Che cos'è un PCB flessibile? Una guida completa

Introduzione

Le schede a circuito stampato (PCB) flessibili, comunemente chiamate circuiti flessibili, offrono capacità uniche rispetto alle tecnologie PCB rigide tradizionali. La loro struttura flessibile consente loro di piegarsi, ripiegarsi e flettersi dinamicamente durante l'uso, rendendoli essenziali nei moderni dispositivi e prodotti elettronici a causa della crescente miniaturizzazione e innovazione nell'elettronica.

La comprensione dei fondamenti della tecnologia dei PCB flessibili vi aiuterà a determinare l'utilizzo efficace dei circuiti flessibili nei vostri prodotti e progetti elettronici. Potete rivolgervi a PCBPit, l'azienda di fiducia che si occupa di circuiti flessibili. Azienda di produzione di PCB per le soluzioni di PCB flessibili.

 

Che cos'è un circuito stampato flessibile?

flex pcb

Un PCB flessibile utilizza uno strato di base dielettrico costituito da un materiale polimerico flessibile come la poliimmide o il poliestere. Le tracce di rame conduttivo sono laminate sullo strato di base flessibile per creare un circuito sottile e pieghevole. L'assenza di rinforzi rigidi in fibra di vetro consente al PCB flessibile di essere flesso e contorto dinamicamente durante l'uso.

Nomi comuni utilizzati per indicare i PCB flessibili:

  • Circuiti flessibili
  • Circuiti flessibili
  • Circuiti stampati flessibili
  • Stampe flessibili

Le proprietà chiave che contraddistinguono i circuiti stampati flessibili sono la flessibilità, la leggerezza, il comportamento dinamico, la durata, l'integrazione con i componenti, il design salvaspazio e la personalizzazione. Queste capacità consentono ai circuiti flessibili di soddisfare le complesse esigenze fisiche ed elettriche dei dispositivi elettronici compatti e portatili.

 

Materiali e costruzione dei PCB flessibili

I materiali e la costruzione unici dei circuiti stampati flessibili ne consentono le capacità specifiche. I componenti chiave della costruzione di un circuito flessibile sono:

Substrato flessibile dielettrico

Lo strato dielettrico di base costituisce la base su cui vengono realizzate le tracce conduttive. La scelta del materiale del substrato flessibile è fondamentale.

Le opzioni più comuni includono la poliimmide (Kapton), il poliestere (PET), la poliammide, i fluoropolimeri (PTFE) e il polimero a cristalli liquidi (LCP). La poliimmide è il materiale per substrati flessibili più utilizzato grazie alla sua elevata durata, alle sue proprietà termiche e al suo rapporto costi-benefici.

Foglio di rame

Sul substrato di base viene laminato un foglio di rame ricotto ultrasottile. Lo spessore tipico della lamina nei PCB flessibili varia da 12μm a 35μm (da 0,5 oz a 1 oz).

Conduttori

Il foglio di rame viene modellato con processi litografici per produrre i percorsi conduttivi o le tracce necessarie.

Coverlay

Un sottile strato di copertura dielettrico flessibile può essere laminato sopra lo strato conduttore per garantire l'isolamento e la protezione.

Adesivo per incollaggio

Le pellicole adesive acriliche o a base epossidica vengono utilizzate per incollare il substrato di base con il foglio di rame e il coverlay con i conduttori.

Irrigidimenti

Nelle costruzioni multistrato possono essere aggiunti ulteriori strati di irrigidimento dielettrico per ridurre al minimo la flessione o l'incurvamento del PCB a causa delle sollecitazioni termiche.

Finiture e rivestimenti

Una maschera di saldatura ricopre lo schema del conduttore per garantire l'isolamento e l'antiossidazione. Sulle piazzole esposte è possibile applicare il livellamento della saldatura ad aria calda (HASL) o altre finiture superficiali.

Proprietà chiave dei PCB flessibili

I materiali e i metodi di costruzione conferiscono proprietà caratteristiche ai circuiti flessibili, tra cui lo spessore complessivo, il raggio di curvatura, la resistenza al calore, la resistenza chimica e la leggerezza. Queste proprietà rendono i circuiti stampati flessibili adatti a un'ampia gamma di applicazioni elettroniche.

Caratteristiche dei PCB flessibili

  • Proprietà ad alta frequenza - Percorsi di segnale brevi e materiali dielettrici sottili contribuiscono a garantire eccellenti prestazioni ad alta frequenza. I substrati come l'LCP offrono proprietà RF superiori, che li rendono adatti alle applicazioni ad alta frequenza.
  • Valutazioni attuali - La capacità di trasporto di corrente dei PCB flessibili è limitata dallo spessore del rame, con valori tipici di corrente continua che vanno da circa 0,5A a 5A per le comuni costruzioni di circuiti flessibili.
    Selezionando con cura i materiali e rispettando le regole di progettazione, le proprietà dei PCB flessibili possono essere personalizzate per soddisfare i requisiti di applicazioni specifiche.

