Cosa sono i circuiti stampati flessibili e come vengono prodotti?

I circuiti stampati flessibili (PCB) sono un tipo di interconnessione elettronica che sta diventando sempre più popolare. Questo approccio al collegamento dei componenti in un circuito offre opzioni di progettazione e maggiore robustezza. Chiamati anche elettronica flessibile, schede a circuito stampato flessibili, circuiti stampati flessibili (FPC) o circuiti flessibili, i percorsi conduttori del circuito sono costruiti su un substrato di plastica flessibile, solitamente in poliimmide, PEEK o poliestere, e i componenti sono saldati a piazzole di rame esposte.

I circuiti stampati flessibili possono avere strati singoli, doppi o multipli di circuiti conduttori in rame. Poiché il substrato è flessibile, presenta vantaggi rispetto ai circuiti stampati rigidi nel packaging.

Il mercato dei circuiti stampati flessibili è cresciuto fino a raggiungere i 21,8 miliardi di dollari di fatturato nel 2023, costituendo il 30% del mercato da 73 miliardi di dollari di tutti i tipi di circuiti stampati. I circuiti flessibili supportano gli stessi componenti elettronici delle schede rigide e, come per quella tecnologia più popolare, i processi di produzione, i materiali e il packaging degli assemblaggi elettronici guidano la configurazione dei circuiti stampati flessibili.

La differenza risiede nella flessibilità del substrato. I progettisti devono comprendere questi fattori per evitare difficoltà e sfruttare i vantaggi di questo modo (letteralmente) flessibile di realizzare progetti di circuiti.

Le schede a circuiti stampati flessibili sono costituite da strati di materiali utilizzati per condurre, isolare o saldare. In base al numero di strati conduttori, i circuiti stampati flessibili (FPC) possono essere suddivisi nelle seguenti tipologie: singoli, doppi o multistrato.

Oltre a questi strati, altre caratteristiche importanti di un circuito stampato flessibile sono le aree in cui lo strato di copertura esterno del materiale isolante viene rimosso per esporre piazzole di saldatura e fori placcati in rame, chiamati "vie", utilizzati per la conduzione tra gli strati.

Una configurazione a strato singolo è costituita da un substrato dielettrico flessibile, uno strato adesivo, uno strato conduttivo, un altro strato adesivo e uno strato di copertura dielettrico flessibile.

Le configurazioni a doppio strato hanno una pila di adesivo, conduttore, adesivo e dielettrico su entrambi i lati del dielettrico di base. Vengono aggiunti fori passanti placcati che fungono da vie per collegare gli strati conduttori.

Le configurazioni multistrato impilano questa struttura laminata con tutti gli strati necessari e le vie possono essere realizzate come fori passanti o ciechi.

I circuiti stampati flessibili possono essere collegati anche a circuiti stampati rigidi incorporando strati all'interno dei circuiti stampati rigidi. Questa configurazione è chiamata circuito stampato rigido-flessibile ed è spesso un modo per sfruttare ciascun formato contemporaneamente o per collegare più circuiti stampati rigidi con un circuito flessibile anziché con cavi o un cablaggio preassemblato.

I vantaggi dei circuiti stampati flessibili li rendono anche un'ottima scelta per i progetti che utilizzano interconnessioni ad alta densità (HDI). Le HDI consentono agli ingegneri di creare circuiti stampati rigidi-flessibili con circuiti più compatti, strati più sottili e micro-vie, il tutto con una parte flessibile nella progettazione di circuiti stampati.

Il fattore di forma più piccolo rende le HDI una scelta vincente per applicazioni con esigenze di packaging complesse o strette. Il packaging compatto rende i circuiti stampati flessibili non solo la scelta preferita per offrire maggiori opzioni di progettazione, ma spesso l'unico modo per collegare le HDI ad altri componenti.

Al contrario, quando una configurazione richiede una scheda rigida per un componente come un chip o un sensore delicato, tali componenti possono essere posizionati su una HDI collegata a un FPC.

Di seguito una breve descrizione dei componenti utilizzati per realizzare lo stackup di un circuito stampato flessibile.

