Riflessioni sulla tecnologia del PCB rigido-flessibile e dei PCB flessibili– Parte 1

Ben Jordan
|  Created: February 21, 2017  |  Updated: December 11, 2020

Sempre più progettisti si trovano ad affrontare la necessità di ridurre le dimensioni e i costi dei prodotti che progettano, aumentando al contempo la densità e semplificando il montaggio. Il PCB rigido-flessibile (ovvero quello che incorpora porzioni flessibili tra sezioni rigide separate) stadiventando una soluzione sempre più comune. Questo blog è l'inizio di una breve serie di articoli dove verranno discussi i materiali, la fabbricazione e i metodi di progettazione per l'uso della tecnologia rigido-flessibile.

Come suggerisce il titolo di questo blog ultimamente ho riflettuto molto sul PCB rigido-flessibile. La tecnologia rigido-flessibile presenta molti vantaggi e, a differenza di prima, molti progettisti hanno iniziato a prenderla in considerazione. La ragione è che sempre più progettisti si trovano ad affrontare pressioni sempre più forti per costruire componenti elettroniche a maggiore densità con tempi e costi di produzione ridotti. Tutto questo non è niente di nuovo, ovviamente, ma è il numero di ingegneri e progettisti che devono rispondere a queste pressioni ad essere in continua espansione.

Ci sono aspetti della tecnologia rigido-flessibile che possono presentare delle difficoltà per chi è nuovo al suo utilizzo, per questo è importante capire prima di tutto come viene effettivamente realizzato un PCB rigido-flessibile. Fatto questo potremo passare ad esaminare le questioni legate al design e procedere su questa strada. Per ora analizziamo i materiali di base che compongono queste schede.

Materiali per circuiti flessibili

Substrato e pellicole di copertura

In un normale PCB rigido i materiali di base sono, tipicamente, la fibra di vetro e la resina epossidica. Si tratta in realtà di tessuti e, anche se vengono chiamati "rigidi", se prendiamo un singolo strato di laminato possiamo vedere come abbia una ragionevole quantità di elasticità. È l'epossidico polimerizzato che rende la scheda più rigida. Questo materiale non è flessibile a sufficienza per molte applicazioni, tuttavia può essere adatto ad assemblaggi semplici dove non è presente un movimento costante.


Curioso di capire quali sono i materiali più adatti per la realizzazione di PCB flessibili? Sicuramente l’epossidico polimerizzato non è tra questi

Per la maggior parte delle applicazioni riguardanti PCB flessibili è necessaria una plastica più flessibile della normale rete di resina epossidica. La scelta più comune è la poliimmide, perché è molto flessibile, molto resistente (non si può strappare o allungare notevolmente a mano, rendendola tollerante nell'assemblaggio del prodotto) e anche incredibilmente resistente al calore. Queste caratteristiche la rendono in grado di sopportare bene i cicli di riflusso multipli e ragionevolmente stabile nelle dilatazioni e contrazioni dovute alle fluttuazioni di temperatura.

Il poliestere (PET) è un altro materiale comunemente usato per i PCB flessibili, ma non è resistente alle alte temperature come i film di poliimmide (PI) ed è meno solido dimensionalmente. Personalmente l’ho visto utilizzato in componenti elettronici a basso costo nei quali la parte flessibile aveva conduttori stampati (dove il PET non riusciva a gestire il calore della laminazione); è quasi superfluo dire che non vi era saldato nulla ed il contatto avveniva tramite semplice pressione. Mi sembra di ricordare come il display del prodotto in questione (una radiosveglia) non abbia mai funzionato troppo bene a causa della bassa qualità della connessione del circuito flessibile. Per cui per il rigido-flessibile è meglio utilizzare la pellicola PI. (Sono disponibili anche altri materiali ma non vengono utilizzati spesso).

I film PI e PET, così come i sottili nuclei di fibre epossidiche e di vetro, formano substrati comuni per PCB flessibili. I circuiti devono poi utilizzare pellicole aggiuntive (di solito PI o PET, a volte inchiostro flessibile per maschere di saldatura) per lo strato di copertura. Lo strato di copertura isola i conduttori della superficie esterna e protegge dalla corrosione e dai danni nello stesso modo in cui la maschera di saldatura lo fa sul pannello rigido. Gli spessori dei film PI e PET vanno da ⅓ mil a 3 mil, tipicamente tra 1 o 2 mil. Le fibre di vetro e i substrati epossidici sono sensibilmente più spessi, da 2 a 4 mil.

Conduttori

Anche se i dispositivi elettronici super-economici di cui abbiamo parlato prima possono utilizzare conduttori stampati - di solito un qualche tipo di film di carbonio o inchiostro a base di argento - il rame è il conduttore più comunemente utilizzato. A seconda dell'applicazione devono essere presi in considerazione diversi tipi di rame. Se si utilizza la parte flessibile del circuito solo per ridurre i tempi e i costi di produzione rimuovendo cavi e connettori, allora il consueto foglio di rame laminato (Electro-Deposited o ED) per schede rigide va bene. Esso può essere utilizzato anche nei casi in cui si desiderino pesi di rame superiori per mantenere i conduttori di alta corrente alla larghezza minima, come negli induttori planari.