Considerazioni sulla progettazione di PCB flessibili

La progettazione di un PCB flessibile affidabile richiede un'attenzione particolare agli aspetti di piegatura dinamica. Di seguito sono riportate le principali linee guida da considerare:

  • Larghezza e spaziatura della traccia - Le tracce più strette richiedono una maggiore spaziatura tra i flex per prevenire le fessure. Per le regioni dinamiche è consigliabile un rapporto 2:1 tra spaziatura e larghezza della traccia.
  • Raggio di curvatura - È essenziale instradare le tracce perpendicolarmente agli assi di piegatura. È importante mantenere un raggio di curvatura pari ad almeno 3 volte lo spessore della base per le regioni statiche e a 10 volte per quelle dinamiche.
  • Vuoti di copertura - Per evitare l'usura, i vuoti del manto di copertura devono essere ridotti al minimo nelle aree in cui le tracce sono esposte. Nelle zone di curvatura dinamica è opportuno considerare un posizionamento strategico dei vuoti.
  • Rinforzo - Nelle regioni multistrato possono essere necessari ulteriori irrigidimenti per evitare l'instabilità e il raggrinzimento durante la flessione.
  • Adesivi - Utilizzate adesivi flessibili ad alte prestazioni progettati per applicazioni di flessione dinamica. Gli adesivi acrilici sono noti per la loro durata.
  • Vias - Per evitare la propagazione delle cricche dai bordi del foro, si devono utilizzare vias a goccia con anelli anulari adeguati.
  • Angoli - L'arrotondamento degli angoli delle tracce con raggi più alti contribuisce a ridurre le concentrazioni di sollecitazioni. È consigliabile evitare tracce angolate in corrispondenza degli angoli.
  • Tappetini - Utilizzare cuscinetti a forma di rettangolo arrotondato o di cerchio. I rilievi nelle aree di flessione devono essere termicamente attenuati con collari.
  • Schermatura - Pellicole di schermatura flessibili o strati conduttivi contribuiscono alla protezione EMI/ESD. È possibile integrare anche tracce di schermatura dedicate.

Aderendo a queste linee guida specializzate, i PCB flessibili possono essere progettati per sopportare milioni di cicli di flessione e avere una lunga durata di vita del prodotto.

 

Tipi e applicazioni comuni di PCB flessibili

I circuiti flessibili possono essere utilizzati in varie configurazioni per applicazioni di interconnessione e imballaggio:

  • Interconnessioni flessibili - Semplici tracce di conduttori o schemi di fili vengono utilizzati su substrati flessibili per collegare PCB, display e altri moduli su movimenti dinamici.
  • Cavi flessibili - Utilizzate tracce di conduttori paralleli su substrati flessibili laminati per creare cavi a nastro ad alta densità per interconnessioni di segnale, dati e alimentazione.
  • Interruttori a membrana - Integrare tracce di conduttori, distanziatori e sovrapposizioni flessibili per produrre interruttori di controllo ultrasottili sensibili al tocco.
  • Schede rigide flessibili - Incorporate schede rigide con sezioni flessibili per creare PCB ibridi pieghevoli e compatti con porzioni rigide complesse.
  • Riscaldatori flessibili - Modellare elementi riscaldanti resistivi su substrati flessibili per creare cuscinetti e coperte riscaldanti sottili in grado di adattarsi alle superfici.

Alcune applicazioni comuni dei circuiti stampati flessibili includono strumenti medici, dispositivi indossabili, robotica e macchine industriali, elettronica di consumo, elettronica automobilistica, sistemi aerospaziali e militari. La flessibilità, la leggerezza e le caratteristiche dinamiche dei circuiti flessibili consentono possibilità di progettazione innovative.

 

Vantaggi dei PCB flessibili

La tecnologia dei PCB flessibili offre diversi vantaggi chiave:

  • Flessione dinamica - Può sopportare milioni di cicli di movimento, consentendo rotolamenti, torsioni e piegature che non sono possibili con i PCB rigidi.
  • Si adatta alla forma - A differenza dei pannelli rigidi, possono integrarsi perfettamente con i contorni e gli alloggiamenti dei prodotti.
  • Leggero - Presenta una massa estremamente ridotta rispetto ai laminati rigidi, che lo rende adatto a dispositivi portatili e indossabili.
  • Fattore di forma sottile - Consente di creare circuiti compatti e a basso profilo per adattarsi a spazi ridotti e facilitare i prodotti più sottili.
  • Durevole - Resistente alle vibrazioni e agli urti meccanici grazie alla sua struttura flessibile.
  • Alta densità - Integra le interconnessioni, eliminando la necessità di cavi e connettori esterni.
  • Forme personalizzate - Può essere prodotto in un numero illimitato di forme e contorni 2D.
  • Morbido e flessibile - Consente l'integrazione di sistemi elettronici completi nei tessuti.
  • Affidabilità - Offre prestazioni costanti per tutta la durata della flessione con una progettazione adeguata.
  • Risparmio sui costi - Semplifica l'assemblaggio, riduce la necessità di connettori e il costo totale del prodotto.
 

