PCB flessibili: tipoes, progettazione e applicazioni

I circuiti stampati flessibili si piegano per adattarsi a spazi curvi e ristretti. Utilizzano sottili strati di rame su una pellicola flessibile che consente agli ingegneri di costruire dispositivi più piccoli. Si trovano all'interno di fotocamere, smartphone e strumenti medici. La piegatura e la piegatura offrono nuove opzioni di layout e consentono di trasportare segnali con elevata affidabilità.

I PCB flessibili contribuiscono a ridurre lo spazio e il peso dei dispositivi. I designer possono creare dispositivi dall'aspetto sottile e leggero, mentre i dispositivi indossabili acquisiscono comfort e resistenza. I maker possono ridurre le fasi di assemblaggio, risparmiando così tempo sulle linee di produzione. Le schede flessibili resistono anche al movimento e alle sollecitazioni dell'uso quotidiano. Un'ampia varietà di gadget, tra cui auto elettriche, droni e case intelligenti, utilizza questa tecnologia. Questa crescita dà forma a molti nuovi strumenti per voi.

Continuate a leggere per scoprire i principali tipi di PCB flessibili, la loro struttura e i loro pro e contro. Li confronteremo anche con i PCB rigidi più diffusi e vi spiegheremo perché dovreste prendere in considerazione i PCB flessibili. 

Cos'è un PCB flessibile?

Un circuito stampato flessibile (PCB) è una scheda elettronica sottile costruita su una pellicola flessibile. Contiene tracce di rame che trasportano alimentazione e segnali lungo tutta la scheda. La pellicola di base può attorcigliarsi o avvolgersi attorno ai componenti. È anche possibile modellarla per adattarla a spazi stretti o curvi. Questa libertà la rende ideale quando una scheda piatta non è sufficiente.

I PCB rigidi poggiano su un substrato rigido e piatto che resiste alla flessione e mantiene la forma sotto sforzo. I PCB flessibili, invece, si piegano e si flettono con il movimento o con accoppiamenti stretti. È possibile ripiegarli all'interno di dispositivi compatti, risparmiando così connettori e cavi. Inoltre, riducono il peso e le fasi di assemblaggio. Questa modifica progettuale apre la strada a molti nuovi layout.

I pannelli flessibili utilizzano film come poliimmide o poliestere come substrati. Un foglio di rame si lega a tale film con un adesivo speciale e un film di copertura protegge le tracce mantenendo la flessibilità. È possibile che vengano aggiunti rinforzi per trattenere i componenti e che vengano utilizzate anche pellicole di copertura per isolamento e resistenza. Il numero e lo spessore degli strati variano a seconda dell'utilizzo per bilanciare flessibilità e durata.

I PCB flessibili si trovano in fotocamere, telefoni, dispositivi indossabili e sensori. Sono adatti per scanner medici, occhiali intelligenti e droni. Le case automobilistiche li utilizzano in cruscotti e sensori, mentre veicoli spaziali e satelliti fanno affidamento sulla loro leggerezza e flessibilità. Le schede flessibili sono inoltre essenziali nei robot in movimento.

Tipi di circuiti stampati flessibili

Esistono molti tipi di PCB flessibili, utilizzati per diversi componenti e dispositivi elettrici. Eccone alcuni più da vicino.

PCB flessibile su un solo lato

Un PCB flessibile monofacciale prevede la presenza di tracce di rame su un lato di un film sottile. Il film di poliimmide funge da vettore di segnale quando si piega attraverso spazi ristretti. Un coverlay protegge le tracce e le marcature che fungono da punti di piegatura. Questo layout consente di ottenere una scheda sottile a costi accessibili per circuiti elettronici di base.

Gli ingegneri solitamente utilizzano schede flessibili monofacciali per nastri di sensori e strisce LED, nonché per i collegamenti di segnale di base. La scheda subirà un movimento di flessione durante la produzione o rimarrà piatta. Un singolo taglio nei cablaggi e nei cavi riduce sia lo spazio richiesto che il peso del sistema. Il singolo strato di rame consente inoltre alle aziende di produzione di mantenere bassi i costi di produzione, semplificando al contempo i processi produttivi per piccole serie.

