curve a S tra quelle regioni di matrice LED permette a questo assemblaggio di piegarsi più facilmente in un alloggiamento curvo.

Array flessibile con curve X-Y a S.

Porta questo concetto ancora più in là, e ottieni il design molto compatto mostrato qui sotto. Le sezioni di circuito flessibile in questo esempio contengono 8 strati. Tali circuiti flessibili normalmente non sarebbero flessibili se posizionati come nastri diretti tra sezioni rigide. Tuttavia, l'uso del miriade di curve a S (notare che gli strati superiori di materiale flessibile sono tutti in rame solido per la schermatura!) permette a questo di piegarsi abbastanza da entrare nell'alloggiamento meccanico finale, anche con centinaia di connessioni ad alta velocità per memoria e display.

8 strati di flessibile, più 4 ulteriori strati di PCB rigido. Notare che lo strato superiore del flessibile è interamente in rame per la schermatura. Notare anche l'adesivo protettivo intorno ai bordi delle interfacce rigido-flessibile.

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