Introduzione ai materiali per PCB flessibili

I materiali per PCB flessibili (flexible PCB materials) devono supportare diversi obiettivi di progettazione e di funzionamento: piegatura statica o dinamica, compatibilità con i processi di assemblaggio standard e supporto per procedure di fabbricazione semplici e ad alta efficienza. Anche se a prima vista possono sembrare insoliti, i materiali necessari per produrre grandi volumi di PCB flessibili e rigido-flessibili sono relativamente pochi. In questa guida, esamineremo alcune delle proprietà di base dei materiali per PCB flex e come vengono utilizzati per costruire circuiti stampati flessibili/rigido-flessibili. 

Substrato e pellicole di rivestimento

Il materiale di base utilizzato nei più comuni circuiti stampati rigidi è la fibra di vetro intrecciata impregnata di resina epossidica. In realtà si tratta di un tessuto e sebbene definiamo questi circuiti come "rigidi", se prendiamo un singolo strato laminato ha una ragionevole elasticità. È la resina epossidica indurita a rendere la scheda più rigida. A causa dell'impiego di resine epossidiche, sono spesso indicati come circuiti stampati rigidi organici. Questo materiale non è abbastanza flessibile per molte applicazioni, sebbene per semplici assemblaggi, dove non avremo uno spostamento costante, può essere adatto.

Il materiale più comunemente utilizzato come substrato per PCB flessibili è la poliimmide. Questo materiale è molto flessibile, estremamente robusto e incredibilmente resistente al calore.

Pellicola flessibile in poliimmide (fonte: Shinmax Technology Ltd.)

Per la maggior parte delle applicazioni di circuiti flessibili, è necessaria una plastica più flessibile della normale resina epossidica di rete. La scelta più comune è la poliimmide, perché è molto flessibile, estremamente resistente (non si può strappare o allungare in modo evidente con le mani, il che la rende adatta ai processi di assemblaggio di prodotto) e anche incredibilmente resistente al calore. Ciò la rende altamente tollerante nei confronti di più cicli di riflusso della saldatura e ragionevolmente stabile per l'espansione e il restringimento, a causa delle oscillazioni di temperatura.

Materiali per PCB flessibili: poliestere (PET)

Il poliestere (PET) è un altro materiale per PCB flex molto utilizzato, tuttavia non è abbastanza tollerante alle alte temperature per sopravvivere alla saldatura. Ho osservato questa applicazione nell'elettronica a basso costo, dove la parte flessibile ha spesso conduttori stampati (in cui il PET non poteva gestire il calore della laminazione). Inutile dire che nulla è stato saldato ad esso, invece, il contatto è stato realizzato dalla pressione grezza con un elastomero conduttivo isotropico.

Il display del prodotto in questione (una radiosveglia) non ha mai funzionato troppo bene a causa della bassa qualità della connessione del circuito flessibile. Quindi, per i circuiti rigido-flessibili supponiamo di utilizzare la pellicola in poliimmide (PI). (Altri materiali sono disponibili ma non spesso utilizzati).

Le pellicole PI e PET, così come i sottili nuclei flessibili di resina epossidica e fibra di vetro, formano substrati comuni per i circuiti flessibili. I circuiti devono quindi utilizzare pellicole aggiuntive (solitamente PI o PET e a volte inchiostro per maschere di saldatura flessibili) per il rivestimento. Il rivestimento isola i conduttori della superficie esterna e protegge dalla corrosione e dai danni, allo stesso modo in cui la maschera di saldatura isola la scheda rigida. Gli spessori delle pellicole PI e PET vanno da 0,008 a 0,075 mm, con una misura standard di 0,025 o 0,05 mm. La fibra di vetro e i substrati epossidici sono sensibilmente più spessi e vanno da 0,05 a 0,1 mm.

Materiali per PCB flessibili: conduttori

Mentre i suddetti componenti elettronici a basso costo possono utilizzare conduttori stampati, solitamente una sorta di pellicola al carbonio o inchiostro a base d'argento, il rame è il conduttore tipicamente più scelto. A seconda dell'applicazione devono essere prese in considerazione diverse forme di rame. Se stai semplicemente usando la parte flessibile del circuito per ridurre i tempi e i costi di produzione rimuovendo cavi e connettori, allora il solito rivestimento di rame laminato (elettro-depositato o ED) per l'utilizzo di schede rigide va bene. Questo può essere usato anche quando desideri che spessori di rame più pesanti mantengano i conduttori percorsi da alta corrente ad una larghezza minima di lavoro, come negli induttori planari.

Ma il rame è anche tristemente noto per l'incrudimento e il logoramento. Se la tua applicazione finale prevede piegature ripetute o spostamenti del circuito flessibile, devi considerare l'utilizzo di fogli di laminati ricotti (RA) di qualità superiore. Ovviamente, il processo supplementare di ricottura del laminato aumenterà notevolmente i costi. Ciò nonostante, il rame ricotto è in grado di allungarsi maggiormente prima che si verifichi la rottura per stress della resistenza di tenuta ed è più elastico nella direzione di deflessione Z. Questo è esattamente quello che vuoi per un circuito flessibile che si piegherà o ondeggierà continuamente. Ciò è dovuto al fatto che il processo di ricottura di laminazione allunga la struttura delle venature nella direzione planare.