Il design Non è possibile supportare cablaggi complessi senza ponticelli aggiuntivi. L'intero percorso della traccia è frutto di una pianificazione meticolosa, che elimina qualsiasi possibilità di incroci. Connessioni aggiuntive richiedono ponticelli o cavi esterni. L'aggiunta di rinforzi aumenta lo spessore della scheda, poiché fungono da connettori o elementi di montaggio.

PCB flessibile a doppia faccia

Un PCB flessibile a doppia faccia presenta rame su entrambi i lati del suo film. Fori passanti e microvia collegano i vari strati della scheda. Le capacità di routing aggiuntive aumentano all'interno della stessa area dimensionale. Ogni lato del PCB flessibile presenta coverlay protettivi che rinforzano anche le aree soggette a piegatura. La scheda mantiene il suo profilo sottile anche con livelli di complessità e densità di segnale medi.

I PCB flessibili bifacciali sono utilizzati all'interno di scanner per codici a barre e cavi per telecamere, nonché nelle retroilluminazioni a LED. Lo strato aggiuntivo consente prestazioni migliori separando l'alimentazione dalle linee dati. I processi di fabbricazione che includono operazioni di foratura e placcatura comportano costi di produzione superiori a quelli della costruzione monofacciale. La flessibilità nel posizionamento dei componenti e nell'instradamento delle reti critiche offre vantaggi ai progettisti.

Il processo di fresatura nelle zone di piegatura richiede una pianificazione accurata per evitare la formazione di crepe nei fori di via. Il processo di fabbricazione richiede il posizionamento dei fori di via in aree che evitino sezioni curve, utilizzando al contempo aperture rinforzate nel coverlay. Le regole del produttore determinano le dimensioni delle tracce per garantire l'affidabilità durante le operazioni di piegatura. Le regole stabilite consentono di ottenere un'elevata densità mantenendo al contempo l'affidabilità a lungo termine nei sistemi indossabili e pieghevoli.

PCB flessibile multistrato

Il PCB flessibile multistrato combina tre o più strati di rame all'interno di film flessibili. Gli strati interni di rame incorporano piani di potenza e piani di massa che servono a ridurre il rumore. La connessione degli strati avviene tramite microvia cieche o interrate per ridurre al minimo lo spazio richiesto. Uno strato di coverlay si lega attraverso lo stack, proteggendo tutti gli strati di rame dall'usura dovuta alla flessione.

I progetti di circuiti ad alta velocità, insieme ai moduli RF e alle connessioni per fotocamere compatte, traggono vantaggio da questo specifico tipo di PCB flessibile. Un package sottile e flessibile contiene strati per l'alimentazione e la messa a terra durante la trasmissione dei segnali. Una migliore integrità del segnale e un migliore controllo delle interferenze elettromagnetiche (EMI) si ottengono attraverso compromessi progettuali che comportano un aumento dei costi. Il processo di fabbricazione richiede un allineamento preciso, pressioni di laminazione specifiche e un trattamento termico controllato per ogni strato adesivo.

La determinazione tempestiva del numero di strati si rivela fondamentale, poiché strati aggiuntivi creano sia spessore che processi di incisione aggiuntivi. Le reti critiche devono essere mappate sugli strati interni per garantire la protezione durante il movimento. Il numero di strati nella pila determina i limiti del raggio di curvatura, che i progettisti devono considerare quando adattano i loro requisiti di progettazione a questi vincoli. L'equilibrio tra affidabilità e flessibilità può essere mantenuto in tutta la scheda.

PCB flessibile

Qualsiasi circuito elettronico che utilizzi un film di substrato flessibile per la sua progettazione si qualifica come PCB flessibile. Un progetto di PCB flessibile include configurazioni di base a singolo strato insieme a complesse tipologie costruttive multistrato. La selezione dei materiali e dello spessore del rame dipende dal numero previsto di flessioni. Le schede flessibili statiche subiscono una singola flessione, mentre le schede flessibili dinamiche devono gestire movimenti di flessione continui.

