Come sono Progettati e Fabbricati i PCB Flessibili Termoformati

I circuiti flessibili continuano ad essere una soluzione vincente quando sono richiesti durabilità e un fattore di forma compatto. I vantaggi evidenti di essere più sottili e leggeri con la capacità di essere piegati e flessi sono facili da comprendere e la tecnologia è in uso da decenni.

Sebbene spesso dedichiamo tempo a guardare i materiali, come progettare per la flessibilità e comprendere il processo di fabbricazione, oggi guarderemo specificamente ai circuiti stampati flessibili termoformati. Questa tecnologia è particolarmente interessante perché i circuiti possono essere modellati in forme specifiche mantenendo le loro prestazioni. Come con le applicazioni più tradizionali per materiali flessibili, la termoformatura non è una tecnologia nuova, ma aggiunge un altro livello di complessità sia alla progettazione del circuito che al processo di fabbricazione.

Considerazioni sulla Progettazione del Circuito

I PCB flessibili termoformati sono un tipo speciale di circuito stampato flessibile che può essere permanentemente modellato durante la fabbricazione. I PCB flessibili possono essere piegati meccanicamente in un raggio di curvatura statico desiderato, come discute Zach Peterson in questo articolo collegato. A differenza dei soliti PCB flessibili che si piegano e flettono, o che sono fissati meccanicamente dopo la fabbricazione, i PCB flessibili termoformati sono modellati in forme fisse.

Sono tipicamente progettati in luoghi dove lo spazio è limitato e sono necessarie forme precise, come nelle automobili, nei dispositivi medici e nei dispositivi indossabili. Se si considerano applicazioni come il cruscotto della propria auto o l'ultimo monitor per la salute indossabile, i PCB flessibili termoformati rendono possibili questi design eleganti adattandosi a spazi compatti e conformandosi a forme complesse.

Esempio di PCB flessibile termoformato immagini da FreddieHong19 su github

Quando si tratta di progettazione meccanica, è necessario pensare a come il PCB si piegherà e fletterà, sia durante il processo di formatura che nel suo utilizzo finale. Evitare di posizionare tracce e componenti in aree ad alta sollecitazione. Utilizzare tracce curve e vie sfalsate può aiutare a distribuire lo stress e ridurre il rischio di crepe. Questi sono molto simili ai dispositivi di interconnessione stampati (MID), ma la principale differenza è che i PCB termoformati hanno la loro piegatura applicata dopo che la fabbricazione è completata.

Sebbene sembri che la tecnologia flex termoformata possa essere una soluzione fantastica in un numero qualsiasi di applicazioni, è anche una tecnologia difficile da fabbricare e, successivamente, da progettare. Ci sono molti fattori da considerare per garantire un esito di successo.

Processo di Fabbricazione per PCB Flessibili Termoformati

Il processo di fabbricazione per i PCB flessibili termoformati comporta diversi passaggi precisi per ottenere la forma e la funzionalità desiderate e penso sia importante sottolineare che la termoformazione non è una capacità "standard" o nemmeno tipica per la maggior parte dei produttori di circuiti flessibili. Richiede un controllo rigoroso del processo e un altro livello di capacità di processo.

I poliimidi e i poliesteri (ad esempio, il tereftalato di polietilene) sono scelte di materiali popolari perché sono flessibili e possono gestire il calore grazie alle loro alte temperature di decomposizione e alte temperature di transizione vetrosa. Il poliimide è preferito perché può resistere ad alte temperature durante il processo di termoformazione, e la lavorazione è ben compresa da molte fabbriche di produzione.

Strumentazione per Termoformazione: La creazione della versione 2D del circuito flessibile avviene come ci si aspetterebbe per qualsiasi processo di fabbricazione di circuiti flessibili. Una volta che il modello del circuito è stato creato e ha superato la revisione di qualità, ha luogo la termoformazione.

