Inizia a progettare circuiti flessibili

Di recente, parlando con un gruppo di studenti della fabbricazione di circuiti stampati, ho chiesto quanti avessero progettato un circuito stampato rigido. Circa il 75% di loro ha alzato la mano. Quindi ho chiesto quanti avessero progettato un PCB flex. Il numero di mani alzate è diminuito drasticamente. Immagino che questo non debba sorprendere. Sebbene i circuiti flessibili siano un settore in crescita dell'industria dei circuiti stampati, molti progettisti di PCB, anche navigati, non hanno ancora mai lavorato con materiali flessibili. Ripensando ai tempi dell'università, penso che la mia conoscenza dei circuiti flessibili si limitasse a "quel nastro bianco che fa avanti e indietro nella mia stampante."

I circuiti flessibili su poliestere sono certamente una parte significativa del mercato. È innegabile l'impatto sull'industria dei tag RFID, che spesso utilizzano alluminio su materiali flessibili in poliestere. Tuttavia, quando mi viene chiesto di parlare di fabbricazione o progettazione di circuiti flessibili, mi riferisco quasi sempre a quella fetta di mercato che utilizza materiali in poliimmide flessibile. Questi materiali sono standard nel mondo flex e rigid-flex poiché si integrano con lo stack-up PCB, consentendo un routing semplificato tra regioni rigide e flessibili con interconnessioni standard. In questa guida, vedremo come vengono realizzati i PCB flessibili, partendo dalla progettazione, ed esaminando i vari materiali e i processi utilizzati nella fabbricazione.

• Progettare PCB flessibili
• Materiali per PCB flessibili/rigido-flessibili
• Vantaggi dei PCB flessibili e rigido-flessibili

Progettare PCB flessibili

La progettazione e il layout dei PCB flessibili e rigido-flessibili sono fortemente correlati. La principale differenza tra i due è un'interconnessione che si estende nelle estremità rigide della scheda. Proprio come un PCB rigido standard, il processo di progettazione per i PCB flessibili inizia con la progettazione di uno stack-up, quindi col posizionamento dei componenti, la pianificazione e il routing dei percorsi per le tracce e infine si conclude con l'ottimizzazione del layout per prepararsi alla produzione. Sono però necessari alcuni passaggi aggiuntivi per garantire che la sezione flessibile abbia le proprietà meccaniche richieste, come l'aggiunta di un irrigiditore (stiffener), la selezione di un materiale di copertura o di una maschera di saldatura fotosensibile, o l'impostazione di una curvatura statica nel progetto.

Poiché gran parte della progettazione del nastro flessibile è incentrata sullo stack-up, nonché sulla sua integrazione con qualsiasi sezione rigida, la progettazione dello stack-up è una parte fondamentale della creazione dei PCB flessibili/rigido-flessibili. Inoltre, elementi come il peso del rame e la densità dei componenti e del routing in alcune regioni della scheda possono limitarne la flessibilità, rendendo preferibile una scheda rigido-flessibile. Per iniziare con un progetto flex o rigid-flex, è necessario prendere in considerazione i seguenti aspetti relativi all'assemblaggio finale e all'integrazione del circuito con il suo involucro.

• Pianificazione: dove si piegherà il nastro flessibile nel PCBA e come verrà montato il circuito nel suo involucro? Le aree di piegatura e montaggio dovranno essere prive di componenti, mentre potrebbe esser necessario utilizzare una sezione rigida per alcuni circuiti integrati ad alto numero di pin o circuiti ad alta densità. Bisognerà poi decidere dove posizionare il nastro flessibile rispetto alle aree della scheda con un numero elevato di componenti.
• Numero di layer: quanti strati sono necessari per il routing? Ne serviranno alcuni con sezione rigida? Se sarà presente una sezione rigida, il nastro flessibile dovrà inserirsi al centro dello stack-up, il che potrebbe complicare il routing quando è richiesto un numero maggiore di piani (ad esempio, in un progetto ad alta velocità).
• Rigidità: è possibile utilizzare una scheda più rigida, o sarà necessario un assemblaggio altamente flessibile? La rigidità può essere controllata con la densità dei componenti, il peso del rame o l'aggiunta di irrigiditori (stiffeners) in determinate porzioni del nastro flessibile. Se hai bisogno di una sezione in poliimmide molto rigida, potrebbe essere meglio optare per il posizionamento di una sezione completamente rigida. Tuttavia, gli irrigiditori possono essere utilizzati per supportare una maggiore densità di componenti su un nastro flessibile e sono meno costosi rispetto all'integrazione di una sezione rigida.
• Componenti ad alta densità di pin: i componenti a montaggio superficiale più piccoli come i passivi, possono essere facilmente posizionati su un nastro flessibile in poliimmide. Altri componenti nei pacchetti BGA richiedono una struttura di via più avanzata, nonché più layer interni per supportarne il routing. Per i progetti ad alta velocità o RF, potrebbero essere necessari layer piani tratteggiati per fornire l'impedenza richiesta o garantire la continuità della messa a terra (ad esempio per segnali single-ended), nonché l'isolamento.