Le schede flessibili statiche servono specificamente a supportare le pieghe di assemblaggio di fotocamere e telefoni. Il processo richiede di piegarle e poi mantenerle nella nuova posizione. Giunti mobili e display pieghevoli richiedono schede flessibili dinamiche per funzionare al loro interno. È necessario implementare design specifici per la riduzione delle sollecitazioni del rame e linee di piegatura neutre. Il design della scheda resisterà a migliaia di cicli di piegatura senza subire danni.

La selezione di PCB flessibili consente di trovare un equilibrio tra requisiti di movimento e costi di produzione. Il costo delle pieghe monouso rimane inferiore a quello delle costruzioni dinamiche durante la progettazione e la produzione. La scelta dello stile di film e coverlay più appropriato e della forma della traccia dipende dal profilo di movimento e dai requisiti di budget, e si collabora con il produttore per effettuare queste scelte.

Flessibile con rinforzi

I pad rigidi fissati ai PCB flessibili fungono da rinforzi che supportano componenti pesanti e connettori. I materiali di rinforzo sono costituiti da FR4, poliimmide e sottili fogli di metallo. I giunti vengono utilizzati per fissare i rinforzi nei punti che richiedono un montaggio piatto o una maggiore resistenza. Una combinazione di zone flessibili e rigide nel design del film consente il fissaggio dei connettori senza danneggiare il materiale del film.

Il processo di progettazione richiede ai progettisti di installare rinforzi sotto i bordi della scheda, posizionandoli anche sotto le piazzole di connessione e i punti di prova. La scheda viene tagliata nella forma desiderata mantenendo piccole aperture per garantire la possibilità di piegatura nelle vicinanze. Gli strati adesivi garantiscono un fissaggio sicuro dei rinforzi, prevenendo al contempo la formazione di delaminazioni o irregolarità. Le transizioni tra i rinforzi sono coperte con coverlay per ottenere una piegatura uniforme.

L'introduzione di rinforzi influisce sullo spessore della scheda in aree specifiche, pertanto è necessario verificare l'accessibilità degli strumenti di assemblaggio. È necessario modificare sia gli stencil per la pasta saldante che le impostazioni delle attrezzature pick-and-place. Il processo di configurazione aggiuntivo garantisce che i componenti mantengano il corretto allineamento e che i giunti di saldatura mantengano la loro resistenza nonostante i movimenti del film flessibile circostante.

PCB rigido-flessibile

Un PCB rigido-flessibile combina sezioni rigide e sezioni flessibili in un unico componente. Il processo di fabbricazione prevede il posizionamento di film flessibili tra gli strati rigidi prima di unire tutti gli strati. Il design ibrido elimina la necessità di cavi poiché le isole rigide utilizzano ponti flessibili per collegarsi tra loro. La scheda mantiene la sua resistenza in aree specifiche, ma sviluppa flessibilità in altre sezioni.

I PCB rigido-flessibili trovano applicazione in applicazioni aerospaziali, impianti medicali e attrezzature militari. Queste schede funzionano efficacemente in ambienti impegnativi che richiedono diversi livelli di rigidità. La scheda contiene parti rigide che supportano componenti pesanti e sezioni flessibili che creano strutture simili a cavi o consentono la piegatura. La fabbricazione richiede un'esatta saldatura degli strati, una laminazione controllata e un allineamento preciso delle aree in rame.

Il processo di progettazione di componenti rigido-flessibili inizia con la definizione degli accoppiamenti meccanici e dei profili di piegatura fin dall'inizio. Il progetto determina le regioni piatte e le aree che devono essere piegate. Il vostro strumento CAD deve supportare la progettazione di elementi di impilamento sia rigidi che flessibili. Un'attenta pianificazione si traduce in un unico assemblaggio che riduce i requisiti di peso e spazio e semplifica le fasi di assemblaggio.

