Applicazioni dei PCB rigido flessibili

Introduzione

I circuiti stampati rigido flessibili (noti anche con il termine rigid flex) sono ottenuti laminando un substrato di circuito flessibile con un substrato di circuito rigido. I PCB così ottenuti sono composti da più strati interni di circuiti flessibili, uniti da una pellicola adesiva epossidica prepreg. Il principale vantaggio di questa tecnologia è quello di combinare le caratteristiche dei PCB flessibili con quelle dei PCB rigidi. Ulteriori benefici offerti dai PCB rigido flessibili includono elevata stabilità, facilità di assemblaggio, migliore trasmissione del segnale e ridotte dimensioni del circuito. I circuiti stampati rigido flessibili (un esempio è visibile in Figura 1) sono utilizzati con successo in numerosi settori dell’elettronica, con applicazioni che spaziano dall’elettronica di consumo ai dispositivi ad elevato contenuto tecnologico, come i dispositivi elettromedicali e gli smart devices.

PCB rigid flex
Figura 1: esempio di PCB rigid flex

Struttura di un rigid flex

Il processo di fabbricazione di un PCB rigid flex presenta un livello di complessità maggiore rispetto a un tradizionale circuito stampato rigido. In Figura 2 è visibile un PCB rigid flex a doppia faccia, ottenuto combinando, tramite pre-preg a resina epossidica, un circuito flessibile a singola faccia con un layer di circuito rigido a singola faccia.

struttura PCB rigid flex
Figura 2: struttura di un rigid flex a doppia faccia

PCB rigid flex a quattro layer possono essere ottenuti combinando strutture analoghe a quella visualizzata in Figura 2. Per ottenere un migliore controllo dell’impedenza, un PCB rigido flessibile presenta normalmente una struttura simmetrica, con gli strati di materiale flessibile posti al centro di essa. I circuiti rigid flex possono anche includere blind vias e buried vias, soprattutto nel caso di applicazioni con BGA ad elevata densità. Se i blind vias richiedono un collegamento elettrico ai layer flessibili del circuito, la struttura risultante potrebbe anche diventare asimmetrica. Per applicazioni con elevate tensioni, o per migliorare la gestione termica del PCB, possono essere inseriti dei layer air gap, i quali contribuiscono anche a migliorare la caratteristica di flessibilità del rigid flex. Un PCB rigid flex è un circuito stampato ibrido, composto da una parte rigida e una flessibile. Durante la fabbricazione, vengono aggiunti in opportuni punti del circuito dei PTH (Plated Through Holes) in modo tale da collegare elettricamente i layer del circuito rigido con le aree del circuito flessibile.

Applicazioni dei rigid flex

I PCB rigid flex possono essere assemblati in modo analogo ai circuiti rigidi, con l’ulteriore vantaggio di poter essere piegati per adattarsi ai vincoli di spazio imposti dalla specifica applicazione. Inoltre, sono particolarmente adatti per le applicazioni in cui la struttura è sottoposta, dinamicamente, a una flessione continua. Se ben progettato, un circuito rigid flex è in grado di sopportare centinaia o migliaia di cicli di flessione senza incorrere in malfunzionamenti. Nonostante abbiano un costo superiore rispetto ad altre tipologie di PCB, i rigid flex sono estremamente versatili e possono essere personalizzati per una vasta gamma di applicazioni. I principali fattori che determinano la scelta di questa soluzione sono i seguenti:

  • presenza di elevate vibrazioni: i PCB rigido flessibili sono in grado di sopportare urti e vibrazioni di elevata intensità senza subire danni;
  • applicazioni di elevata precisione: quando il malfunzionamento di un connettore o di un cavo può avere effetti disastrosi, è preferibile una soluzione affidabile basata sui PCB rigido flessibili;
  • applicazioni ad elevata densità di componenti: quando lo spazio disponibile per l’assemblaggio di cavi e connettori è ridotto, un circuito rigid flex può risolvere il problema;
  • applicazioni multi-scheda: quando l’assemblaggio richiede la connessione di un elevato numero di schede, può essere conveniente sostituirle con un PCB rigid flex.