I requisiti di impiego potrebbero imporre il bilanciamento di un numero qualsiasi di questi requisiti. Al contempo, i progettisti devono garantire che il loro progetto flessibile o rigido-flessibile sia producibile e affidabile.

• Scopri di più sulla progettazione di uno stack-up PCB rigido-flessibile con i tuoi strumenti di progettazione

Materiali per PCB flessibili/rigido-flessibili

Una volta deciso di procedere con la progettazione di un circuito flessibile, quali sono gli elementi chiave da tenere a mente? Li esamineremo in modo più dettagliato in futuro, concentrandoci per ora sul pacchetto di materiali necessario per avviare il processo. I materiali richiesti per i PCB flessibili includono materiali di substrato (poliimmide, rame), materiali per la finitura protettiva (poliimmide o liquidi fotosensibili) e infine materiali irrigiditori.

Substrato flessibile e materiali di copertura

È fondamentale comprendere appieno le proprietà sia dei materiali di substrato che di quelli di rivestimento. Il tuo progetto richiede materiali senza adesivo o materiali adesivi? L'applicazione ha dei requisiti UL da rispettare? Quali sono il peso del rame e lo spessore della poliimmide ideali per il tuo impiego? Quali materiali ha abitualmente in stock il tuo produttore? (Suggerimento: se hai flessibilità nella scelta dei materiali, scegliere materiali flessibili regolarmente in stock può aiutare a contenere i costi)

Alcuni impieghi richiedono finiture flessibili fotolitografiche capaci di formare aperture molto strette per i pad. Allo stesso tempo, se il progetto richiede una flessione particolarmente dinamica, è opportuno scegliere come materiale di copertura la pellicola in poliimmide. Le pellicole possono avere aperture tagliate al laser o forate a seconda delle dimensioni del pad necessarie.

Gli irrigiditori

Avrai bisogno di supporto per i componenti più pesanti? Potresti trarre vantaggio dalla robustezza di un irrigiditore aggiuntivo? Componenti e impieghi diversi richiedono irrigiditori specifici per supportare il comportamento meccanico nel nastro flessibile o nel PCBA. Alcuni dei più comuni irrigiditori includono:

• Irrigiditore FR4: La fibra di vetro rigida impregnata con resina epossidica FR4 è probabilmente il tipo di supporto più semplice e viene applicato efficacemente come laminato sull'area flessibile.
• Poliimmide rigida: uno strato di poliimmide rigida può essere utilizzato per irrigidire una regione semplicemente impilando fogli di poliimmide per produrre un aumento di spessore localizzato. Questa soluzione è spesso utilizzata con i connettori ZIF (Zero Insertion Force) per ottenere lo spessore di supporto necessario.
• Irrigiditori per connettori/componenti: le opzioni di materiale per questo tipo di supporto includono metalli, vetronite FR4 e poliimmide. Vengono collegati termicamente con un adesivo flessibile o un adesivo a pressione.

Capacità dei produttori

I tuoi produttori di fiducia lavorano regolarmente con materiali flessibili? La complessità del progetto è gestibile dai tuoi produttori o ti stai forse spingendo oltre la loro area di competenza? Questa breve lista non è certamente una guida comprensiva alla progettazione, ma mette in evidenza alcuni dei punti cruciali da considerare nel design dei circuiti flessibili. Il tuo produttore di PCB è una risorsa vitale ed è importante comunicargli in anticipo il potenziale stack-up per assicurarti che sia in grado di fabbricarlo con affidabilità. I produttori PCB conoscono i materiali e i processi di fabbricazione e sono sempre felici di aiutare e guidare i loro clienti nella produzione dei loro primi circuiti flessibili.

