Riflessioni sulla progettazione di PCB Rigid-Flex

Sempre più progettisti si trovano nella necessità di ridurre le dimensioni e i costi dei prodotti che disegnano, aumentando al contempo la densità e semplificando l'assemblaggio. I circuiti rigido-flessibili (quelli che incorporano porzioni flessibili tra sezioni rigide separate) stanno diventando una soluzione sempre più comune. Questo blog è l'inizio di una breve serie che discute 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 sui circuiti Rigid-Flex. Rigid-Flex può offrire numerosi vantaggi e molti progettisti che in precedenza non dovevano considerarlo, oggi lo stanno almeno prendendo in considerazione. Sembra che più progettisti si trovino sotto pressioni maggiori per costruire elettronica sempre più densamente popolata e, con ciò, arriva anche la pressione per ridurre i costi e i tempi di produzione. Beh, in realtà questo non è affatto una novità. È solo che l'ambito di ingegneri e progettisti che devono rispondere a queste pressioni si sta continuamente ampliando.

Ma ci sono aspetti dei circuiti rigido-flessibili che potrebbero rappresentare delle insidie per i neofiti della tecnologia. Quindi è saggio prima comprendere come i circuiti flessibili e le schede rigido-flessibili sono effettivamente realizzati. Da lì possiamo esaminare le problematiche di progettazione e trovare una via chiara da seguire. Per ora, consideriamo quali materiali di base entrano in queste schede.

Materiali per Circuiti Flessibili

Substrato e Film di Copertura

Inizia pensando a un normale PCB rigido - il materiale di base è tipicamente fibra di vetro e resina epossidica. È in realtà un tessuto, e sebbene li chiamiamo "rigidi", se prendi un singolo strato laminato questi hanno una ragionevole quantità di elasticità. È l'epossidica indurita che rende la scheda più rigida. Questo però non è abbastanza flessibile per molte applicazioni, anche se per semplici assemblaggi dove non ci sarà un movimento costante è adatto.

• Scopri di più sui materiali per circuiti flessibili

Per la maggior parte delle applicazioni, è necessario un materiale plastico più flessibile della solita resina epossidica. La scelta più comune è il poliimide, perché è molto flessibile, molto resistente (non si può strappare o allungare in modo evidente con le mani, rendendolo tollerante nell'assemblaggio del prodotto), ed è anche incredibilmente resistente al calore. Questo lo rende altamente tollerante a più cicli di riflusso e ragionevolmente stabile nell'espansione e nella contrazione dovute alle fluttuazioni di temperatura.

Il poliestere (PET) è un altro materiale comunemente utilizzato per i circuiti flessibili, ma non tollera alte temperature ed è meno dimensionalmente stabile dei film in Poliimide (PI). Ho visto questo utilizzato in elettronica di molto basso costo dove la parte flessibile aveva conduttori stampati (dove il PET non poteva sopportare il calore della laminazione), e inutile dire che nulla era saldato su di esso - piuttosto, il contatto era realizzato mediante grossolana pressione. Mi sembra di ricordare che il display di questo prodotto (una radio sveglia) in questione non ha mai funzionato bene a causa della bassa qualità della connessione del circuito flessibile. Quindi, per i circuiti rigido-flessibili, assumeremo che stiamo aderendo al film PI. (Sono disponibili altri materiali ma non vengono spesso utilizzati).

I film in PI e PET, così come i nuclei sottili in epossidico e fibra di vetro, costituiscono substrati comuni per i circuiti flessibili. I circuiti devono quindi utilizzare ulteriori film (solitamente in PI o PET, talvolta inchiostro per maschera di saldatura flessibile) per il coverlay. Il coverlay isola i conduttori sulla superficie esterna e li protegge dalla corrosione e dai danni, allo stesso modo in cui la maschera di saldatura lo fa sulla scheda rigida. Gli spessori dei film in PI e PET variano da ⅓ di mil a 3 mils, con 1 o 2 mils tipici. I substrati in fibra di vetro ed epossidico sono sensibilmente più spessi, variando da 2 mils a 4 mils.

Conducenti

Sebbene l'elettronica di bassa qualità sopra menzionata possa utilizzare conduttori stampati - solitamente una sorta di film di carbonio o inchiostro a base di argento - il rame è il conduttore più tipico scelto. A seconda dell'applicazione diverse forme di rame devono essere considerate. Se si sta semplicemente utilizzando la parte flessibile del circuito per ridurre i tempi e i costi di produzione eliminando cavi e connettori, allora il solito foglio di rame laminato (elettrodepositato, o ED) per l'uso su schede rigide va bene. Questo può anche essere utilizzato dove sono desiderati pesi maggiori di rame per mantenere i conduttori ad alta corrente alla larghezza minima praticabile, come negli induttori planari.

