Introduzione
I circuiti stampati (PCB) flessibili e rigidi-flessibili sono parte integrante di moderni dispositivi elettronici. Nati come evoluzione di cablaggi fra schede che non possono essere collegate rigidamente (come il frontalino di un amplificatore Hi-Fi e la sua scheda madre), i circuiti stampati flessibili hanno raggiunto una maturità tecnologica che consente di realizzare in modo flessibile interi dispositivi: si pensi ai sensori biomedici indossabili dove strumenti di misura di parametri vitali sono realizzati su un supporto da applicare al paziente come un cerotto.
Oltre questi esempi limite esistono tante applicazioni negli oggetti quotidiani che fanno uso di PCB flessibili che ormai è quasi impossibile progettare un sistema complesso senza utilizzare questa tecnologia. A seconda dei requisiti di ingombro, peso, resistenza alle sollecitazioni meccaniche, prestazioni a radiofrequenza o di compatibilità elettromagnetica, ecc. sono state sviluppate diverse tecniche di realizzazione di PCB flessibili o, come vedremo, semiflessibili.
Può essere allora interessante analizzare alcune regole o buone prassi di progettazione del layout per circuiti flessibili.
Varianti costruttive
Come per i PCB rigidi tradizionali anche per i circuiti flessibili vi possono essere più strati formati dall’alternanza di materiali conduttori (laminati flessibili di rame) e dielettrici, con o senza ulteriori aggiunte quali:
- irrigidimenti
- coperture e sistemi di rivestimento
- adesivi
Senza entrare nel dettaglio della realizzazione degli strati del circuito elettrico vero e proprio, possiamo analizzare le particolari caratteristiche che bisogna considerare quando si sviluppa un circuito flessibile.
Stiffener
Gli stiffener sono rinforzi realizzati con un materiale rigido che, appunto, irrigidiscono il circuito stampato flessibile nelle aree desiderate, ad esempio per consentire l’assemblaggio dei componenti. Il materiale di irrigidimento può essere conduttivo come il metallo, oppure non conduttivo in plastica o vetronite FR4. In Figura 1 è mostrato un circuito flessibile che ha la parte terminale resa rigida da uno strato di FR4.
Per progettare un circuito con irrigidimenti bisogna considerare che gli stiffener:
- sono un’opzione conveniente per irrigidire le aree dei perni, ovvero le aree di montaggio superficiale per l’assemblaggio dei componenti
- possono essere utilizzati per forzare una linea curva nelle aree selezionate (o realizzare un circuito dalla forma fissa, tipo “flex to install”), come in Figura 2
- rinforzano i giunti di saldatura e aumentano la resistenza all’abrasione
- possono essere utilizzati anche per speciali funzioni come la dissipazione del calore o il serraggio dei cavi
Strati di copertura
Per la protezione di un circuito stampato dall’ambiente esterno e per l’isolamento elettrico si può coprire il rame esposto mediante degli ulteriori strati sovrapposti detti, appunto, di copertura.
Lo standard attuale è lo strato di copertura “selettivo”, chiamato anche strato di copertura “Bikini”, che viene applicato solo dove è realmente necessario, cioè non nella parte rigida del PCB.
Tuttavia il progettista deve anche considerare che, per aumentare la stabilità del circuito flessibile, lo strato di copertura non deve terminare in corrispondenza della parte rigida del PCB ma si deve estendere leggermente all’interno, come mostrato in Figura 3. Da notare che gli strati di copertura selettivi richiedono l’uso di prepreg “no-flow” (visibili in figura).
Serracavi
La transizione tra la parte rigida e la parte flessibile di un circuito stampato può essere rinforzata con adesivo epossidico per resistere agli sforzi di trazione quando viene curvato. Un esempio è mostrato in Figura 4 in cui si presenta anche un metodo per la realizzazione del serracavo: il bordo dello stiffener viene prima arrotondato dal lato del circuito e poi riempito con un polimero dalle caratteristiche meccaniche adeguate a garantire la robustezza necessaria.
Per poter fissare il serracavo, è preferibile un’altezza minima di 0,254 mm (0,010 pollici) mentre la lunghezza è tipicamente compresa fra 1,0 e 2,5 mm (0,0394 – 0,0984 pollici).
Circuiti stampati semi flessibili
Una soluzione a basso costo con piegabilità limitata ma con un ampio raggio di curvatura è il cosiddetto circuito stampato semi flessibile o “PCB semi-flex“. Questi circuiti trovano impiego nelle applicazioni “flex to install” dove è richiesta una sagomatura iniziale ed una relativa rigidità successiva, come nel circuito mostrato in Figura 5 che assume la forma di un parallelepipedo mediante piegatura di PCB semi-flex.
