Best practice per la progettazione di circuiti stampati flessibili

Sotto raggruppamento multiplo flessibile

Sebbene sia possibile costruire quasi tutti gli stackup con sezioni rigide e flessibili, i costi possono diventare ridicoli se tieni in considerazione le fasi di produzione e le proprietà dei materiali coinvolti. Un aspetto importante da tenere a mente riguardo i circuiti flessibili sono le sollecitazioni all'interno dei materiali, che si verificano quando il circuito si flette. Il rame, essendo un metallo non ferroso, è noto per l'indurimento da lavoro e, in caso di ripetuti cicli di flessione e raggi stretti, si verificheranno fratture da fatica. Un modo per ridurre questo effetto è utilizzare solo circuiti flessibili a strato singolo, in cui il rame si trova al centro del raggio mediano di curvatura e quindi il substrato della pellicola e il rivestimento sono nella massima compressione e tensione, come mostrato sotto.

Allo stesso modo, spesso è necessario disporre di più circuiti flessibili separati, ma è meglio evitare di avere flessioni nelle sezioni sovrapposte, dove la lunghezza delle sezioni flessibili limita il raggio di curvatura. Poiché la poliimide è molto elastica, questo non è un problema e durerà molto più a lungo con movimenti ripetuti rispetto a più strati di rame. Il rame si trova al centro del raggio mediano di curvatura e quindi il substrato della pellicola e il rivestimento sono nella massima compressione e tensione.

Per i circuiti flessibili altamente ripetitivi, è meglio usare il rame RA nel singolo layer flessibile, per aumentare la durata agli stress nella resistenza di tenuta (in cicli prima del guasto) del rame nel circuito.

Perline adesive, rinforzi e terminazioni

Ci sono momenti in cui è necessario considerare l'uso di rinforzi nelle situazioni in cui il circuito flessibile tende a fuoriuscire dalla scheda rigida. L'aggiunta di una goccia di resina epossidica, acrilica o colla a caldo, contribuirà a migliorare la durata dell'assemblaggio. Tuttavia, l'erogazione di questi liquidi e il loro indurimento possono aggiungere fasi laboriose al processo di produzione, aumentando i costi. Come sempre, nella progettazione PCB, esistono dei compromessi.

Puoi utilizzare l'erogazione automatica dei fluidi, ma devi prestare molta attenzione durante la fase di collaborazione con gli ingegneri responsabili dell'assemblaggio, per assicurarti di non avere come risultato gocciolamenti di colla sotto l'assemblaggio stesso. In alcuni casi la colla deve essere applicata a mano, il che aggiunge tempo e costi. In entrambi i casi, devi fornire una documentazione chiara ai responsabili di produzione e assemblaggio.

Le estremità delle sezioni dei circuiti flessibili in genere terminano con un connettore, eccetto per il gruppo principale della scheda rigida. In questi casi, alla terminazione può essere applicato un rinforzo (poliimmide più spessa con adesivo, o FR-4). In genere, quindi, conviene lasciare le estremità della parte flessibile integrate nelle sezioni Rigid-Flex.

Pannelli PCB Rigid-Flex

Il circuito Rigid-Flex rimane integrato al suo pannello per il processo di assemblaggio, in modo che i componenti possano essere posizionati e saldati sulle sezioni delle terminazioni rigide. Alcuni prodotti richiedono che i componenti siano montati anche sulla parte flessibile in alcune aree, nel cui caso il pannello deve essere assemblato con aree rigide aggiuntive, per supportare la parte flessibile durante la fase di montaggio. Queste aree non aderiscono alla parte flessibile e vengono tracciate con una punta d'incisione a profondità controllata (con "linguette a strappo perforate") e infine perforate a mano dopo il montaggio.