Ma il rame è anche famoso per l'indurimento da lavoro e la fatica. Se la tua applicazione finale comporta piegature ripetute o movimenti del circuito flessibile, devi considerare l'uso di lamine di rame laminato ricotto (RA) di qualità superiore. Ovviamente, il passaggio aggiuntivo della ricottura della lamina aumenta notevolmente il costo. Ma il rame ricotto è in grado di allungarsi di più prima che si verifichino crepe da fatica, ed è più elastico nella direzione della deflessione Z - esattamente ciò che vuoi per un circuito flessibile che sarà piegato o arrotolato tutto il tempo. Questo perché il processo di ricottura a laminazione allunga la struttura granulare nella direzione planare.

Figura 2: Illustrazione esagerata del processo di ricottura, ovviamente non in scala. La lamina di rame passa tra rulli ad alta pressione che allungano la struttura granulare in un'orientazione planare, rendendo il rame molto più flessibile ed elastico nella deflessione z.

Esempi di tale applicazione potrebbero essere collegamenti a portale per una testa di router CNC, o il pickup laser per un lettore Blu-Ray (come mostrato sotto).

Figura 3: Circuito flessibile utilizzato per collegare il pickup laser all'assemblaggio della scheda principale in un meccanismo Blu-Ray. Si noti che la PCB sulla testa laser ha la parte flessibile piegata ad angolo retto, e è stata aggiunta una perla adesiva per rinforzare il circuito flessibile all'unione.

Adesivi

Tradizionalmente, gli adesivi sono necessari per legare il foglio di rame ai film di PI (o altri) perché, a differenza di una tipica scheda rigida FR-4, il rame ricotto ha meno "presa" e il calore e la pressione da soli non sono sufficienti a formare un legame affidabile. Produttori come DuPont offrono film di rame pre-laminati mono e bi-facciali per l'incisione di circuiti flessibili, utilizzando adesivi a base di acrilico o epossidica con spessori tipici di ½ e 1 mil. Gli adesivi sono appositamente sviluppati per la flessibilità.

I laminati "senza adesivo" stanno diventando più diffusi grazie a nuovi processi che coinvolgono la placcatura o la deposizione del rame direttamente sul film di PI. Questi film sono scelti quando sono necessari passi più fini e vie più piccole come nei circuiti HDI.

Siliconi, colle termofusibili e resine epossidiche sono utilizzati anche quando vengono aggiunte perle protettive alle giunzioni o interfacce flessibili-rigide (cioè dove la parte flessibile dello stack di strati lascia la parte rigida). Questi offrono un rinforzo meccanico al fulcro della giunzione flessibile-rigida che altrimenti si affaticherebbe rapidamente e si incrinerebbe o strapperebbe con l'uso ripetuto. Un esempio di ciò è mostrato nella Figura 3 sopra.

Figura 4: Tipico stack-up di un circuito flessibile monostrato.

È importante essere consapevoli dei materiali utilizzati nei circuiti flessibili e rigido-flessibili. Anche se generalmente si può permettere al fabbricante di scegliere i materiali in base alla propria applicazione, l'ignoranza non vi proteggerà dai fallimenti sul campo del prodotto finale. Una risorsa davvero buona che contiene molti più dettagli rispetto alla mia breve introduzione qui è:

• Coombs, C. F. (Editore, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6ª Ed. 2008 McGraw Hill, pp 61.3 0 - 61.24.

Conoscere le proprietà dei materiali aiuterà anche nella progettazione meccanica, valutazione e test del vostro prodotto. Se, ad esempio, state lavorando su prodotti automobilistici; calore, umidità, sostanze chimiche, shock e vibrazioni - tutti devono essere modellati con proprietà dei materiali accurate per determinare l'affidabilità del prodotto e il raggio minimo di piegatura consentito. L'ironia è che le esigenze che vi spingono a scegliere i circuiti 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 e peggio.

