PCB rigido flessibili per l’industria automobilistica

Introduzione

I circuiti stampati rigido flessibili possono vantare innumerevoli applicazioni in campo automobilistico, contribuendo a rivoluzionare il modo di guidare e di interagire con i sistemi presenti a bordo del veicolo. Il sistema di frenata antibloccaggio (ABS), la centralina elettronica di controllo del motore (ECU), il sistema di infotainment e navigazione sono tutti dispositivi che richiedono un PCB di tipo flex rigid. I circuiti stampati per applicazioni automotive devono garantire elevata affidabilità, robustezza, durata almeno pari a quella media prevista per un veicolo commerciale e prezzi competitivi. Ogni singolo circuito deve essere progettato per sopportare le condizioni più critiche che una normale autovettura o un mezzo pesante incontrano durante l’utilizzo quotidiano sulle strade di tutto il mondo. I circuiti stampati automotive, integrati all’interno di sistemi di complessità crescente, devono operare in presenza di temperature estreme, polvere, umidità e agenti chimici, soddisfacendo gli standard di affidabilità e sicurezza previsti in campo automobilistico. Fino ad alcuni anni fa, le soluzioni tradizionali nel settore automotive erano basate esclusivamente su circuiti stampati rigidi. Con il crescere del numero e della complessità dei dispositivi integrati a bordo del veicolo, sono stati introdotti circuiti di nuova generazione come i flex rigid, oggi presenti su numerosi dispositivi elettronici in grado di assicurare il funzionamento e la sicurezza del veicolo.

Proprietà dei flex rigid

Gli autoveicoli di ultima generazione includono un numero elevato di dispositivi elettronici, ciascuno dei quali deve soddisfare requisiti e specifiche tecniche in grado di assicurare un’elevata affidabilità, mantenendo nello stesso tempo un prezzo competitivo. I circuiti elettronici automotive richiedono un collegamento che può essere realizzato tramite normali cavi elettrici, cavi piatti, connettori o jumper. L’esperienza dimostra come, durante l’esecuzione degli stress test necessari ai fini dell’omologazione del veicolo o durante il normale funzionamento su strada, la maggior parte dei guasti o malfunzionamenti elettrici sono causati da saldature di scarsa qualità e da connettori difettosi. I PCB rigido flessibili sono in grado di risolvere questi problemi, riducendo drasticamente il numero di connettori e di saldature. In Figura 1 è visibile un PCB flex rigid integrato con una piccola telecamera, un componente sempre più presente nei veicoli di ultima generazione.

telecamera con PCB flex rigid
Figura 1: una piccola telecamera con PCB flex rigid

I vantaggi offerti dall’applicazione di questa tecnologia al settore automotive possono essere così sintetizzati:

  • miglioramento dell’affidabilità e qualità del prodotto. Riducendo il numero di connettori e di saldature, diminuisce il rischio potenziale che si verifichino dei guasti di natura elettrica;
  • riduzione dei costi. La soluzione flex rigid elimina alcuni step della fase di assemblaggio, come l’installazione dei connettori e la saldatura dei cavi unipolari o piatti, riducendo sensibilmente i costi complessivi;
  • minore manutenzione. Ogni PCB rigido flessibile, assemblato e testato dal produttore o fornitore, può essere installato nel punto richiesto del veicolo richiedendo una manutenzione post-vendita semplificata o addirittura nulla;
  • maggiore flessibilità nella progettazione. L’unico vincolo a cui i progettisti devono sottostare è quello imposto dal layout della sezione rigida del circuito. Per quanto riguarda la sezione flessibile, una volta definita la connessione, è possibile fissare, piegare o ruotare il circuito con un elevato margine di libertà, semplificando enormemente la progettazione e l’assemblaggio.

Classi di PCB flex rigid

Attualmente, sono disponibili sul mercato due tipologie di PCB rigido flessibili utilizzabili in ambito automotive:

  • PCB semiflessibili. La parte flessibile del PCB semiflessibile è realizzata in materiale FR-4 con spessore molto ridotto, particolarmente adatto ad un assemblaggio che richieda un grado di flessibilità limitato. Il principale vantaggio di questa soluzione è il costo ridotto;
  • PCB multiflessibili. Realizzato in materiale poliammidico (PI), il PCB multiflessibile è la soluzione ideale per le applicazioni che richiedono un’elevata flessibilità dinamica.

Il PCB semiflessibile non è in grado di offrire una flessibilità costante nel tempo. Nella maggior parte delle applicazioni, infatti, la flessibilità è ristretta soltanto ad alcune operazioni come montaggio, rilavorazione e manutenzione. Per tali applicazioni non è quindi necessario un materiale flessibile costoso come il PI, ma è sufficiente un materiale semiflessibile a basso costo. I PCB semiflessibili possono utilizzare il tradizionale materiale di substrato per la laminazione multistrato, evitando così che materiali differenti vengano laminati assieme, riducendo al minimo lo stress termico. Il PCB semiflessibile è fabbricato utilizzando la stessa tecnologia di produzione impiegata per i tradizionali circuiti stampati a doppia faccia e multistrato. L’assottigliamento delle porzioni flessibili può essere ottenuto mediante fresatura.