Strato dielettrico flessibile

Questo è il materiale di base di un circuito stampato flessibile. Definisce le proprietà fisiche caratteristiche del gruppo, in particolare la forma e la rigidità della struttura finale. Il substrato è solitamente costituito da poliimmide (PI) per la sua flessibilità, resistenza agli agenti chimici e proprietà termiche vantaggiose. 

Un altro materiale popolare è il poliestere (PET), ma altri polimeri dielettrici possono essere utilizzati quando sono necessarie proprietà speciali. Lo spessore di questo strato varia tipicamente da 12 μm a 125 μm. Più spesso è lo strato, più rigida è la struttura. Il substrato funge da strato centrale e da strato isolante, come una maschera di saldatura nel circuito stampato rigido, sopra lo strato conduttivo.

Strato adesivo di collegamento

La struttura laminata utilizza uno strato adesivo perché lo strato conduttore non si lega direttamente allo strato di base. I progettisti dovrebbero prestare attenzione alla forza di adesione e alla temperatura massima del materiale adesivo perché questi valori limitano il carico meccanico e termico.

Strato conduttivo

Lo strato conduttivo dello stack laminato è solitamente realizzato in rame. Tuttavia, se necessario, è possibile utilizzare altri metalli conduttori. Nella maggior parte delle applicazioni, lo strato di rame viene creato da una lamina incollata al substrato e quindi incisa per creare il circuito desiderato. La lamina metallica può avere anche diversi spessori. La lamina di rame viene solitamente laminata per produrre un foglio di rame saldato o elettrodepositato. Per stampare le tracce possono essere utilizzati anche inchiostri conduttori.

Rame placcato

Quando il progetto richiede una connessione tramite strati, dei fori vengono praticati nel laminato e placcati con rame per creare le vie.

Finitura superficiale

Uno svantaggio dei metalli altamente conduttivi come il rame è che si ossidano facilmente. Per contrastare questo problema, viene applicato un sottile strato di materiale come finitura superficiale. Questi materiali facilitano anche la saldatura. I tipi più comuni di finitura superficiale sono nichel chimico/oro per immersione (ENIG) senza deposizione elettrolitica, conservante organico per saldabilità (OSP), argento per immersione, stagno per immersione e oro.

Elementi di rinforzo

A volte è richiesta rigidità meccanica in una zona del circuito stampato flessibile. L'elemento di rinforzo può essere un pezzo di FR4 (il materiale di cui sono realizzati i circuiti stampati rigidi) o uno strato più spesso di poliimmide. Un'applicazione comune di un rinforzo FR4 è supportare un connettore rigido o di impedire la flessione sotto un componente di grandi dimensioni saldato al circuito per ridurre lo stress sul giunto di saldatura.

L'utilizzo di circuiti stampati flessibili offre numerosi vantaggi. Le proprietà meccaniche e termiche del substrato aprono molteplici opportunità di progettazione e prestazioni. La maggior parte dei vantaggi deriva dalla flessibilità dei materiali dei circuiti stampati e dalla capacità di creare facilmente forme complesse con il taglio laser. Inoltre, il materiale del substrato ha spesso proprietà termiche migliori rispetto ai materiali utilizzati nei circuiti stampati rigidi. I vantaggi più significativi sono elencati di seguito.

Uso efficiente dello spazio

I circuiti stampati flessibili sono più sottili, facilmente tagliabili in forme complesse e possono essere piegati per adattarsi alla forma del dispositivo in cui sono posizionati all'interno. Inoltre, soprattutto nei circuiti rigido-flessibili, i componenti possono essere posizionati in diversi orientamenti e comunque connettersi.

Robusto in ambienti difficili

Il materiale polimerico utilizzato nei design flessibili è resistente agli agenti chimici aggressivi. Può anche resistere alle alte temperature e ha capacità di dissipazione del calore migliori rispetto ai circuiti stampati rigidi.

Durata migliorata

Se progettati correttamente, i circuiti flessibili possono sopportare un numero elevato di cicli di flessione senza danneggiare i circuiti conduttivi.

Resistenza agli urti e alle vibrazioni

La rigidità e la massa inferiori si traducono in una minore entrata e trasmissione di energia attraverso un assemblaggio elettronico che utilizza circuiti stampati flessibili. Inoltre, il materiale può resistere a livelli significativi di sollecitazione causati da urti e vibrazioni.