Processi di Fabbricazione Flex & Rigid-Flex

A prima vista, una tipica scheda flessibile o rigido-flessibile sembra semplice. Tuttavia, la natura di queste richiede diversi passaggi aggiuntivi nel processo di costruzione. L'inizio di qualsiasi scheda rigido-flessibile è sempre costituito dai strati flessibili mono o bi-facciali. Come menzionato la scorsa settimana, il fabbricante può iniziare con un flex pre-laminato o può iniziare con un film di PI non rivestito, e poi laminare o placcare il rame per il rivestimento iniziale. Laminare il film richiede uno strato sottile di adesivo, mentre il rivestimento senza adesivo richiede uno strato "seme" di rame. Questo strato seme viene inizialmente depositato utilizzando tecniche di deposizione a vapore (ad esempio, lo sputtering), e fornisce la chiave su cui il rame depositato chimicamente viene placcato. Questo circuito flessibile mono o bi-facciale viene forato, placcato attraverso, e inciso seguendo più o meno gli stessi passaggi dei tipici nuclei a 2 lati nelle schede rigide.

L'animazione GIF qui sotto mostra i passaggi di creazione di una scheda circuito flessibile tipica a doppia faccia.

• Scopri di più sulla fabbricazione di PCB flessibili e rigido-flessibili

Figura 5: Animazione GIF che mostra il processo di costruzione del circuito flessibile.

1. Applicazione del Rivestimento Adesivo/Seme

Viene applicato un adesivo epossidico o acrilico, oppure si utilizza la sputtering per creare uno strato sottile di rame come chiave di placcatura.

2. Aggiunta di Lamina di Rame

Attraverso la laminazione di lamina di rame RA/ED all'adesivo (l'approccio più diffuso) o la placcatura chimica sullo strato seme.

3. Foratura

I fori per vie e pad sono solitamente forati meccanicamente. Più substrati flessibili placcati possono essere forati simultaneamente combinandoli da più bobine, forando tra piastre di lavoro, poi srotolati per separarli su bobine dall'altro lato della macchina foratrice. Pannelli flessibili pre-tagliati possono essere combinati e forati tra lastre rigide nello stesso modo in cui vengono forati i nuclei rigidi, anche se ciò richiede una registrazione più accurata e la precisione dell'allineamento è ridotta. Per fori ultra-piccoli, è disponibile la foratura laser, anche se a un costo molto maggiore perché ogni film deve essere forato separatamente. Questo utilizzerebbe laser Excimer (ultravioletto) o YAG (infrarosso) per una maggiore precisione (microvie), laser CO2 per fori medi (4+ mils). I fori grandi e le sagomature vengono punzonati, ma questo è un passaggio del processo separato.

4. Placcatura dei Fori Passanti

Una volta realizzati i fori, il rame viene depositato e placcato chimicamente allo stesso modo dei nuclei di schede rigide.

5. Stampa di Resistenza all'Incisione

Una resistenza all'incisione fotosensibile viene rivestita sulle superfici del film, e il modello di maschera desiderato viene utilizzato per esporre e sviluppare la resistenza prima dell'incisione chimica del rame.

6. Incisione e Stripping

Dopo che il rame esposto è stato inciso, la resistenza all'incisione viene chimicamente rimossa dal circuito flessibile.

7. Copertura

Le aree superiore e inferiore del circuito flessibile sono protette da una copertura che viene tagliata a forma. Possono esserci componenti effettivamente montati su sezioni del circuito flessibile, nel qual caso la copertura agisce anche come maschera di stop per la saldatura. Il materiale di copertura più comune è un ulteriore film di poliimide con adesivo, sebbene siano disponibili processi senza adesivo. Nel processo senza adesivo, viene utilizzata una maschera di saldatura fotoimmaginabile (la stessa utilizzata sulle sezioni di schede rigide), stampando essenzialmente la copertura sul circuito flessibile. Per i disegni più grossolani ed economici, è anche un'opzione la serigrafia con indurimento finale tramite esposizione agli UV.

Figura 6: Un esempio di circuito flessibile con copertura - notare che le aperture nella copertura sono generalmente più piccole dei pad dei componenti.

Un'importante osservazione da fare riguardo al coverlay è che viene tipicamente posizionato solo sulle parti del circuito flessibile che alla fine saranno esposte. Per le schede rigido-flessibili, ciò significa che il coverlay non viene posizionato dove ci saranno le sezioni rigide, a parte un piccolo sovrapposizione - solitamente di circa ½ mm. Il coverlay può essere incluso in tutta la sezione rigida, anche se ciò influisce negativamente sull'adesione e sulla stabilità sull'asse z della scheda rigida. Questo tipo di coverlay selettivo è denominato "bikini coverlay" dai produttori di schede che utilizzano questo processo perché copre solo l'essenziale. Inoltre, i ritagli per i pad dei componenti o delle connessioni nel coverlay lasciano almeno due lati del pad di atterraggio per ancorarsi sotto di esso. Riprenderemo questo argomento nel prossimo blog.