Quando la sezione flessibile del PCB flex rigid è realizzata con lamine di rame e PI, si può parlare di PCB multiflessibile. Un circuito stampato di questo tipo presenta una struttura ibrida ottenuta tramite laminazione di un substrato di materiale rigido e di un substrato di materiale flessibile. Le connessioni tra i conduttori elettrici sono realizzate tramite vias elettrodepositati, in grado di attraversare sia gli strati rigidi sia quelli flessibili. In Figura 2 è visibile la struttura di un circuito flex rigid a doppio strato.

struttura di un PCB flex rigid
Figura 2: struttura di un PCB flex rigid

Applicazioni automotive

Le applicazioni dei PCB flex rigid in ambito automobilistico interessano tutti i dispositivi elettronici che devono soddisfare i requisiti precedentemente menzionati: affidabilità, durata, resistenza a urti, vibrazioni e agenti atmosferici, spazio ridotto spesso di forma irregolare. L’utilizzo dei PCB flex rigid in ambito automotive ha tre finalità principali:

  • miglioramento delle prestazioni, con conseguente riduzione dei consumi e delle emissioni inquinanti;
  • miglioramento della sicurezza, ottenuto attraverso l’installazione di sistemi airbag, sistemi per il controllo della trazione, sistemi anticollisione, sensori di prossimità e altre funzionalità avanzate di assistenza alla guida (ADAS);
  • miglioramento del confort e dell’esperienza di guida, ottenuti con l’installazione di display multifunzione, controlli digitali, sistema di infotainment e navigazione integrata, sistemi multimediali e supporto alla tecnologia di connessione tra i veicoli (V2V).
aree di uso di flex rigid
Figura 3

Come visibile in Figura 3, diverse sono le aree (o meglio, i domini) di un autoveicolo in cui i PCB rigido flessibili possono essere utilizzati. Le dotazioni per la sicurezza includono il sistema airbag, il sistema di frenata antibloccaggio, il controllo di trazione, il sistema anticollisione e tutti i sistemi di assistenza alla guida (ADAS) disponibili sul veicolo. Il controllo del motore comprende la centralina ECU (Electronic Control Unit), il sistema per il monitoraggio del livello del liquido di raffreddamento e il sistema per la diagnostica di bordo (OBD). Tra i servizi accessori rientrano i fari e l’illuminazione esterna, il controllo delle portiere, dei finestrini e degli specchietti. L’abitacolo comprende numerosi dispositivi e sistemi di controllo e regolazione elettronici, come cruscotto, display, illuminazione interna e climatizzazione. Il sistema infotainment, oggi sempre più ricco di nuove funzionalità, include il sintonizzatore radio, i dispositivi per la riproduzione audio e video, la gestione della connettività via rete mobile e/o WiFi, il sistema di navigazione, il GPS e il supporto per la comunicazione Bluetooth. Completano il quadro alcuni dispositivi di primaria importanza nel circuito elettrico del veicolo, come i relè di potenza, la scatola dei fusibili e i convertitori di potenza DC-AC. Fineline, azienda leader mondiale nella fornitura di circuiti stampati ad alta tecnologia, può vantare una solida esperienza nello sviluppo di PCB flex rigid per settori applicativi con requisiti molto stringenti, come quello automobilistico. Fineline, operando in conformità ai principali standard e certificazioni applicabili al settore automotive, produce un’ampia gamma di circuiti stampati per l’industria automobilistica, utilizzando le più avanzate tecnologie come il flex rigid. In Figura 4 è visibile un esempio di PCB flex rigid per applicazioni automotive, caratterizzato da dimensioni estremamente ampie (1150 mm x 560 mm).

PCB flex rigid di Fineline
Figura 4: PCB flex rigid di Fineline per applicazioni automotive

Conclusioni

L’industria automobilistica sviluppa costantemente nuovi prodotti con l’obiettivo di ottenere un maggiore grado di sicurezza, minori consumi e funzionalità tecnologiche superiori. Questo trend continuo di innovazioni aumenta la domanda di circuiti stampati rigido flessibili in grado di soddisfare i requisiti automotive di resistenza a temperature estreme, urti, vibrazioni e movimento. La soluzione offerta dai PCB flex rigid risponde a questa domanda ed è in grado di supportare l’introduzione a bordo del veicolo di nuovi sistemi, migliorando l’esperienza di guida del cliente.

Redazione Fare Elettronica