Struttura dei PCB flessibili

La costruzione di una scheda flessibile assomiglia a una sottile struttura a sandwich con proprietà di piegatura. Il componente principale di questo sistema è un materiale di substrato flessibile. Le pellicole fungono da base su cui si fissa la lamina di rame per creare i circuiti necessari.

Gli strati adesivi fungono da materiali leganti per mantenere i componenti del circuito in posizione durante le operazioni di piegatura. Le tracce di rame sono protette da usura e umidità grazie all'applicazione di uno strato di copertura superiore.

Quanto si può piegare un PCB?

Il raggio di curvatura determina la curvatura massima dei pannelli flessibili. La misura standard per la flessibilità di curvatura è pari a dieci volte lo spessore del pannello. Un raggio di 1 mm è il requisito minimo per piegare un pannello di 0.1 mm di spessore senza danneggiarlo. Una singola curvatura funziona con uno spessore cinque volte superiore, ma potrebbe causare fratture del pannello.

La scelta dei materiali influisce sulla flessibilità. Il poliimmide mantiene le sue proprietà di resistenza al calore e supporta numerosi cicli di flessibilità. Il poliestere è ideale per la progettazione di curve statiche. Anche lo spessore del rame è importante. La resistenza alla flessione del rame sottile aumenta, mentre la sollecitazione richiesta diminuisce.

Ruolo dell'irrigidimento nella progettazione di PCB flessibili

I rinforzi servono a mantenere la planarità e la stabilità delle piazzole dei componenti. I rinforzi trovano la loro posizione sotto i connettori, i circuiti integrati e i punti di prova. I giunti di saldatura tendono a rompersi quando i rinforzi sono assenti durante la flessione. È consigliabile utilizzare un adesivo resistente al calore per unire i rinforzi. Il componente rimane fissato in posizione, mentre il movimento della scheda rimane bloccato.

I materiali di rinforzo più frequentemente utilizzati sono FR4, poliimmide e alluminio. FR4 offre una base rigida ed economica. I rinforzi in poliimmide si adattano alla flessibilità del substrato. L'alluminio è un materiale robusto per i connettori che necessitano di un supporto strutturale aggiuntivo. I rinforzi devono essere sagomati prima della piegatura, mantenendo al contempo i bordi di rivestimento per il processo. Il posizionamento dei rinforzi avviene sotto i componenti o lungo i bordi della scheda per indirizzare i processi di assemblaggio.

L'aggiunta di rinforzi influisce sullo spessore di specifiche aree del pannello. Prima dell'assemblaggio, è necessario tenere conto sia dei requisiti di altezza che delle tolleranze di montaggio. Le sollecitazioni ambientali vengono protette applicando nastro adesivo o coverlay ai bordi dei rinforzi. Il posizionamento dei bordi dei rinforzi sotto il nastro adesivo o il coverlay garantisce sia la qualità della fresatura sia la protezione della pellicola dal distacco in corrispondenza delle giunzioni tra rinforzi e sezioni flessibili.

Suggerimenti per la progettazione di circuiti stampati flessibili

Pianificare la larghezza e la spaziatura delle tracce all'inizio del layout. Le tracce più larghe trasportano più corrente ma aumentano la rigidità. Le tracce più strette consentono di piegare di più ma limitano la corrente. Utilizzare una spaziatura uniforme per evitare cortocircuiti sotto flessione. Mantenere i valori minimi entro le capacità del costruttore.

Traccia le aree di piegatura e tieni lontane le reti sensibili. Posiziona le linee di piegatura dove la tavola si curva leggermente. Evita di posizionare fori di via nelle zone di piegatura. Aggiungi motivi in rilievo, come forme a osso di cane, alle estremità delle tracce. Questo distribuisce lo stress e previene le crepe quando la tavola si flette.

Posizionare i componenti al di fuori delle zone di piegatura, quando possibile. Utilizzare componenti a montaggio superficiale con profili bassi. Se è necessario posizionare i componenti in una zona di piegatura, utilizzare connettori flessibili o prese a forza di inserimento zero. Instradare le reti ad alta velocità o ad alta precisione su sezioni stabili per ridurre la distorsione del segnale dovuta al movimento di flessione.