Tuttavia il rame è noto per andare incontro a indurimento da lavoro e fatica. Se l'applicazione finale comporta ripetute increspature o movimenti dei PCB flessibili è necessario prendere in considerazione fogli laminati ricotti (RA) di qualità superiore. Ovviamente la fase aggiuntiva di ricottura aumenta notevolmente il costo. Tuttavia il rame ricotto è in grado di allungarsi maggiormente prima che si verifichino crepe da fatica ed è più elastico nella direzione della deviazione Z - esattamente ciò che si desidera per un circuito flessibile che deve piegarsi o arrotolarsi continuamente. Questo si verifica perché il processo di ricottura allunga la struttura delle venature in direzione planare.


Illustrazione esagerata del processo di ricottura, ovviamente non in scala. La lamina di rame passa tra rulli ad alta pressione che allungano la struttura delle venature lungo un orientamento planare, rendendo il rame molto più flessibile ed elastico nella deviazione z. Questo è uno dei materiali che potrebbe candidarsi come conduttore nella produzione di PCB flessibili.

Esempi di applicazioni sono le connessioni a portale ad una testa di fresatrice CNC o i questa è la foto di un tipo di PCB flessibili utilizzato per collegare il pickup laser alla scheda principale in un meccanismo Blu-Ray. Si fa notare che il PCB sulla testa del laser ha la parte flessibile piegata ad angolo retto ed è stata aggiunta una perlina adesiva per rinforzare il circuito flessibile nel punto di giuntura
sulla testa del laser ha la parte flessibile piegata ad angolo retto ed è stata aggiunta una perlina adesiva per rinforzare il circuito flessibile nel punto di giuntura)

Adesivi

Tradizionalmente sono necessari adesivi per incollare il foglio di rame ai film PI (o altri) perché, a differenza di un tipico pannello rigido FR-4, c'è meno "dente" nel rame ricotto e il calore e la pressione da soli non sono sufficienti per formare un legame affidabile. Produttori come DuPont offrono pellicole di rame prelaminate rivestite su uno o due lati per l'incisione di PCB flessibili, utilizzando adesivi acrilici o epossidici con spessori tipici di ½ e 1 mil. Gli adesivi sono stati sviluppati appositamente per la flessibilità.

I laminati senza adesivi ("Adhesiveless") stanno diventando sempre più diffusi a causa dei nuovi processi che comportano la ramatura o la deposizione direttamente sul film PI. Queste pellicole sono scelte quando sono necessarie distanze tra pin (pitch) inferiori e via più piccole come nei circuiti HDI.

Siliconi, colle hot-melt e resine epossidiche sono utilizzati anche quando si aggiungono perline protettive nelle giunzioni o interfacce tra flessibile e rigido (ovvero dove la parte flessibile dello strato lascia la parte rigida). Offrono un rinforzo meccanico al fulcro della giunzione rigido-flessibile, che altrimenti subirebbe elevato affaticamento con conseguenti possibili rotture o lacerazioni in caso di utilizzo ripetuto. Un esempio di questo è mostrato nella figura 3 qui sopra.

Esempio di tipico impilaggio di PCB flessibili a strato singolo
 

Riepilogo

È importante conoscere i materiali utilizzati nei PCB flessibili e rigido-flessibili. Anche se generalmente si può lasciare al produttore la libertà di scegliere i materiali in base all'applicazione, la mancata conoscenza non protegge dai guasti del prodotto finale. Un ottimo testo da cui partire, che contiene molte più informazioni rispetto alla mia breve introduzione è: Coombs, C. F. (Editor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6° Ed. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

Conoscere le proprietà del materiale aiuta anche nella progettazione meccanica, valutazione e test del prodotto. Se si lavora su prodotti automobilistici, ad esempio, calore, umidità, sostanza chimiche, urti e vibrazioni devono essere modellati con proprietà accurate del materiale per determinare l'affidabilità del prodotto e il raggio di curvatura minimo consentito. L'ironia è che i requisiti che spingono a scegliere tecnologie flessibili e rigido-flessibili sono spesso legate ad ambienti difficili. Ad esempio i dispositivi elettronici personali a basso costo sono spesso soggetti a vibrazioni, cadute, sudore o peggio.

Nella prossima puntata di questo blog esamineremo le fasi di fabbricazione dei circuiti rigido-flessibili che porteranno ad una migliore comprensione delle considerazioni progettuali, parte che verrà poi affrontata in un post successivo.

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Ben è un ingegnere di sistemi informatici e PCB con oltre 20 anni di esperienza in sistemi embedded, FPGA e progettazione di PCB. È un avido armeggiatore ed è appassionato della creazione di dispositivi elettronici di ogni tipo. Ben ha conseguito una laurea in ingegneria (CompSysEng) con lode presso l’Università di Sud Queensland ed è attualmente direttore degli strumenti e dei contenuti della comunità.

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