Sfide e limiti

Pur offrendo numerosi vantaggi, la tecnologia dei PCB flessibili presenta anche i seguenti limiti:

  • Strati e densità limitati - In genere consente 1-6 strati, limitando la complessità dei circuiti. Il flex multistrato ad alta densità è ancora in fase di sviluppo.
  • Valori di corrente inferiori - Lo spessore del rame limita la capacità di trasporto della corrente, in genere inferiore a 5A.
  • Assemblea impegnativa - Richiede processi SMT specializzati adatti a substrati flessibili.
  • Incline all'usura - Un'inadeguata distanza di flessione dinamica può provocare fessure e guasti ai conduttori.
  • Requisiti della struttura di supporto - I circuiti flessibili devono essere assemblati su telai o involucri rigidi per una completa integrazione del sistema.
  • Problemi di gestione termica - Il substrato polimerico isolante ostacola la dissipazione del calore.
  • Suscettibile ai danni ambientali - Richiede un ulteriore incapsulamento protettivo per ridurre i danni ambientali.

Grazie a pratiche di progettazione corrette e ai progressi dei materiali, sono in corso sforzi per risolvere queste limitazioni ed espandere le capacità dei PCB flessibili.

 

Confronto tra PCB flessibili e PCB rigidi

Sebbene la tecnologia dei PCB rigidi sia adatta a molte applicazioni, in alcuni casi il passaggio all'implementazione di PCB flessibili è vantaggioso. Di seguito viene presentato un confronto tra PCB flessibili e PCB rigidi:

Parametro PCB flessibile PCB rigido Composizione Polimero dielettrico (PI, PET) Laminato rigido (FR4) Strati Tipicamente 1-6 strati Fino a 30+ strati Caratteristiche Tracce a linea fine, Piccoli vias Permette caratteristiche ultra-fini (<3 mil) Densità Media densità Possibilità di densità molto elevata Conduttività termica Scarsa conduzione attraverso il polimero Buona conduzione termica Capacità di corrente Tipicamente < 5A Possibilità di correnti elevate Assemblaggio Richiede un processo SMT specializzato Assemblaggio SMT standard Forma Può produrre qualsiasi contorno 2D Limitato a schede rettangolari Raggio di curvatura Può flettersi dinamicamente Quasi nessun raggio di curvatura Costo $$ $$$

Mentre i PCB rigidi servono per la maggior parte delle applicazioni ad alta complessità, densità e potenza, i PCB flessibili forniscono la flessibilità meccanica necessaria nei progetti mobili con spazio limitato. La soluzione ottimale è spesso l'integrazione di entrambi su un PCB rigido-flessibile per sfruttare il meglio di entrambe le tecnologie.

 

Tendenze future dei PCB flessibili

Ecco alcune tendenze chiave che determinano la continua evoluzione della tecnologia dei circuiti stampati flessibili:

  • Costruzioni più sottili - Riduzione dello spessore degli strati flessibili fino a 1 mil per migliorare la piegabilità.
  • Caratteristiche più piccole - Tracce più strette e spaziature fino a 2 mil per aumentare l'integrazione.
  • Materiali migliorati - Nuovi substrati come l'LCP per migliori prestazioni elettriche e ad alta frequenza.
  • Passo fine Componenti - Consente il montaggio diretto in superficie di circuiti integrati a passo ultrafine su circuiti stampati flessibili.
  • Flessibile ad alta densità - Sviluppo di schede flessibili multistrato fino a 12 strati conduttivi.
  • Inclusione di passivi - Incorporazione di sottili resistenze e condensatori incorporati negli strati flessibili.
  • Circuiti estensibili - Adozione di nuovi materiali per consentire ai PCB flessibili di allungarsi e deformarsi.
  • Lavorazione additiva - Passaggio dall'incisione sottrattiva alla fabbricazione additiva con processi di stampa o placcatura.
  • Circuiti flessibili strutturati 3D - Tecniche di fabbricazione di strutture di circuiti flessibili fuori piano.
 

Con la maturazione della scienza dei materiali e dei processi di produzione, la tecnologia dei circuiti stampati flessibili aprirà le porte a progetti elettronici più innovativi, non realizzabili in precedenza.

Condividi:

Altri post

Scheda PCB

Capire le gocce di teardrop PCB: Una guida completa

Capire le gocce di PCB: Una guida completa Cosa sono le goccioline di PCB? I teardrops su PCB sono piccoli allargamenti a forma di goccia nel punto in cui una traccia (o tracciato) si incontra con il circuito stampato.

Dita d'oro per PCB

Cosa sono le dita d'oro dei PCB?

Che cos'è il Gold Finger per circuiti stampati? I circuiti stampati (PCB) sono la spina dorsale della maggior parte dei dispositivi elettronici e collegano i componenti con una serie di percorsi elettrici. Uno

it_ITItaliano