Nuove possibilità di progettazione con i circuiti stampati flessibili e rigidi-flessibili

Introduzione

La miniaturizzazione sempre più spinta di componenti e circuiti elettronici ha favorito lo sviluppo di applicazioni in settori prima impensabili con la diffusione di nuovi dispositivi sempre più pervasivi. Una delle tecnologie chiave coinvolta in questa evoluzione dell’elettronica è relativa alla realizzazione di circuiti stampati che possano adattarsi allo spazio dove saranno impiegati e che quindi devono essere flessibili o rigidi-flessibili.

Il livello di maturità raggiunto da questa tecnologia apre possibilità completamente nuove per molte applicazioni, si pensi ad esempio ai dispositivi biomedicali indossabili, e offre molti vantaggi in termini di trasmissione del segnale, dimensioni, stabilità e affidabilità a lungo termine.

Circuiti flessibili statici e dinamici

Un criterio di distinzione molto importante per i circuiti stampati flessibili è proprio la flessibilità del circuito. A seconda dell’applicazione si distingue tra:

  • Statici, o “flessibili all’installazione” (Flex to install): il circuito stampato viene piegato durante l’installazione o il montaggio e rimane lì, statico, per l’intera vita del prodotto;
  • Dinamici (Dynamic Flex): il circuito flessibile è in movimento durante la vita del prodotto. Questi movimenti possono essere molto lenti oppure veloci a seconda dell’applicazione, ma possono essere anche movimenti indesiderati, come le vibrazioni.

In Figura 1 sono mostrate due possibili applicazioni per circuiti flessibili: a sinistra, un apparecchio acustico, in cui il circuito stampato flessibile viene formato e installato nell’apparecchio acustico solo una volta e poi non viene più spostato. A destra, è mostrato il funzionamento interno di una stampante a getto d’inchiostro in cui è possibile vedere il nastro di collegamento alla testina di stampa come esempio dell’uso di un “Dynamic Flex PCB”.

Figura 1: Esempi di circuiti flessibili statici e dinamici

Vantaggi dei circuiti stampati flex e rigi-flex

L’impiego dei circuiti stampati flessibili o rigidi-flessibili presenta numerosi vantaggi, perché la flessibilità del circuito consente di realizzare dispositivi in grado di muoversi nello spazio evitando l’uso di cavi e connettori fra sottosistemi rigidi ma potendo inserire la componentistica direttamente  sul circuito flessibile. Si può parlare quindi di “progettazione tridimensionale” in cui il circuito va a riempire lo spazio, come nel caso del dispositivo acustico mostrato.

Inoltre si può dire, senza essere esaustivi, che si può ottenere una riduzione di peso e volume (utili per applicazioni aeronautiche, ad esempio) così come un aumento dell’affidabilità dei collegamenti elettrici grazie alla polarità e alla sicurezza dei contatti, nonché al risparmio su spine, connettori e componenti dei cavi.  Anche la gestione termica e l’utilizzo ad alte temperature possono migliorare.

Di fatto si possono conseguire anche risparmi sui costi per l’intero sistema.

Requisiti e standards

Per poter progettare correttamente un circuito stampato non si può prescindere dagli standards internazionali di settore, in particolare da quelli emanati dall’IPC.

Il riferimento nel campo dei circuiti flessibili è lo standard IPC-2223 “Design guidelines for flexible and rigid-flex printed circuit boards”, utile anche solo per avere un’idea delle varie tipologie di circuiti stampati flessibili e delle loro caratteristiche costruttive.

Questo standard, in combinazione con lo standard IPC-2221, specifica i requisiti per la progettazione di schede stampate flessibili e i tipi di montaggio dei componenti e strutture di interconnessione. Nell’appendice dell’IPC-2223 è inoltre incluso un tutorial di progettazione con indicazioni sulla selezione dei materiali, le dimensioni e la forma dei circuiti flessibili e le tolleranze dimensionali per la fabbricazione.

Ovviamente ci sono molti altri standard da rispettare o linee guida da consultare, come l’IPC-6013: “Qualification and performance specification for flexible and rigid-flexible printed circuit boards”, che contiene illustrazioni e tabelle estese e, tra le altre cose, i requisiti aggiornati per la metallizzazione della superficie, la perdita di adesivo, i fori riempiti, i fori passanti placcati e l’anello di riposo saldabile per circuiti stampati flessibili e rigidi-flessibili.

Le tipologie di circuito flessibile previsti dallo standard sono 4:

IPC-2223 Design Standard Type 1 – Scheda a circuito stampato flessibile a singola faccia:

  • con uno strato conduttivo
  • con o senza irrigidimento o rinforzo (generalmente indicato anche in italiano con il termine tecnico inglese stiffener)
  • con supporto adesivo o substrato privo di adesivo

IPC-2223 Design Standard Type 2 – Scheda a circuito stampato flessibile a doppia faccia:

  • con due strati conduttivi e fori passanti metallizzati
  • con o senza irrigidimento
  • con supporto adesivo o substrato privo di adesivo

IPC-2223 Design Standard Type 3 – Scheda a circuito stampato flessibile multistrato:

  • con minimo tre strati conduttivi e fori passanti metallizzati
  • con o senza irrigidimento
  • con supporto adesivo o substrato privo di adesivo

IPC-2223 Design Standard Type 4 – Scheda a circuito stampato rigido-flessibile multistrato:

  • con min. tre strati conduttivi e fori passanti metallizzati
  • con irrigidimento
  • con supporto adesivo o substrato privo di adesivo