I PCB Semi-Flex sono PCB FR-4 rigidi standard, in cui un’area flessibile viene creata da una fresatura dell’asse Z come visibile in Figura 6. Poiché il solder resist standard è troppo fragile, è possibile utilizzare una vernice speciale.
Requisiti di layout
La progettazione di un circuito che deve essere flessibile richiede degli accorgimenti ulteriori rispetto ai tradizionali circuiti rigidi, in quanto molte delle scelte relative a dimensioni e posizioni relative delle piste conduttive possono influire sulla realizzabilità o sulla qualità del prodotto finito.
Una prima cosa considerazione da fare per un masterista è identificare senza equivoci la parte del circuito da realizzare che deve essere flessibile. A tal proposito nello standard IPC-2223 c’è proprio la raccomandazione che al disegno di produzione dovrebbe essere aggiunta una vista separata per identificare la parte flessibile mostrandone la configurazione:
- le aree critiche che saranno curvate e o piegate devono essere devono essere mostrate e contrassegnate. Si consiglia in proposito al designer di realizzare un modello di carta del suo circuito per verificare le dimensioni, la posizione di montaggio ed il raggio di curvatura;
- il disegno di fabbricazione dovrebbe includere un dettagliato elenco con la descrizione dei materiali;
- si consiglia di allegare un disegno in sezione.
La larghezza minima della traccia è particolarmente importante per i circuiti flessibili: come regola di sicurezza IPC-2223 raccomanda una larghezza almeno cinque volte lo spessore della traccia e consiglia di massimizzarla quando possibile. Per la determinazione dello spessore è meglio utilizzare il rame più sottile in grado di trasportare in sicurezza il segnale o la corrente previsti e regolare di conseguenza la larghezza della traccia.
Le tracce, inoltre, dovrebbero mantenere il più possibile la stessa larghezza perché qualsiasi brusco cambiamento può portare a una potenziale debolezza nella durata di uno strato flessibile. Di conseguenza se sono previsti percorsi con larghezze di traccia differenti, occorre realizzare una regione di transizione invece di una variazione netta, come mostrato nella figura seguente.
Se si progettano circuiti multistrato, non è consigliato posizionare i conduttori uno sopra l’altro perché la rigidità del circuito aumenta e di conseguenza il comportamento alla flessione è limitato. Un’alternativa migliore sono i conduttori sfalsati, disposti alternativamente per mantenere la massima flessibilità del circuito. Bisogna sempre tener presente che lo spessore aumenta a causa della sovrapposizione delle piste conduttrici e ciò riduce la flessibilità.
Un altro aspetto da considerare è la forma delle tracce, in particolare dove c’è un cambiamento di direzione: una variazione brusca, con angoli retti ad esempio, è più soggetta a fenomeni di rottura. L’instradamento delle tracce, invece, deve essere graduale ed il più possibile tondeggiante, come mostrato di seguito, in modo da ridurre ed eliminare le concentrazioni di sforzo. Ciò aumenta notevolmente l’affidabilità e la longevità, soprattutto sotto stress dinamico.
Nelle zone dove c’è una piegatura, se possibile le tracce dovrebbero essere disposte perpendicolarmente alla curva in modo da ridurre al minimo la pressione sui conduttori durante la flessione.
Un punto di riferimento nel settore: Fineline
Come visto in questo articolo, le considerazioni da fare e gli accorgimenti da tenere presenti per una buona riuscita del prodotto sono molto vari e solo il supporto di un produttore qualificato e con esperienza nel settore può favorire la realizzazione di un prodotto di qualità.
Nel particolare settore dei PCB flessibili e rigidi flessibili opera da molti anni Fineline, un fornitore di PCB su scala mondiale, dotata di un portafoglio diversificato di tecnologie PCB e soluzioni per la catena di fornitura a clienti e mercati in più di 50 paesi.
Il team di esperti Fineline è in grado valutare la tecnologia di cui il cliente ha bisogno, in ogni punto della catena di fornitura. Qualunque sia la specifica o il settore di mercato, sapranno bilanciare la tecnologia e le esigenze del cliente per fornirgli il risultato di cui ha bisogno, rendendo Fineline un partner tecnologico oltre che un fornitore di soluzioni.
Conclusioni
I circuiti stampati flessibili sono una particolare tipologia di PCB che è sempre più presente nei dispositivi elettronici in circolazione. Le peculiarità dovute alla flessibilità sono molteplici e spaziano dai materiali alla forma e disposizione delle piste sul circuito. Richiedono una progettazione accurata e la padronanza di tecnologie che non tutti i produttori di PCB possiedono. Per ottenere un prodotto di qualità e standard elevati conviene quindi affidarsi a produttori con riconosciute competenze.
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