8. Taglio del circuito flessibile

L'ultimo passo nella creazione del circuito flessibile è il taglio. Questo processo è spesso definito come "blanking". L'approccio più economico e adatto alla produzione di massa per il blanking è l'utilizzo di un set di punzoni e matrici idraulici, che comporta costi di attrezzatura piuttosto elevati. Tuttavia, questo metodo permette di forare contemporaneamente molti circuiti flessibili. Per prototipi e produzioni a basso volume, si utilizza un coltello da blanking. Il coltello da blanking è sostanzialmente una lama lunga e affilata, piegata nella forma del contorno del circuito flessibile e fissata in una scanalatura fresata in un pannello di supporto (MDF, compensato o plastica spessa come il teflon). I circuiti flessibili vengono poi premuti contro il coltello da blanking per essere tagliati. Per lotti prototipali ancora più piccoli, potrebbero essere utilizzati dei taglierini X/Y (simili a quelli usati nella realizzazione di insegne in vinile).

Laminazione e Routing

Se il circuito flessibile deve far parte di un impilamento combinato rigido/flessibile (che è ciò che ci interessa), il processo non si ferma qui. Ora abbiamo un circuito flessibile che deve essere laminato tra le sezioni rigide. Questo è lo stesso di una coppia di strati centrali forati, placcati ed incisi individualmente, solo molto più sottile e più flessibile a causa della mancanza di fibra di vetro. Come già notato, tuttavia, uno strato meno flessibile potrebbe essere realizzato con PI e vetro a seconda dell'applicazione target. Poiché questo viene laminato insieme a sezioni rigide, alla fine deve essere incorniciato in un pannello che si accoppia con le sezioni del pannello della scheda rigida.

Impilamenti Laminati

Il circuito flessibile viene laminato nel pannello insieme alle sezioni rigide e a qualsiasi altra sezione flessibile, con adesivo aggiuntivo, calore e pressione. Più sezioni flessibili non sono laminate adiacenti l'una all'altra. Questo generalmente significa che ogni sezione flessibile ha un numero massimo di strati di rame di 2, in modo che la flessibilità sia mantenuta. Queste sezioni flessibili sono separate da pre-preg rigidi e nuclei o fogli di legame PI con adesivi epossidici o acrilici.

Essenzialmente, ogni pannello rigido è separatamente fresato nelle aree dove si permetterà al flessibile di, beh, flettersi.

Ecco un esempio di processo di laminazione in una scheda rigido-flessibile, con due circuiti flessibili a 2 strati incorporati tra tre sezioni rigide. La stratificazione dei layer sarebbe quella mostrata nelle figure 3 e 4.

Figura 7: Come i pannelli flessibili incisi, placcati, con copertura e vuoti vengono combinati con i pannelli rigidi in vetro-epossidico.

Figura 8: Dettaglio della stratificazione dei layer mostrando i fori passanti placcati per ogni sezione flessibile, così come i fori passanti finali nella sezione rigida.

Nella stratificazione di esempio mostrata nella Figura 8, abbiamo due circuiti flessibili pre-incisi e tagliati, ciascuno a doppia faccia e con fori passanti placcati. Il circuito flessibile è stato ritagliato in un pannello di assemblaggio finale includendo bordi per l'incorniciatura - questo manterrà il circuito flessibile piatto durante l'assemblaggio finale dopo la laminazione con le sezioni del pannello rigido. Ci sono certamente alcuni potenziali pericoli con il supporto inadeguato dei gomiti del circuito flessibile e delle grandi sezioni aperte durante l'assemblaggio - specialmente nel calore di un forno di rifusione. Affronterò alcune di queste questioni quando esaminerò gli aspetti di progettazione nel mio prossimo post sul blog.

Il coverlay viene applicato anche - come adesivi laminati con colla, o tramite un processo di stampa fotografica come menzionato in precedenza. Una volta che i pannelli flessibili e rigidi finali in questo impilamento a 6 strati sono messi insieme, vengono laminati con gli strati esterni finali di lamina di rame (superiore e inferiore). Poi si procede con un'altra perforazione per i fori passanti placcati da cima a fondo. Opzionalmente, potrebbero essere realizzati anche dei microfori ciechi (dalla parte superiore al primo flessibile, dal fondo all'ultimo flessibile) tramite laser, aggiungendo nuovamente costi al design.