Le caratteristiche costruttive di questi tipi di circuiti flessibili e rigidi-flessibili previsti dallo standard sono mostrate nella seguente figura:

Figura 2: classificazione dei circuiti flessibili e rigidi-flessibili

Materiali per circuiti flessibili e rigidi-flessibili

I progettisti, nella scelta della tipologia di circuito stampato flessibile, devono utilizzare dei criteri di selezione per i materiali da impiegare, tra cui:

  • Sollecitazione flettente (statica e/o dinamica): bisognerà valutare quanto deve essere piegato il circuito e se fissato in sede o soggetto a movimenti (e quindi ampiezza e frequenza degli stessi);
  • Carico termico (statico e/o dinamico): le caratteristiche elettriche e meccaniche possono variare in base alla temperatura ed alle sue variazioni pertanto devono essere scelti materiali che non degradano le proprie caratteristiche nelle condizioni previste di impiego;
  • Rigidità dielettrica: trattandosi di circuiti anche molto sottili anche a piccole differenze di potenziale possono corrispondere intensi campi elettrici (una d.d.p di 1 V ad una distanza di 100 micron genera un campo elettrico locale di 10kV/m) e pertanto occorre utilizzare materiali in grado di sopportare tali campi.

I materiali di base per i circuiti stampati flex e rigid-flex, possono essere suddivisi in tre categorie:

  • Laminati flessibili, rivestiti di rame. Fondamentalmente, ci sono due tipi di lamina di rame:
    • Rame RA (Rullato Ricotto): viene utilizzato soprattutto per circuiti stampati flessibili e rigido-flessibili grazie alla sua proprietà di deformarsi bene sotto stress meccanico; (duttilità). Grazie alla sua superficie liscia, il rame RA è anche la prima scelta per le applicazioni HF;
    • Rame ED (elettrodepositato): è la lamina di rame standard per i circuiti stampati rigidi e quindi la lamina più comunemente utilizzata nell’industria dei PCB. Viene anche utilizzato su larga scala per circuiti stampati flessibili, se la flessibilità dell’applicazione non è la preoccupazione principale;
  • Pellicole protettive, strato di copertura e sistemi di rivestimento: uno strato di copertura è uno strato protettivo flessibile utilizzato per coprire il rame esposto su circuiti stampati flessibili e rigido-flessibili. Viene anche utilizzato per la protezione dell’ambiente e l’isolamento elettrico. Quello utilizzato per i circuiti stampati rigidi è fragile e quindi non può essere utilizzato per circuiti stampati flessibili;
  • Sistema adesivo, flessibile e rigido: gli strati di copertura hanno spesso uno strato adesivo applicato su un lato. Tipicamente in Europa e negli Stati Uniti vengono utilizzati principalmente adesivi acrilici mentre in Asia, vengono utilizzati gli adesivi epossidici.
Figura 3: circuiti flessibili a doppia faccia, in rame laminato con supporto in poliimmide, sia con strato adesivo che senza

La complessità delle lavorazioni e le tecnologie necessarie alla realizzazione di circuiti stampati richiedono competenze e know how che non tutti i produttori di Pcb possiedono. Tra questi occupa un posto di rilievo Fineline, che con la sua linea dedicata ai Pcb flessibili e rigidi flessibili può soddisfare specifiche anche molto stringenti.  Poiché le tipologie di applicazioni sono molteplici e la scelta della migliore topologia o dei materiali non è immediata conviene affidarsi alla consulenza di esperti del settore, ed è per questo che Fineline mette a disposizione i propri tecnici e consulenti per essere un partner tecnologico oltre che un fornitore di soluzioni. 

Conclusioni

I circuiti stampati flessibili e rigido-flessibili sono molto importanti per l’industria elettronica in quanto risolvono problemi di occupazione dello spazio apportando anche benefici sotto molti altri aspetti realizzativi (riduzione di pesi, ingombri, connettori, ecc.) tra cui anche una possibile riduzione dei costi.

Vi sono degli specifici standard da rispettare e solo aziende specializzate nel settore, come Fineline,  possono fornire la tecnologia migliore per ottenere un prodotto che soddisfi le specifiche per applicazioni ad alte prestazioni.

Fineline al suo interno ha ingegneri esperti che supportano il cliente nell’industrializzazione dei circuiti flex e rigiflex, nella scelta nei materiali più adeguati per le diverse applicazioni e in grado si proporre le soluzioni strutturali e di stack up necessarie alle varie geometrie di utilizzo per le quali questo tipo di circuito viene scelto.

Fineline produce circuiti stampati flex e rigid flex per settori critici quali automotive ed elettromedicale da anni e con successo.

Gianluca Angelone
Ingegnere elettronico con la passione per l’elettronica fai da te, Gianluca ha approfondito la sua passione con un Dottorato in Automatica ed un assegno di ricerca post-doc su tecnologie innovative per veicoli a trazione elettrica. Ha iniziato la sua attività professionale in una nota multinazionale nel settore dei semiconduttori, dedicandosi alla prototipazione rapida di algoritmi di controllo per motori diesel common rail. Ha collaborato a vario titolo con aziende come ABB, AnsaldoBreda e STmicroelectronics su progetti relativi a modellistica, simulazione e controllo di circuiti elettronici. Attualmente freelance, si occupa di progetti hardware e firmware per applicazioni IoT, oltre a fornire consulenza come innovation manager.