Linee guida per la progettazione di circuiti flessibili di successo
Con l'uso di sensori e tecnologia in tutto, dai telefoni cellulari ai frigoriferi, dalle automobili ai dispositivi medici indossabili, i circuiti stampati sono un componente in molti tipi diversi di prodotti. Nel mondo dell'elettronica di oggi, qualsiasi prodotto con un interruttore di accensione/spegnimento contiene un circuito stampato. Grazie alla loro versatilità, l'uso di circuiti flessibili è uno dei segmenti di mercato dei prodotti in più rapida crescita.
Con l'introduzione dei circuiti flex e rigid-flex, gli ingegneri hanno avuto l'opportunità di essere più creativi nella progettazione di prodotti nuovi e innovativi. Le schede Flex e rigid-flex sono costruite per adattarsi a spazi tridimensionali ristretti, garantendo al contempo resistenza all'usura meccanica e alle vibrazioni. Gli ingegneri possono progettare prodotti che richiedono che le schede si inseriscano in spazi ristretti, si attorciglino e girano per l'imballaggio e facciano vivere il prodotto in un ambiente più dinamico. Questi circuiti flessibili hanno gli stessi livelli di prestazioni delle tradizionali schede FR4 rigide, tuttavia hanno le loro sfumature e considerazioni quando si tratta di progettazione, fabbricazione e assemblaggio.
Progettazione/Layout
Quando si progetta un circuito flessibile, è importante conoscere l'applicazione specifica per la scheda. Sarà utilizzato in un ambiente statico o dinamico? Se la scheda deve risiedere in un ambiente statico, con poco o nessun movimento, il progetto del circuito deve avere la giusta quantità di flessibilità in modo da poter essere facilmente installato all'interno del prodotto. In alternativa, se la tavola deve esistere in un ambiente dinamico, in cui la tavola si flette continuamente avanti e indietro, nella progettazione deve essere considerato un livello di flessibilità in grado di resistere a movimenti continui.
L'applicazione richiederà una tavola flessibile o una tavola rigida-flessibile? Se il prodotto richiede una tecnologia a montaggio superficiale unilaterale, una scheda completamente flessibile è l'opzione migliore. Se il prodotto richiede la tecnologia a montaggio superficiale su due lati, è necessaria una scheda rigida flessibile.
Che si tratti di un ingegnere hardware, ingegnere meccanico o un progettista esperto di schede di layout, tutti sono un po' preoccupati la prima volta che progettano un circuito flessibile. La loro ipotesi è che l'approccio alla progettazione di un circuito flessibile sia molto diverso da una scheda rigida. Ma il fatto è che la disposizione di un circuito flessibile è molto simile a una scheda rigida con poche differenze. Imposti tutti i tuoi livelli nel software proprio come una scheda rigida. I file di output sono tutti uguali. Le uniche vere differenze sono lo strato di copertura, lo strato di rinforzo e alcune regole di progettazione di base da tenere a mente. Comprendere che un circuito flessibile si fletterà in natura significa che devi assicurarti di mantenere le caratteristiche chiave come via, tracce di terminazione e angoli acuti lontano dalle regioni di piegatura. Il circuito flessibile è realizzato in materiale poliimmide, quindi è più difficile da elaborare, quindi mantieni le tracce, i via, gli anelli anulari, i pad e la spaziatura il più grande possibile. Spesso mi viene chiesto quanto sia piccola una traccia o via che può essere utilizzata. Puoi andare piccolo quanto vuoi, ma sarà più difficile da produrre e l'affidabilità entra in gioco. Puoi cavartela con caratteristiche molto più strette su una scheda rigida rispetto a un circuito flessibile. Tipicamente su una scheda rigida, la maschera di saldatura viene applicata sugli strati esterni per proteggere le caratteristiche del rame. Su una scheda flessibile, le caratteristiche esterne in rame sono generalmente protette da uno strato di copertura. Nel file di progettazione, il progettista del layout deve creare questo livello di copertura come un livello di maschera di saldatura. L'ultima differenza con un design flessibile è il rinforzo. Gli irrigidimenti vengono utilizzati per aggiungere supporto a determinate regioni di un circuito stampato flessibile. Gli irrigidimenti possono trovarsi in più regioni di un circuito flessibile e possono trovarsi su entrambi i lati della scheda. Nel file di progettazione, se tutti gli irrigidimenti sono rappresentati in un file, è necessario identificare nel disegno di fabbricazione quale lato della tavola devono essere applicati. In caso contrario, è necessario creare uno strato separato per gli irrigidimenti superiore e inferiore del circuito flessibile.