I passaggi finali sono la stampa della maschera di stop-saldatura superiore e inferiore, serigrafia superiore e inferiore e placcatura conservante (come ENIG) o livellamento ad aria calda (HASL).

Multipli Sub-Stack Flessibili

Sebbene sia possibile costruire quasi qualsiasi impilamento con sezioni rigide e flessibili, i costi possono diventare ridicolmente elevati se non si presta attenzione ai passaggi di produzione e alle proprietà dei materiali coinvolti. Un aspetto importante dei circuiti flessibili da ricordare è lo stress all'interno dei materiali che si verifica quando il circuito si piega. Ancora una volta, si sa che il rame si indurisce con il lavoro e, infine, si verificheranno fratture da fatica con cicli di flessione ripetuti e raggi stretti. Un modo per mitigare ciò è utilizzare solo circuiti flessibili a singolo strato, in cui caso il rame si trova al centro del raggio di piegatura mediano e quindi il substrato di film e il coprilayer sono nella massima compressione e tensione, come mostrato nella Figura 9.

Poiché il poliimide è molto elastico, questo non rappresenta un problema e durerà molto più a lungo sotto movimento ripetuto rispetto a più strati di rame. Allo stesso modo, spesso è necessario avere più circuiti flessibili separati, ma è meglio evitare di avere piegature in sezioni sovrapposte dove la lunghezza delle sezioni flessibili limita il raggio di piegatura.

• Scopri di più sui PCB flessibili statici e dinamici

Figura 9: Per circuiti con piegature altamente ripetitive, è meglio utilizzare rame RA in flessibili a singolo strato per aumentare la vita a fatica (in cicli prima del fallimento) del rame nel circuito.

Perline Adesive

Come ho menzionato la scorsa settimana, ci sono momenti in cui è necessario considerare l'uso di rinforzi dove il circuito flessibile esce dalla scheda rigida. Aggiungere una perla di epossidica, acrilico o adesivo termofusibile aiuterà a migliorare la longevità dell'assemblaggio. Ma la distribuzione di questi liquidi e il loro indurimento possono aggiungere passaggi laboriosi al processo di produzione.

La distribuzione automatica del fluido può essere utilizzata, ma è necessario essere molto attenti a collaborare con gli ingegneri di assemblaggio per assicurarsi di non finire con grumi di colla che gocciolano sotto l'assemblaggio. In alcuni casi, la colla deve essere applicata a mano, il che aggiunge tempo e costo. In entrambi i casi, è necessario fornire una documentazione chiara per il personale di fabbricazione e assemblaggio.

Rinforzi & Terminazioni

Gli estremi dei circuiti flessibili tipicamente terminano con un connettore se non con l'assemblaggio principale della scheda rigida. In questi casi, la terminazione può avere un rinforzo applicato (più spesso PoliImide con adesivo) o FR-4. Generalmente, quindi, è conveniente lasciare anche le estremità del flessibile incorporate nelle sezioni rigido-flessibili.

• Scopri di più sulle terminazioni dei PCB flessibili

Il Pannello

Il circuito rigido flessibile rimane unito nel suo pannello per il processo di assemblaggio, così i componenti possono essere posizionati e saldati sulle terminazioni rigide. Alcuni prodotti richiedono che i componenti siano montati anche sul flessibile in alcune aree, in questo caso il pannello deve essere assemblato con aree rigide aggiuntive per supportare il flessibile durante l'assemblaggio. Queste aree non sono aderite al flessibile e vengono fresate con una fresa a profondità controllata (con "morsi di topo") e infine staccate a mano dopo l'assemblaggio.

Figura 10: Esempio di pannello finale Rigid-Flex. Notare che questo ha bordi anteriori e posteriori della scheda, e circuito flessibile, fresati. I lati rigidi sono incisi con una V per essere spezzati successivamente. Questo risparmierà tempo nell'assemblaggio nell'involucro.

Quando sei pronto per progettare e costruire il tuo prossimo circuito su scheda rigido-flessibile, utilizza il set completo di funzionalità CAD Altium Designer®. Una volta che sei pronto per rilasciare i tuoi dati di progettazione al tuo produttore, puoi facilmente condividere e collaborare sui tuoi progetti attraverso la piattaforma Altium 365™. Tutto ciò di cui hai bisogno per progettare e produrre elettronica avanzata si trova in un unico pacchetto software.

Abbiamo appena iniziato a scoprire cosa è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia oggi la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365.