Progettazione di PCB rigido-flessibili: linee guida per vincoli meccanici, stackup e affidabilità

La progettazione di PCB rigid-flex comporta l’integrazione di materiali per circuiti flessibili con sezioni rigide per creare tipologie di design uniche. L’obiettivo è spesso inserire i progetti in involucri complessi, form factor compatti o piegati, oppure involucri con parti mobili. I PCB rigid-flex richiedono un approccio diverso rispetto alla progettazione rigida standard, ma in alcuni casi offrono una maggiore affidabilità e consentono funzionalità difficili da ottenere con connettori e cablaggi.

Se non hai mai realizzato un PCB flessibile o un PCB rigid-flex, queste linee guida ti aiuteranno a creare schede flex e rigid-flex con funzionalità uniche, conformi anche ai requisiti DFM della maggior parte dei produttori. Anche gli stackup PCB per i progetti rigid-flex possono risultare complessi, quindi forniremo indicazioni sui vari stackup, incluso l’uso corretto degli stiffener.

Tipi di design rigid-flex e stackup PCB

I vari tipi di design rigid-flex sono sempre definiti dallo stackup PCB, poiché è questo a rendere possibile la funzionalità in un PCB rigid-flex. Di seguito riportiamo un breve elenco di diversi tipi di progettazione PCB rigid-flex e alcune immagini che mostrano ciò che è possibile realizzare.

• Rigid-flex integrato: il tipo più comune di rigid-flex, in cui la sezione flessibile è laminata nello stackup del PCB
• Rigid-flex con stiffener: invece di laminare la regione flessibile nello stackup, un foglio di prepreg irrigidisce il flex in aree specifiche
• PCB completamente flessibile, o FPC: un progetto senza alcuna sezione rigida, tipicamente usato come sostituto di un cavo
• Rigid-flex tipo “book binder”: un progetto con più regioni flessibili sovrapposte che possono ripiegarsi una sull’altra
• Rigid-flex per piegatura dinamica: un progetto rigid-flex destinato a piegature ripetute durante il funzionamento
• Rigid-flex HDI: un progetto con microvia forate al laser nella sezione rigida, nella sezione flessibile o in entrambe
• Rigid-flex trasparente: un progetto che utilizza materiali flessibili completamente trasparenti con uno stackup rigido o uno stiffener
• Rigid-flex basato su PTFE: un progetto rigid-flex che utilizza core e bondply in PTFE per costruire la parte rigida dello stackup

I design rigid-flex possono avere più regioni in cui la sezione flessibile si dirama. Questa può terminare su un connettore, un’altra sezione rigida, uno stiffener, contatti dorati oppure un circuito assemblato sulla regione flessibile. Di seguito è mostrato un esempio complesso.

Gli assiemi PCB rigid-flex possono avere più diramazioni e sezioni rigide.

Vincoli meccanici nei design rigid-flex

Fissaggio

I design rigid-flex spesso devono essere fissati all’interno dell’involucro, operazione che può essere eseguita con viti o supporti a scatto. Alcuni metodi di fissaggio utilizzano anche una staffa a inserimento che mantiene in posizione la sezione flessibile o quella rigida. Questo richiede comunemente fori di montaggio per mantenere in posizione l’assieme rigid-flex.

Deformazione permanente

In alcuni assiemi rigid-flex, il nastro flessibile viene piegato in modo permanente o cordonato durante l’installazione, così che la scheda finale mantenga la propria forma all’interno dell’involucro. Si tratta di applicazioni flex statiche in cui la piega viene applicata una sola volta e il nastro non si muove più durante il funzionamento. Quando questa deformazione permanente è prevista, il progettista dovrebbe definire la regione di cordonatura o piega nel layout PCB utilizzando aree keepout. Queste keepout impediscono il posizionamento di componenti, via e tracce nella zona in cui avverrà la piega, perché gli elementi in rame in una zona di cordonatura sono soggetti a stress meccanico concentrato che nel tempo può causare cricche nelle tracce o fratture nei giunti di saldatura. Definire queste keepout nelle prime fasi del layout, idealmente sulla base del modello MCAD dell’involucro, garantisce che il nastro flessibile possa essere ripiegato nella posizione finale senza interferenze impreviste.