Scegli strumenti CAD che gestiscano l'accumulo di flessibilità e la simulazione di piegatura. Molti strumenti per PCB consentono di disegnare linee di piegatura neutre e visualizzare le sollecitazioni del rame. Definisci la stratificazione con substrato, adesivo, rame e coverlay. Esporta i dati di piegatura in CAD meccanico per la progettazione di contenitori. Questo flusso di lavoro garantisce la risoluzione tempestiva di problemi di adattamento o collisione.

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Vantaggi dei PCB flessibili

I PCB flessibili offrono numerosi vantaggi che consentono di progettare layout compatti con pochi componenti. Ecco i principali vantaggi.

· XNUMX€  Risparmia spazio ripiegando la tavola in punti stretti.

· XNUMX€  Riducono il peso del dispositivo utilizzando pellicole sottili.

· XNUMX€  Rimuovi cavi e connettori superflui dal tuo progetto.

· XNUMX€  Riducono le fasi di assemblaggio e velocizzano la produzione.

· XNUMX€  Durano più a lungo nelle parti mobili con assi che si piegano.

· XNUMX€  Riduci i costi di spedizione grazie al prodotto finale più leggero.

Difetti dei PCB flessibili

Sebbene i PCB flessibili offrano numerosi vantaggi, presentano anche alcuni svantaggi. Eccone alcuni.

· XNUMX€  Potrebbero essere previsti costi aggiuntivi per i materiali e per le lavorazioni speciali.

· XNUMX€  Richiedono una gestione attenta e attrezzature di assemblaggio personalizzate.

· XNUMX€  Limitano il carico esercitato sulle aree curve.

· XNUMX€  Per i connettori o le parti pesanti è necessario aggiungere rinforzi.

· XNUMX€  Richiedono test e ispezioni per individuare tempestivamente i danni da flessione.

PCB flessibile vs. PCB rigido-flessibile

I metodi di produzione dei PCB flessibili e rigido-flessibili differiscono, sebbene soddisfino gli stessi requisiti funzionali. La tabella seguente illustra le principali differenze tra PCB flessibili e rigido-flessibili.

Servizi di fabbricazione di prototipi di PCB flessibili di PCBasic

Il servizio di fabbricazione rapida di prototipi di PCB flessibili di PCBasic gestisce qualsiasi livello di complessità. Potete inviare i vostri file Gerber e le specifiche di stack-up tramite la nostra piattaforma online. La revisione del progetto da parte dei nostri ingegneri fornisce consulenza sul raggio di curvatura e sulle caratteristiche della larghezza delle tracce, oltre alle dimensioni del passaggio del coverlay. La comunicazione tra voi e il produttore avviene tramite e-mail e chat in tempo reale.

PCBasic utilizza macchinari di taglio laser di precisione per fresare il vostro prototipo prima di applicare la lamina di rame ai film di poliimmide tramite processi di plottaggio. Seguiamo le vostre esigenze per l'incollaggio di materiali di copertura e rinforzi. Il reparto di assemblaggio interno alla nostra azienda esegue le operazioni di saldatura dei componenti e al contempo esegue test funzionali tramite procedure a ciclo flessibile. Il report include foto, registri di test e documentazione completa.

Conclusione

La tecnologia PCB flessibile consente di progettare prodotti innovativi riducendo al minimo l'ingombro, riducendo i requisiti di peso e semplificando le procedure di assemblaggio. La gamma include schede monofaccia, multistrato e rigido-flessibili, a seconda dei requisiti di progetto. L'affidabilità in movimento è garantita da un'attenta pianificazione dei materiali, delle tracce e delle curve.

Grazie alla competenza e al rapido processo di creazione e produzione di prototipi che produttori come PCBasic offrono ai loro clienti, l'utilizzo del tipo di scheda flessibile più adatto consente di sviluppare dispositivi dinamici sottili in modo efficiente e sicuro.