Minore massa

Nelle applicazioni in cui ogni grammo conta, i circuiti stampati flessibili forniscono circuiti elettronici con massa inferiore rispetto alle schede rigide.

Assemblaggio semplificato

Quando si sostituiscono i cavi o i cablaggi tradizionali, i circuiti stampati flessibili possono ridurre notevolmente i costi di assemblaggio. Inoltre, non hanno bisogno di essere fissati con viti o morsetti e possono essere incollati in posizione o lasciati fluttuare all'interno di un involucro.

A prima vista, ci sono numerosi motivi per utilizzare circuiti stampati flessibili o rigido-flessibili. Tuttavia, i circuiti stampati rigidi standard rappresentano ancora la piattaforma dominante per i circuiti elettronici perché molte applicazioni non beneficiano di un substrato flessibile. Di seguito è riportata una panoramica delle sfide più significative poste dai circuiti stampati flessibili.

Costo

I costi di materiale e produzione dei circuiti stampati flessibili sono superiori a quelli degli onnipresenti circuiti stampati rigidi. Questi costi finiranno per diminuire man mano che i circuiti flessibili diventeranno più popolari. Tuttavia, la difficoltà di creare uno stackup di materiali flessibili e il prezzo del materiale di base manterranno i costi più elevati.

Flessione sotto componenti e tracce

Il più grande vantaggio dei circuiti stampati flessibili può essere anche uno svantaggio. La flessione del materiale sotto un componente rigido può causare uno sforzo significativo sulla saldatura che collega il componente allo strato conduttivo. Gli elementi di rinforzo sono una buona soluzione a questo problema, ma la loro aggiunta aumenta i costi.

La stessa flessione che può sollecitare i giunti di saldatura può anche causare guasti nei circuiti conduttori se il percorso delle tracce non tiene conto della concentrazione delle sollecitazioni. L'uso corretto della simulazione dell'affidabilità elettronica può identificare le aree problematiche in un progetto e aiutare a guidare la progettazione del circuito stampato per evitare guasti dovuti a flessioni eccessive.

Sfide legate alla produzione dei circuiti stampati flessibili

È molto semplice automatizzare la costruzione e il popolamento di un circuito stampato rigido. I circuiti sottili e flessibili sono più difficili da mantenere entro le tolleranze di produzione e automatizzare il posizionamento e la saldatura dei componenti è più difficile.

Problemi di integrità del segnale

L'integrità del segnale è la capacità di un segnale elettrico di attraversare un circuito senza degradazione o distorsione. Il materiale sottile utilizzato nei circuiti stampati flessibili può consentire interferenze elettromagnetiche (EMI) tra un circuito e l'altro. Inoltre, la flessione del substrato può causare cambiamenti nella riflessione del segnale e disadattamenti di impedenza. Queste sfide possono essere superate seguendo buone pratiche di progettazione e un routing adeguato guidato dalla simulazione dell'integrità del segnale.

I circuiti stampati flessibili vengono utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni in cui i vantaggi della tecnologia superano i costi più elevati e un design ottimizzato può evitare difficoltà. 

L'applicazione più comune dei circuiti stampati flessibili è nei dispositivi elettronici per i consumatori, in cui la forma e le dimensioni richiedono che il circuito si conformi alla forma del dispositivo mantenendo le dimensioni quanto più ridotte possibile. Dalle calcolatrici ai telefoni cellulari, i progettisti riescono a bilanciare prestazioni ed estetica attraverso l'uso giudizioso dell'elettronica flessibile.

La sostituzione di costosi cablaggi con un circuito stampato flessibile resistente alle vibrazioni e al calore, che può anche essere inserito in un angolo stretto, rende questa tecnologia ideale per molte applicazioni automobilistiche. Un altro vantaggio per i progettisti di automobili è la possibilità di collegare componenti che non si trovano sullo stesso piano con connettori ad angoli insoliti tra loro. Questi stessi vantaggi spingono gli sviluppatori di sensori industriali a utilizzare anche circuiti stampati flessibili per collegare i componenti in modo efficiente e resistere al calore e alle vibrazioni dei macchinari industriali monitorati dai sensori.