Esempio di pannello PCB Rigid-Flex. Notare che questo pannello ha i bordi della scheda anteriore/posteriore e il circuito flessibile tracciati. I lati rigidi hanno scanalature a V per effettuare lo smontaggio in un secondo momento. Ciò consentirà di risparmiare tempo nell'assemblaggio all'interno dell'involucro (fonte: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Può risultare semplice esaminare i problemi di progettazione del layer stack, del posizionamento delle parti e dei ritagli, pensando di aver risolto i nostri problemi. Ricorda però che i circuiti flessibili hanno alcune particolarità sgradevoli riferite ai materiali. Queste particolarità vanno dai relativamente alti coefficienti di espansione dell'asse z degli adesivi, alla minore aderenza del rame al substrato PI e al rivestimento, fino all'indurimento e allo stress di tenuta del rame. Questi problemi possono essere compensati in gran parte seguendo alcune azioni da eseguire ed evitare.

Do Keep Flex Flexible

Può sembrare ovvio, ma vale la pena dirlo. Decidi in anticipo di quanta flessibilità hai bisogno e se la flessibilità deve essere ripetibile o se il progetto avrà una piega statica. Se le sezioni del tuo circuito flessibile dovranno essere piegate solo durante l'assemblaggio e successivamente lasciate in una posizione fissa, ad esempio in un dispositivo a ultrasuoni portatile, allora avrai molta più libertà nell'utilizzare il numero di strati, il tipo di rame (RA o ED) e così via. D'altra parte, se le sezioni del tuo circuito flessibile sono in continuo movimento, si piegano oppure ondeggiano, dovrai ridurre il numero di strati per ogni strato inferiore flessibile e scegliere substrati senza adesivo.

In seguito, puoi utilizzare le equazioni presenti nella IPC-2223 (Eq. 1 per singola superficie, Eq. 2 per doppia superficie, ecc.), per determinare il raggio di curvatura minimo consentito per la sezione flessibile, in base alla deformazione consentita di rame e le caratteristiche degli altri materiali.

Questo esempio di equazione si riferisce a una sezione flessibile su un solo lato. Può essere utilizzato con un PCB flessibile assemblato, anche se sarebbe possibile stressare i punti di saldatura sui conduttori dei componenti se la linea di piegatura è posizionata in modo non corretto. La scelta dell'EB viene effettuata in base all'applicazione di destinazione, con il 16% per l'installazione a piegatura singola del rame RA, il 10% “flessibile da installare" e il 0,3% per progettazioni flessibili “dinamiche" (Fonte: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). In questo caso, per progettazione dinamica si intende il processo che prevede flessione e ondeggiamento continui durante l'uso del prodotto, ad esempio una connessione al pannello TFT su un lettore DVD portatile.

Non piegare agli angoli e usa tracciati curvi

Generalmente, è opportuno mantenere le tracce di rame ad angolo retto rispetto a una curvatura del circuito flessibile. Tuttavia, ci sono alcune situazioni all'interno della progettazione in cui questo è inevitabile. In questi casi, dovresti permettere alla traccia di piegarsi il più delicatamente possibile e, come richiesto dalla progettazione meccanica di prodotto, potrai utilizzare le curve a raggio conico. In aggiunta, facendo riferimento all'immagine seguente, è meglio evitare brusche progettazioni di traccia ad angolo retto, e invece che utilizzare angoli rigidi a 45°, dovresti indirizzare le tracce con le modalità degli angoli ad arco. Ciò riduce le sollecitazioni applicate al rame durante la flessione.

Aree preferite di piegamento.

Non modificare bruscamente le larghezze

Ogni volta che hai una traccia che si collega ad una piazzola, in particolare quando è presente un percorso allineato, come in un terminale a circuito flessibile (mostrato di seguito), si formerà un punto debole in cui il rame sarà sottoposto a stress di tenuta nel tempo. A meno che non venga applicato un rinforzo o una flessione vicino alla transizione di larghezza della traccia, è consigliabile ridurre gradualmente la distanza dalle piazzole (suggerimento: posiziona le lacrime sulle piazzole e i via nel circuito flessibile!)

La modifica della larghezza della traccia e gli ingressi delle piazzole possono causare punti deboli.