Vantaggi dei PCB flessibili e rigido-flessibili

Per quelli ancora alle prime armi nella progettazione di circuiti flex, esaminiamo alcuni dei principali vantaggi che spingono i progettisti più navigati a scegliere materiali flessibili. Sebbene siano necessarie alcune considerazioni specifiche per garantire la buona riuscita di un PCB flessibile o rigido-flessibile, questi circuiti offrono molti vantaggi che è impossibile ottenere coi circuiti stampati rigidi.

• Ingombro e peso: molti dei progetti elettronici moderni hanno bisogno di minimizzare le dimensioni e il peso del prodotto finito. I materiali flessibili possono sostituire i cavi più ingombranti e le connessioni di saldatura. I sostenitori dei design flessibili sostengono che il risparmio possa arrivare fino al 60% nelle giuste condizioni. Una riduzione tutt'altro che insignificante.
• Adattabilità: è innegabile che la possibilità di piegare e curvare un circuito flessibile intorno a un angolo, così come la possibilità di fornire una connessione a tre assi, offrano al progettista di PCB un vantaggio significativo rispetto ai tradizionali fili e cavi e ai materiali dei circuiti stampati rigidi. In effetti, la capacità di sfruttare al meglio questi benefici è limitata esclusivamente dall'inventiva.
• Assemblaggio più semplice: rispetto a fili e cavi ingombranti, un semplice circuito flessibile può ridurre drasticamente le difficoltà di assemblaggio. Inoltre, un circuito flessibile può sostituire più voci in una distinta base.
• Gestione termica: i materiali in poliimmide possono resistere a impieghi ad alte temperature. Una pellicola sottile di poliimmide dissipa il calore molto più efficacemente dei materiali più spessi e meno conduttivi termicamente, rendendo questo materiale un'ottima scelta per i progetti ad alta potenza e alta frequenza.
• Biocompatibilità: poliimmide e LCP sono due materiali flessibili che rappresentano una scelta eccellente per quanto riguarda la biocompatibilità. Per questo motivo, vengono regolarmente impiegati in applicazioni sia mediche che indossabili. È interessante notare un crescente interesse verso i circuiti flessibili che utilizzano l'oro, invece del rame, come conduttore, creando un'alternativa completamente biocompatibile.

Dopo la fabbricazione, la parte flessibile del circuito stampato può essere posizionata nel suo involucro con piegatura statica, oppure essere lasciata flettere dinamicamente insieme all'involucro o ad altri elementi meccanici. A volte, un circuito flessibile è progettato per essere "flessibile durante l'installazione" ovvero per poter essere piegato e curvato durante il montaggio, per poi rimanere statico una volta installato nel apparecchio elettronico. Altre volte, l'impiego finale richiede che il circuito possa essere flesso per centinaia, migliaia o addirittura milioni di volte. Le unità a disco sono un comune esempio di applicazione dinamica, così come i circuiti flessibili presenti nelle cerniere dei nostri computer portatili. Il processo di progettazione varia leggermente a seconda degli impieghi statici e dinamici, ma la considerazione principale rimane la deformazione che può verificarsi durante la piegatura.

• Scopri di più sulla progettazione di nastri flessibili statici e dinamici

I progettisti di PCB flessibili e rigido-flessibili, i progettisti di layout e gli ingegneri SI/PI si affidano agli strumenti di progettazione avanzati di Altium Designer® per le loro esigenze di progettazione e layout. Altium Designer si integra con tutte le più diffuse applicazioni MCAD e di simulazione, offrendoti la possibilità di comprendere appieno il comportamento di alimentazione e segnale nei sistemi multischeda.

Quando hai finito un progetto e sei pronto per mandarlo in produzione, la piattaforma Altium 365™ semplifica la collaborazione e la condivisione dei tuoi lavori.

Vuoi saperne di più? Chiama un esperto di Altium e scopri come possiamo aiutarti con il tuo prossimo progetto PCB. Puoi scaricare una versione di prova gratuita di Altium Designer qui.