Limiti di piegatura

La distinzione tra piegatura statica e dinamica è il vincolo principale che governa il raggio minimo di piegatura consentito in un design rigid-flex. La piegatura statica si verifica quando il nastro flessibile viene piegato una sola volta o un numero limitato di volte durante l’installazione e poi rimane in posizione fissa per tutta la vita del prodotto. La piegatura dinamica si verifica quando il nastro flessibile è soggetto a flessioni ripetute e continue durante il normale funzionamento, ad esempio in una cerniera, in un giunto robotico o in un dispositivo indossabile. Il raggio minimo di piegatura è definito come un multiplo dello spessore totale del flex nella regione di piega. Per le applicazioni flex statiche, il raggio minimo di piegatura generalmente accettato è pari a 6x lo spessore del flex, mentre 10x rappresenta un punto di partenza più conservativo e ampiamente raccomandato. Per le applicazioni flex dinamiche, il raggio di piegatura richiesto aumenta in modo sostanziale, spesso fino a 100x lo spessore del flex, a seconda del numero di cicli di piegatura previsti durante la vita utile del prodotto.

Come esempio di calcolo, consideriamo una regione flex a quattro strati spessa 11 mil in un’applicazione statica. Utilizzando la linea guida conservativa 10x:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

Utilizzando la linea guida minima assoluta 6x:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Se questa stessa regione flex da 11 mil fosse utilizzata in un’applicazione dinamica che richiede una lunga vita a cicli, il raggio di piegatura dovrebbe aumentare approssimativamente a:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Questo mostra quanto rapidamente cresca l’ingombro meccanico quando una regione flex deve sopravvivere a piegature ripetute. Spessori di rame più sottili (mezzo oncia o un terzo di oncia), rame rolled annealed e laminati adhesiveless contribuiscono tutti a migliorare la durata alla piegatura, ma non eliminano la necessità di rispettare il vincolo sul raggio di piegatura.

Questi limiti di piegatura creano un collegamento diretto tra lo stackup del PCB rigid-flex e la progettazione meccanica dell’involucro. Se la geometria dell’involucro viene definita per prima, lo spazio disponibile per la piegatura del nastro flessibile determina lo spessore massimo del flex e il raggio minimo di piegatura che il progettista PCB può utilizzare. Viceversa, se lo stackup viene definito per primo in base a requisiti elettrici come numero di strati, impedenza o peso del rame, lo spessore risultante del flex impone un raggio minimo di piegatura che il progettista meccanico deve prevedere nell’involucro.

In pratica, questo significa che lo stackup PCB e la geometria dell’involucro devono essere sviluppati congiuntamente. Una regione flex a quattro strati che soddisfa i requisiti elettrici può essere troppo spessa per piegarsi entro il volume disponibile dell’involucro, imponendo un compromesso tra numero di strati, peso del rame e spazio meccanico disponibile. Una collaborazione precoce tra i team di progettazione elettrica e meccanica, idealmente tramite strumenti sincronizzati di collaborazione ECAD-MCAD, evita conflitti nelle fasi finali in cui il nastro flessibile non può fisicamente entrare nell’involucro senza violare i limiti del proprio raggio di piegatura.

Test meccanici e di affidabilità in un PCB rigid-flex

Una volta definiti i vincoli meccanici, spesso vengono richiesti test di affidabilità tipici per il progetto o per il prodotto nel suo complesso. Può quindi sorgere la domanda su come validare meccanicamente il design rigid-flex.

Il software EDA non fornisce direttamente questo tipo di validazione. Tuttavia, ci sono due modi per farlo:

• Test fisici: l’assieme può essere sottoposto a prove di vibrazione, test ambientali, ecc., per verificare l’affidabilità del PCB e dell’assieme
• Simulazione: le simulazioni meccaniche possono essere utilizzate per comprendere il comportamento dell’assieme sotto vibrazione, shock meccanico o altre condizioni estreme

Per la parte di simulazione, è possibile importare i design rigid-flex nel software MCAD senza fare affidamento sullo scambio di file. I software MCAD commerciali possono fornire simulazioni di vibrazione, stress/deformazione e assemblaggio su design rigid-flex creati in Altium Develop. Utilizzando la funzionalità avanzata MCAD CoDesigner, gli utenti possono creare un digital twin del proprio progetto elettrico all’interno di software MCAD commerciali. Un progettista meccanico può quindi usarlo per creare un involucro, verificare eventuali interferenze e persino posizionare componenti principali o definire vincoli meccanici rigid-flex.