Prima che inizi qualsiasi riscaldamento, lo stampo utilizzato per modellare il PCB deve essere preparato. Questo stampo è tipicamente realizzato con materiali che possono resistere ad alte temperature senza deformarsi, come metalli o plastiche/polimeri resistenti al calore. Lo stampo deve essere lavorato con precisione alle dimensioni esatte e alla forma richiesta per il design finale del PCB. Un nuovo approccio per la termoformazione è l'uso di stampi stampati in 3D; vedi ad esempio gli stampi qui sotto da Proto3000:

Proto3000 ha stampato in 3D stampi per termoformatura. (Fonte dell'immagine)

Fissaggio e Riscaldamento: Il substrato flessibile del PCB, che è già stato sagomato e placcato, viene posizionato con attenzione nello stampo. Un allineamento corretto è fondamentale per garantire che il PCB si adatti alla forma desiderata senza disallineamenti o distorsioni. Questo passaggio spesso comporta l'uso di strumenti o dispositivi di allineamento appositamente progettati per mantenere il PCB in posizione durante il processo di riscaldamento.

La fase di riscaldamento e il controllo del processo sono critici. L'intero assemblaggio viene riscaldato a una temperatura specifica in cui il substrato diventa plasmabile. Questa temperatura deve essere controllata con precisione per evitare il surriscaldamento, che può danneggiare il materiale o le tracce conduttive. Il riscaldamento può essere effettuato utilizzando vari metodi, inclusi forni a convezione, riscaldatori a infrarossi o attrezzature specializzate per la termoformatura. La chiave è applicare il calore uniformemente su tutto il PCB per garantire una plasmabilità uniforme.

Una volta che il substrato raggiunge la temperatura richiesta, diventa morbido e plasmabile. Lo stampo quindi dà al PCB la forma tridimensionale desiderata. Questo passaggio deve essere eseguito rapidamente ma con attenzione per garantire che il PCB si adatti allo stampo senza introdurre rughe, bolle o altri difetti. La pressione applicata durante la formatura deve essere distribuita uniformemente per evitare di stressare il materiale.

Ad esempio, DuPont fornisce indicazioni per la termoformatura per la loro linea di materiali Kapton, inclusi fissaggio e valori di tempo/temperatura di pressatura basati sulla profondità dello stampo di formatura. Leggi le loro linee guida per i film Kapton qui.

Raffreddamento e Solidificazione: Dopo che il PCB è stato modellato, deve essere specificamente raffreddato per solidificare la sua nuova forma. Il raffreddamento deve essere controllato per evitare l'introduzione di tensioni interne o difetti come deformazioni e crepe. Raffreddare troppo rapidamente o non abbastanza rapidamente può portare a difetti nel design finale. Il processo di raffreddamento può essere gestito utilizzando raffreddamento ad aria controllato, bagni d'acqua o sistemi di raffreddamento integrati all'interno dell'attrezzatura di termoformatura. Un raffreddamento graduale e uniforme è necessario per mantenere l'integrità del PCB.

Rimuovere il circuito flessibile dallo stampo richiede anche grande cura. Dopo che il PCB è stato rimosso dallo stampo, subisce un'altra ispezione approfondita e controlli di qualità. Questo include ispezioni visive per difetti superficiali, controlli dimensionali per assicurare che il PCB si conformi alla forma desiderata e test meccanici per valutare l'integrità strutturale.

Processi Avanzati nei PCB Flessibili Termoformati

Il campo dei PCB flessibili in generale è in evoluzione, con nuovi progressi e innovazioni all'orizzonte. La ricerca è in corso per sviluppare nuovi materiali con proprietà migliorate, come maggiore flessibilità, migliore stabilità termica e prestazioni elettriche migliorate. Questi avanzamenti amplieranno le potenziali applicazioni dei PCB flessibili termoformati e ne miglioreranno l'affidabilità.

Le tecnologie di fabbricazione ad alta densità, come la strutturazione diretta laser (LDS) e i processi di fabbricazione additiva (mSAP o SAP), possono portare approcci di progettazione ad alta densità di interconnessione (HDI) nei PCB flessibili, che potrebbero poi essere utilizzati anche in dispositivi termoformati. Queste tecniche offrono maggiore precisione, maggiore flessibilità nella progettazione e riduzione dei tempi di produzione.

Il processo di termoformatura è un delicato equilibrio di controllo preciso della temperatura, manipolazione attenta e rigorosa assicurazione della qualità. Ogni passaggio, dal riscaldamento al raffreddamento, deve essere gestito meticolosamente per produrre PCB flessibili termoformati di alta qualità che possano resistere alle esigenze delle loro applicazioni previste. Se stai considerando un circuito flessibile termoformato per la tua applicazione, lavora con il tuo fabbricante fin dall'inizio del processo di progettazione per garantire il massimo livello di successo.