Quando è necessario un supporto aggiuntivo per un'area specifica sulla scheda a circuito flessibile o è necessaria la protezione per componenti o connettori collegati, l'opzione migliore consiste nell'includere un rinforzo nel progetto. Ciò eliminerà il movimento del circuito e proteggerà l'integrità dei giunti di saldatura. È importante ricordare che l'irrigidimento è posizionato al meglio sul lato opposto del componente che sta supportando. Ci sono numerosi tipi di rinforzi tra cui scegliere; poliimmide, FR4, acciaio inossidabile, alluminio o molte altre opzioni. Lo spessore dell'irrigidimento dipende da come verrà utilizzata la tavola. Più spesso è l'irrigidimento, maggiore è il supporto che fornisce. Se la tavola viene utilizzata in spazi piccoli/stretti, lo spessore dell'irrigidimento potrebbe essere un problema che richiede un rinforzo più sottile. VEDI L'IMMAGINE DEL RINFORZO.
Ora che il progettista ha completato il suo primo circuito flex, ha il compito di tracciare il suo primo rigid-flex. Il livello di confusione e apprensione è appena salito di cinque volte. Gli ingegneri spesso pensano che la parte flessibile della tavola sia incollata o in qualche modo attaccata alla sezione rigida della tavola. VEDERE L'IMMAGINE RIGIDO-FLEX. Rigid-flex è costruito proprio come tutte le tavole rigide e flessibili con il metodo degli strati sovrapposti. Quando si tratta di progettare rigid-flex, l'approccio è lo stesso degli altri circuiti stampati. La differenza principale è che alcune regioni degli strati rigidi saranno vuote nel file di progettazione. Il produttore della scheda lo riconoscerà come una regione flessibile e pianificherà la scheda di conseguenza.
A differenza di una scheda rigida, il circuito flessibile ha molte variazioni, quindi avere un disegno di fabbricazione dettagliato per accompagnare il progetto è molto importante. Il disegno di fabbricazione dovrebbe richiamare tutti i dettagli in modo che non venga trascurato dal produttore. La cosa peggiore è che il produttore abbia assunto ciò di cui hai bisogno. I circuiti flessibili hanno molte variabili mobili, quindi i dettagli sono molto importanti.
Materiali
Il circuito flessibile è generalmente costruito con materiale in poliimmide. La maggior parte dei produttori negli Stati Uniti utilizzerà la poliimmide prodotta da Dupont. I produttori al di fuori degli Stati Uniti potrebbero utilizzare altri fornitori di materiale a causa dei costi e della disponibilità. Tuttavia, poiché il circuito flessibile è unico, è una buona idea utilizzare lo stesso materiale nel prototipo che verrà eventualmente utilizzato nella produzione in serie. Durante il test, stai cercando di vedere quanti cicli può sopportare il circuito flessibile. Di seguito è riportata una regola generale sul raggio di curvatura di un circuito flessibile. Reperto A.
La regola del raggio di curvatura è solo una linea guida generale. Il modo assoluto per determinare quanto un circuito flessibile può piegarsi o quanti cicli resisterà è sottoporlo a stress test.
Un paio di fattori influenzeranno quanto può flettersi un circuito flessibile. La scelta del materiale è molto importante. Sebbene lo spessore della scheda determinerà la flessibilità, il materiale aiuterà la qualità e il ciclo di vita del circuito flessibile. Il tipo di rame utilizzato su un circuito flessibile è molto critico. Esistono due tipi di rame disponibili sul mercato, rame ED (rame depositato) e rame ricotto a rullo. Se possibile, il rame ED dovrebbe essere evitato perché è un processo placcato e il rame sarà molto fragile. Si preferisce il rame ricotto a rullo. Il rame viene arrotolato sul materiale flessibile, quindi è molto malleabile. Detto questo, è anche importante richiamare la direzione della grana sul disegno di fabbricazione. Vuoi che la grana vada nella stessa direzione della tua direzione di piega. Le aree in rame solido come i piani di massa dovrebbero essere tratteggiate quando possibile. Ciò contribuirà a rendere il circuito flessibile più flessibile.