Se stai utilizzando semplicemente la parte flessibile del circuito, per ridurre i tempi e i costi di produzione rimuovendo cavi e connettori, allora il consueto rivestimento di rame laminato per l'utilizzo di schede rigide è corretto.

Illustrazione che mostra il processo di ricottura applicato ai materiali PCB flessibili, ovviamente non in scala. Il foglio di rame passa tra i rulli ad alta pressione che allungano la struttura delle venature in un orientamento planare, rendendo il rame molto più flessibile ed elastico in situazioni di normalità.

Materiali per PCB flessibili: adesivi

Tradizionalmente, per incollare la lamina di rame alla pellicola PI (o altri tipi) sono necessari degli adesivi, perché a differenza di una tipica scheda rigida FR-4, c'è meno "solidità" nel rame ricotto e la pressione unita al calore da soli non sono sufficienti per creare una saldatura affidabile. I produttori offrono pellicole pre-laminate in rame a singolo o doppio rivestimento per incisioni sui flexible PCB, utilizzando adesivi a base acrilica o epossidica con spessori tipici di 0,5 e 1 mm. Gli adesivi sono stati sviluppati appositamente per garantire flessibilità.

I laminati “senza adesivo” stanno diventando sempre più diffusi, a causa di nuovi processi che prevedono la placcatura o la collocazione del rame direttamente sulla pellicola PI. La scelta di queste pellicole serve quando sono necessari passi più fini e vias più piccoli, come nei circuiti HDI.

I siliconi, le colle a caldo e le resine epossidiche sono inoltre utilizzati quando vengono aggiunte gocce protettive dai giunti flessibili a quelli rigidi, oppure alle interfacce (ad esempio, dove la parte flessibile della pila dei layer si stacca dalla parte rigida). Questi elementi offrono rinforzi meccanici al fulcro dai giunti flessibili a quelli rigidi, che altrimenti sarebbe rapidamente sottoposto a stress e si spezzerebbe, come a seguito di un uso ripetuto.

Circuiti flessibili a singolo strato

Un esempio di una tipica visualizzazione di un segmento del circuito flessibile a singolo strato è illustrato di seguito. Questa è la stessa struttura utilizzata per i più comuni cavi FFC (Flexible Flat Connector), che sono un'alternativa all'utilizzo di PCB rigido-flessibili, in cui è possibile alloggiare i connettori FFC e il costo diventa il fattore trainante principale nelle decisioni di progettazione. Nei circuiti flessibili a strato singolo, il rame viene pre-laminato sulla pellicola PI dal fornitore del materiale, quindi inciso e forato con una piastra di supporto rigida. Il tutto viene infine laminato con un rivestimento in poliimmide a base adesiva, che è preforato per esporre le piazzole di rame. Gli adesivi utilizzati in questa disposizione per il rivestimento possono comprimersi nel processo, ma si può ovviare a questo inconveniente allargando i pad nelle aree esposte.

Tipico stack-up di circuito flessibile a strato singolo.

È importante essere consapevoli dei materiali utilizzati nei circuiti flessibili e rigido-flessibili. Anche se in genere si lascia al fabbricante la libertà di scegliere i materiali per garantire la resa, è bene tenere presente i fattori che possono causare il fallimento di un PCB flessibile sul campo. La conoscenza delle proprietà dei materiali per PCB flex ti aiuterà inoltre nella progettazione meccanica, nella valutazione e nei test dei tuoi prodotti. Ad esempio, se lavori su prodotti d'ingegneria automobilistica: il calore, l'umidità, le sostanze chimiche, gli impatti e le vibrazioni, devono essere modellati con accurate proprietà dei materiali per determinare l'affidabilità di prodotto e il raggio di curvatura minimo consentito. L'ironia della sorte è che le esigenze che portano a scegliere fra un circuito flessibile oppure uno rigido-flessibile sono spesso legate ad ambienti ostili. Ad esempio, i dispositivi elettronici di consumo personale a basso costo sono spesso soggetti a: vibrazioni, gocciolamenti, sudore o condizioni ancora peggiori.

Il manuale di Coombs del 2008 offre un'eccellente risorsa su questo argomento, molto più dettagliata rispetto alla panoramica di questo articolo:

• Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 7th Ed. 2008 McGraw Hill.

Esempio di stack-up di un flexible PCB

Proprio come nei PCB rigidi, i PCB flex e i PCB rigido-flessibili possono presentare stack-up complessi man mano che vengono aggiunti più strati conduttivi. Questi stack-up possono coinvolgere più sezioni flessibili nello stesso PCB, come nell'esempio mostrato di seguito. Per un circuito stampato flessibile puro (anziché rigido-flessibile), la pianificazione dello stack del layer è semplificata, anche in ciascuna sezione del PCB. Tuttavia, potrebbero esserci ancora punti che richiedono il posizionamento di rinforzi nelle aree in cui sono montati i componenti o dove il circuito è terminato.

Nel software di progettazione, ciascuna di queste sezioni è definita come un proprio stack e applicata a diverse regioni del layout PCB. Quando è il momento di produrre la scheda, ogni sezione della scheda dovrà essere chiaramente mostrata nei disegni di fabbricazione per illustrare la disposizione dei layer e i materiali nella scheda. Discuteremo questo importante aspetto della progettazione e della produzione di PCB flessibili in una sezione successiva.

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