La funzionalità avanzata MCAD CoDesigner consente agli utenti Altium di trasferire istantaneamente il layout del proprio PCB rigid-flex nelle più diffuse applicazioni MCAD.

Come includere i vincoli meccanici

I vincoli meccanici nei design rigid-flex comportano tipicamente il posizionamento bloccato di componenti specifici e l’uso di keepout. Talvolta le keepout si basano sull’altezza dei componenti, in modo da evitare interferenze in un assieme. Nel software di progettazione PCB, questi vincoli vengono definiti tramite regole di progettazione e definizioni di keepout disegnate direttamente nel layout PCB.

Definizione delle regole di progettazione per i vincoli meccanici

Altium Designer fornisce un sistema di regole di progettazione guidato da vincoli che consente di applicare direttamente i requisiti meccanici durante il layout. Le regole di clearance, le regole di posizionamento e i vincoli specifici per regione possono essere applicati a particolari regioni della scheda, stack di strati o classi di componenti, caratteristica che li rende particolarmente adatti ai design rigid-flex, in cui diverse zone della scheda hanno requisiti meccanici fondamentalmente differenti. I passaggi seguenti illustrano come impostare regole di progettazione che supportino la definizione dei vincoli meccanici in un layout rigid-flex.

• I flussi di lavoro di progettazione spaziano da interfacce tipo foglio di calcolo incentrate sugli oggetti ai classici motori di regole basati su query per un ambito di applicazione flessibile.
• L’applicazione dei requisiti meccanici, come clearance e vincoli di tipo regionale, viene ottenuta tramite DRC automatizzato e costrutti Room.
• L’ottimizzazione dell’integrità del segnale comporta terminazioni precise, controllo dell’impedenza basato sullo stackup e valutazione delle perdite di canale mediante diagrammi a occhio e risposte impulsive.
• La gestione centralizzata delle librerie riduce il rischio di progettazione facilitando il riutilizzo di simboli, footprint e blocchi circuitali già validati.
• La preparazione alla produzione dipende da una comunicazione tempestiva con i fabbricanti riguardo alla disponibilità dei materiali, ai pesi del rame e agli aspect ratio delle via.
• I sistemi PLM e MRP integrati migliorano la tracciabilità e la visibilità della supply chain, aiutando i team a gestire cicli di vita del prodotto complessi e la volatilità degli approvvigionamenti.

Uso delle keepout nel layout PCB

Le regioni keepout in un layout PCB definiscono aree in cui specifici oggetti, come tracce, via, componenti o riempimenti di rame, sono vietati. Nei design rigid-flex, le keepout svolgono una funzione strutturale che va oltre la normale applicazione delle clearance: impediscono il posizionamento di rame e componenti nelle zone di piega, nelle regioni di cordonatura o nelle aree che devono rimanere libere per l’inserimento nell’involucro. Le keepout possono essere disegnate su strati specifici oppure applicate come restrizioni multilayer, e vengono verificate rispetto alle regole di progettazione attive durante il DRC. I passaggi seguenti descrivono come definire e applicare regioni keepout in Altium Designer per un layout rigid-flex.

• Definire l’ambito: determinare se la keepout si applica a tutti gli strati di segnale (utilizzando il layer Keepout) oppure a un singolo strato di rame specifico.
• Definisci la geometria: Posiziona una Keepout Region sull’area rigida o flessibile in cui devono essere impediti il routing e il posizionamento dei componenti.
• Imposta le restrizioni: Configura le restrizioni nel pannello Proprietà per bloccare tipi specifici di oggetti (ad esempio via, tracce, pad) all’interno della regione definita.
• Verifica: Conferma che le funzioni di routing e posizionamento automatici siano bloccate in base alle regole, evitando violazioni di progettazione nelle aree protette.

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