Inizialmente ad uso esclusivo dei settori aerospaziale e militare, i PCB rigido flessibili sono oggi largamente impiegati in numerose applicazioni, compresa l’elettronica di consumo. È importante sottolineare la differenza esistente tra circuiti rigid flex e PCB flessibili con rinforzo, talvolta utilizzabili in applicazioni simili. Anche se i rinforzi forniscono ai circuiti flessibili una maggiore stabilità meccanica, essi limitano le posizioni in cui i componenti possono essere collocati e, soprattutto, la densità massima di componenti che si può raggiungere. Quest’ultimo aspetto è di importanza primaria: al crescere della densità dei componenti, i circuiti flessibili con rinforzo raggiungono i propri limiti di applicabilità, mentre i PCB rigid flex semplificano il processo di assemblaggio assicurando una maggiore densità di componenti e agevolando il processo di routing. I circuiti stampati rigid flex forniscono uno strumento semplice per integrare tra loro più PCB rigidi con altri elementi come display, dispositivi per la memorizzazione, periferiche, interfacce uomo macchina e altro ancora. I tradizionali fili, cavi e connettori sono sostituiti da strutture sottili e leggere dotate di flessibilità.

Dispositivi indossabili

I dispositivi indossabili, il cui mercato è in continua crescita, sarebbero irrealizzabili senza la tecnologia dei PCB rigido flessibili. Il prodotto più popolare in questo settore è sicuramente lo smartwatch, seguito dai dispositivi “fitness” per il tracciamento dell’attività fisica. Oltre a questi dispositivi, tipici dell’elettronica di consumo, esistono numerosi altri esempi di utilizzo dei rigid flex, come i dispositivi elettromedicali e le applicazioni militari. Tra le applicazioni emergenti si possono citare gli “smart clothing”, ovvero i dispositivi indossabili integrati nei capi di abbigliamento. Per questo tipo di applicazione una soluzione basata unicamente su PCB rigidi è difficilmente percorribile. Per loro natura, i dispositivi indossabili devono essere piccoli e possibilmente passare inosservati, soprattutto se si tratta di dispositivi elettromedicali. Essi richiedono PCB che siano in grado di adattarsi a spazi ristretti e supportino un’elevata densità di componenti (SoC, memorie, sensori, display e altro). Occorre quindi una tecnologia, come il rigid flex, che consenta una disposizione efficiente dei componenti, semplificando il routing del PCB. Il circuito visibile in Figura 3 è un esempio di applicazione della tecnologia rigid flex ai dispositivi indossabili: si può osservare l’elevata densità di componenti su dei PCB con footprint estremamente ridotto, ma anche la possibilità di interconnessione flessibili tra PCB rigidi e periferiche o sensori esterni.

applicazione rigid flex
Figura 3: applicazione dei rigid flex ai dispositivi indossabili

Dispositivi elettromedicali

I PCB rigido flessibili presentano numerosi vantaggi per le applicazioni in campo elettromedicale, tra cui: riduzione del peso e delle dimensioni del dispositivo e possibilità di essere piegato adattandosi allo spazio disponibile. Esempi di applicazioni nel campo medico, dove i requisiti di affidabilità e sicurezza sono mandatori, sono i dispositivi indossabili di ultima generazione. Essi consentono al personale medico di essere informato sulle condizioni di salute dei pazienti anche quando si trovano al di fuori dell’ospedale, monitorando parametri vitali come battito cardiaco e respirazione.

Applicazioni industriali

I PCB rigido flessibili consentono alle apparecchiature industriali di operare anche in presenza di elevate sollecitazioni meccaniche, offrendo una maggiore flessibilità durante la fase di progettazione del dispositivo. Le principali applicazioni riguardano i settori militare, aerospaziale, telecomunicazioni e automotive.

Conclusioni

L’introduzione della tecnologia rigid flex nella fabbricazione dei PCB permette di semplificare i collegamenti e l’assemblaggio dei dispositivi elettronici con strutture di interconnessione complesse. In virtù della loro superiore affidabilità dal punto di vista meccanico ed elettrico, i circuiti stampati rigid flex sono ampiamente utilizzati nei settori automotive, aerospaziale, militare, dispositivi elettronici portatili, computer e relative periferiche.

Redazione Fare Elettronica