Aggiungi supporto alle piazzole

È più probabile che il rame su un circuito flessibile si stacchi da un substrato di poliimide, a causa delle ripetute sollecitazioni riguardo alla flessione e alla minore adesione del rame al substrato (rispetto a FR-4). È di particolare importanza quindi fornire supporto per il rame esposto. Le vias sono intrinsecamente supportate, perché il rivestimento del foro passante offre un idoneo aggancio meccanico da uno strato flessibile all'altro. Per questo motivo (oltre all'espansione dell'asse z) molti produttori raccomanderanno una placcatura aggiuntiva del foro passante fino a 1,5 mm per circuiti flessibili e Rigid-Flex, in aggiunta alla placcatura convenzionale nei circuiti stampati rigidi.Le piazzole a montaggio in superficie e non placcate a foro passante sono indicate come non supportate e necessitano di misure aggiuntive per evitare lo smontaggio.

Supporto delle piazzole a foro passante nella parte flessibile con placcatura, nell'aggancio dello stub e aperture di accesso al rivestimento ridotte.

I pad dei componenti SMT sono tra i più vulnerabili, soprattutto perché il circuito flessibile può piegarsi sotto il perno rigido del componente e il filetto di saldatura. La disposizione dei pad e delle tracce di seguito mostra come l'utilizzo delle aperture della "maschera" del rivestimento per ancorare i pad su due lati risolverà il problema. Per fare ciò, pur consentendo la giusta quantità di saldatura, i pad devono essere leggermente più grandi rispetto ai tipici footprint della scheda rigida. Questo ovviamente riduce la densità di montaggio dei componenti dei circuiti flessibili, anche se per natura gli stessi circuiti flessibili non possono essere molto densi rispetto ai circuiti rigidi.

Aperture di rivestimento per un pacchetto SOW, che mostra l'aggancio a ciascuna estremità di ogni singola piazzola.

All'interno del software di progettazione PCB, non esiste uno strato di rivestimento specifico; sarà necessario usare un layer maschera per definire l'apertura del rivestimento attorno ai pad. Tutto questo può essere effettuato nel layer di saldatura superiore all'interno della sezione flessibile; è sufficiente posizionare un'apertura nel layer maschera per definire l'apertura del rivestimento, proprio come faresti con la maschera di saldatura. Anche i pad sul footprint dovranno essere modificati per garantire un assemblaggio preciso e per aggiungere una copertura supplementare sufficiente per l'ancoraggio. Di seguito viene riportato un esempio per il footprint di un componente 0603.

In questo footprint, le dimensioni del pad e il layer di saldatura superiore vengono utilizzati per mostrare in che modo i pad per una SMD passiva e l'apertura del rivestimento devono essere posizionate per il montaggio su un PCB rigido-flessibile. Le sagoma della piazzola superiore è per un pacchetto 0603 nominale, mentre quello inferiore è un footprint dello stesso componente, ma con un'apertura del rivestimento modificata.

Consenti la fuoriuscita

Quando una copertura viene laminata sul rame e sul substrato, una parte dell'adesivo "fuoriuscirà" dalle aperture del rivestimento intorno ai pad quando quest'ultimo viene applicato. Per consentire la fuoriuscita, il pad e l'apertura di accesso devono essere sufficientemente grandi da consentire una certa fuoriuscita di adesivo, pur lasciando abbastanza rame esposto per un solido filetto di saldatura. IPC-2223 consiglia una bagnatura della saldatura a 360° attorno al foro per progettazioni ad alta affidabilità e 270° per progettazioni flessibili ad affidabilità moderata.

Dimensioni delle piazzole e aperture di rivestimento per consentire la compressione dell'adesivo.

Routing flessibile su due lati

Per i circuiti dinamici flessibili a due lati, cerca di evitare di disporre tracce l'una sull'altra nella stessa direzione. Invece, sfalsa le tracce sui layer adiacenti in modo che non si sovrappongano. In questo modo si riduce lo stress di tensione sulle tracce quando il rame viene distribuito in modo più uniforme tra i layer (vedi sotto). Nel caso in cui le tracce siano sovrapposte, uno dei layer subirà maggiori sollecitazioni durante la piegatura, poiché i layer si spingono l'uno contro l'altro. Lo sfalsamento distribuisce lo stress sul substrato flessibile in modo che la sua distribuzione sulle tracce sia più vicina all'uniformità.