Anche i dispositivi medici, in particolare i dispositivi indossabili, si affidano a circuiti stampati flessibili. Questo è un modo ideale per affrontare i vincoli di peso e dimensione dei dispositivi indossabili e la necessità di adattarsi alla forma organica del corpo umano. Man mano che i dispositivi medici diventano sempre più piccoli e potenti, le aziende sceglieranno circuiti stampati flessibili o rigido-flessibili.

Molteplici tendenze nel settore elettronico stanno determinando una maggiore adozione di circuiti stampati flessibili. La continua spinta verso maggiori capacità in packaging più piccoli allontanerà i progettisti dai circuiti stampati piatti e rigidi per adattare semplicemente i circuiti all'interno dei loro dispositivi. 

I fornitori di tecnologia flessibile stanno lavorando su nuovi materiali per offrire prestazioni migliorate. Una maggiore adozione porterà anche a prezzi più bassi e a una produzione più rapida poiché i produttori implementano processi di produzione migliori e una maggiore automazione. Un numero maggiore di fornitori offrirà la produzione di circuiti stampati flessibili e i produttori a contratto aumenteranno la loro capacità di assemblare circuiti stampati flessibili in dispositivi.

Un'area che favorirà una maggiore adozione è la crescita dei display flessibili e di un'elettronica industriale e di consumo di dimensioni sempre più ridotte. Questa tecnologia richiede l'utilizzo di circuiti flessibili. Allo stesso modo, la spinta verso computer e dispositivi mobili più potenti in custodie sempre più sottili continuerà a far avanzare la tecnologia. Infine, l'elettrificazione delle automobili richiederà circuiti più flessibili in ambienti più ristretti e difficili.

Realizzare questo futuro richiederà agli ingegneri incaricati di sviluppare package con circuiti stampati flessibili e rigido-flessibili di bilanciare caratteristiche spesso contrastanti. Distribuisci la suite di strumenti di simulazione Ansys per esplorare le opzioni di progettazione e raggiungere la progettazione ottimale. Alcuni degli strumenti Ansys più comunemente utilizzati distribuiti per supportare circuiti stampati flessibili sono: 

• Ansys Maxwell®: lo standard di riferimento per la simulazione dell'elettromagnetismo a bassa frequenza. I progettisti di circuiti stampati e gli ingegneri dell'elettronica di consumo utilizzano il software Maxwell per affrontare problemi quali le vibrazioni meccaniche indotte elettromagneticamente e le EMI/EMC accoppiate induttivamente.
• Ansys HFSS™: standard di riferimento per la simulazione dell'elettromagnetismo ad alta frequenza, gli ingegneri utilizzano il software HFSS per sviluppare layout di circuiti e antenne economicamente convenienti e ad alte prestazioni costruiti su circuiti stampati flessibili. 
• Ansys SIwave™: dedicato alla simulazione elettromagnetica del circuito stampato, il software SIwave fornisce agli utenti un modo veloce e potente per importare geometria e modello di integrità del segnale (SI), integrità di potenza (PI), interferenza elettromagnetica (EMI), impedenza e diafonia.  
• Ansys Icepak®: lo standard di settore per la simulazione termica dei circuiti stampati e la progettazione del raffreddamento include i principali solutori multifisici in un'interfaccia utente creata per la simulazione dei circuiti stampati. 
• Ansys Sherlock™: Sherlock consente di importare vari formati di file del circuito stampato flessibile e fornisce molteplici opzioni per pre-elaborare il file per materiale, geometria, informazioni sulla parte, ecc. Uno scenario comune è l'esportazione di un file circuito stampato flessibile modificato dal software Sherlock al software Ansys Mechanical™ per approfondimenti dell'analisi termomeccanica.
• Ansys Mechanical: il software Mechanical, insieme allo strumento Sherlock, fornisce una soluzione solida per analizzare l'affidabilità e gli aspetti termo-meccanici dei circuiti stampati flessibili.

C'è una ragione per cui molti dei progetti di circuiti stampati flessibili più impegnativi sono guidati dalla simulazione Ansys: gli strumenti sono facili da usare, funzionano insieme e forniscono informazioni più utilizzabili. Esplora i collegamenti in questo articolo o contattaci per parlarci delle tue esigenze e difficoltà e i nostri ingegneri ti aiuteranno a trovare la soluzione giusta.

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