Fabbricazione
Ora che il design è completato, costruiamo la scheda flessibile il più velocemente possibile. Come tutti i progetti di ingegneria, questa scheda flessibile è in ritardo, quindi ne abbiamo bisogno entro domani. Dopotutto, le schede rigide possono essere costruite in uno o due giorni, quindi perché non i circuiti flessibili. Fermare! Non così veloce amico mio.
Quando la fabbricazione di un circuito flessibile richiede tempi di consegna più lunghi. Le schede flessibili sono più difficili da produrre rispetto alle tradizionali schede a circuito rigido, pertanto richiedono più tempo di produzione. Circuiti flessibili costruiti con materiale poliimmide. Il materiale è sottile, fragile e difficile da maneggiare. La perforazione delle vie è diversa. La chimica per placcare le vie è diversa. Potrebbe esserci molto lavoro manuale coinvolto con gli irrigidimenti e la copertura. Tutte queste differenze limitano la maggior parte dei produttori a costruire circuiti flessibili più velocemente di tre giorni lavorativi. Qui stiamo solo parlando di circuiti flessibili a 2 strati. Se il circuito flessibile ha un numero di strati maggiore, il tempo di svolta può aumentare fino a due o tre settimane per la produzione.
Ora entriamo nella produzione di circuiti rigidi-flessibili. Il circuito rigido-flessibile è davvero un animale completamente diverso. La pianificazione anticipata e il camming di un Rigid-flex possono facilmente richiedere 2-3 giorni prima che la scheda possa essere effettivamente rilasciata al piano di produzione. Questo lavoro di ingegneria iniziale è molto critico perché rigid-flex richiede molti passaggi diversi e ogni passaggio è fondamentale per la produzione di successo del rigid-flex. Una delle cose più importanti da notare è che il rigid-flex è disponibile in molti diversi stack-up. È raro vedere più lavori rigidi flessibili su un piano di produzione con uno stack-up simile. Con una tavola rigida, tutte e 6 le tavole a strati vengono lavorate allo stesso modo. Con rigid-flex, puoi avere 5 lavori con 6 strati sul piano di produzione e tutti possono essere elaborati in modo diverso.
Esempio-
Tavola n. 1 -- Tavola a 6 strati: ha 4 strati rigidi con 2 strati flessibili.
Tavola n. 2 – Tavola a 6 strati: ha 3 strati rigidi con 3 strati flessibili.
Tavola n. 3 —Scheda a 6 strati—4 strati rigidi con 2 strati flessibili ma i 2 strati flessibili sono su strati diversi.
L'altra difficoltà della produzione di circuiti rigidi-flessibili è la combinazione di lavorare con due diversi tipi di materiale. Rigid-flex combina materiale rigido con materiale per circuiti flessibili. Hanno due proprietà diverse, quindi è difficile lavorarci. Questo è il motivo per cui non si vedono troppi produttori di circuiti stampati costruire circuiti rigidi e flessibili nella stessa struttura. Ogni produttore di circuiti stampati si attiene rispettivamente a ciò che costruisce meglio. Il guasto più comune con il circuito rigido-flessibile è attribuibile al processo di placcatura. Se la placcatura delle vie non viene eseguita correttamente, si verificheranno vuoti, screpolature e delaminazione. I due diversi materiali hanno un tasso di espansione dell'asse Z diverso, quindi una placcatura impropria esporrà facilmente la cattiva qualità.
A causa della complessità di un circuito flessibile, del costo del materiale, del tempo di elaborazione, della chimica, della perforazione e della manipolazione, il costo per fabbricare una scheda flessibile è superiore a quello di una scheda a circuito rigido tradizionale. Gli acquirenti a volte sono scioccati dal prezzo diverso tra i circuiti rigidi e flessibili. Si spera che ora capiscano perché c'è una differenza di prezzo e perché i circuiti flessibili non possono essere costruiti velocemente come i tradizionali circuiti rigidi.
Man mano che i prodotti elettronici diventano più piccoli, il circuito flessibile diventerà più popolare e comune nell'industria elettronica. Sebbene il costo sia maggiore, ci sono molte applicazioni utili per i circuiti flessibili. I circuiti flessibili possono essere ripiegati e angusti in uno spazio ristretto. I circuiti flessibili possono muoversi avanti e indietro in un ambiente dinamico. L'industria elettronica non deve più essere così rigida. Il circuito flessibile può aiutare i progettisti ad espandere la loro immaginazione e sviluppare prodotti elettronici più interessanti e avanzati.
Articolo di Tuan Tran, Direttore di hitechcircuits