Le tracce di rame a strati adiacenti (immagine in alto) non sono consigliate. Al contrario, sfalsare le tracce in diversi layer in modo da ridurre la sollecitazione sulle tracce quando l'assieme viene piegato.

Usa i poligoni tratteggiati

A volte è necessario spostare un piano di potenza o di messa terra su un circuito flessibile. L'utilizzo di colate di rame solido può andare bene, a patto che non sia condizionante una flessibilità significativamente ridotta e la possibile deformazione del rame al di sotto di curvature a stretto raggio. Generalmente è più opportuno l'utilizzo di poligoni tratteggiati, per mantenere un alto livello di flessibilità.

Un poligono con tratteggio normale presenta ancora sollecitazioni di rame fortemente distorte nelle direzioni degli angoli di 0°, 90° e 45°, a causa dell'allineamento delle tracce di tratteggio e delle "X".Un modello di tratteggio statisticamente ottimale sarebbe quello esagonale. Questo modello può essere creato usando uno strato piano negativo e una serie di piazzole antiaderenti esagonali, ma è possibile comunque costruire rapidamente il tratteggio sottostante tagliando e incollando le sezioni.

L'uso di poligoni tratteggiati esagonali può distribuire uniformemente le distorsioni di tensione fra tre angolazioni.

Posizionamento dei via

Per le aree flessibili di strati multipli, può essere a volte necessario posizionare le vias per passare da uno strato all'altro. Se possibile, si raccomanda di non posizionare le vias, poiché queste possono risultare rapidamente affaticate durante il movimento di flessione. È inoltre necessario mantenere una distanza di almeno 20 mm (circa ½ millesimi) tra l'anello di rame della via più vicina rispetto all'interfaccia della scheda rigido-flessibile. Le regole di spaziatura dei bordi della scheda possono essere gestite automaticamente nell'editor CAD PCB.

Per quanto riguarda la necessità di posizionare le vias, se devono essere incluse nel tuo circuito flessibile, puoi utilizzare gli "ambienti" per definire le aree in cui sai che non saranno presenti curve e servirti delle regole di progettazione dell'editor PCB per consentire il posizionamento solamente in quelle aree prefissate. Un'alternativa consiste nell'utilizzo del gestore del layer stack per la definizione delle sezioni "rigide", che in sostanza sono flessibili ma con un materiale dielettrico rigido aderente ad esse.

Definizione dei ritagli flessibili e degli angoli

Se devi inserire un ritaglio o uno spazio nella sezione flessibile di una scheda, il ritaglio deve essere terminato correttamente. IPC consiglia di terminare con sezioni circolari con raggi superiori a 1,5 mm (circa 60 mil) per ridurre il rischio di rottura dei materiali del substrato flessibile agli angoli. In questo caso, di norma, ogni volta che hai un angolo interno (un angolo del bordo del circuito flessibile con angolo inferiore a 180°), utilizza sempre un angolo tangenziale curvo con raggio superiore a 1,5 mm. Se l'angolo ha una misura inferiore (più acuto) di 90°, allora una curva circolare viene ricavata da esso. Lo stesso vale per gli spazi e le fessure nella parte flessibile. Assicurati che sia stato inserito nel progetto un foro di scarico su ciascuna estremità, del diametro di 3 mm (1/8") o superiore. Un esempio di quanto sopra descritto è mostrato di seguito.

Spazi, fessure e angoli interni devono avere fori con funzione anti-strappo o curve tangenti con raggio minimo di 1,5 mm.

Queste non sono assolutamente delle linee guida complete per la progettazione di circuiti stampati flessibili, tuttavia questi suggerimenti dovrebbero aiutarti a iniziare a lavorare su molti prodotti. Se hai dei dubbi, la tua casa di produzione dovrebbe essere disponibile a fornirti le linee guida DFM per la tua scheda flessibile o per le sezioni flessibili in un PCB rigido-flessibile.

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