Rigid Flex PCB Design: progettazione e applicazioni dei circuiti stampati rigido flessibili

Introduzione

Rigid Flex PCB Design è l'espressione utilizzata per indicare la progettazione e la creazione dei circuiti stampati Rigid Flex (rigido flessibili). Si tratta di una tecnologia innovativa, senza la quale non sarebbe stato possibile alzare il livello qualitativo dei prodotti elettronici. Grazie all'applicazione ed alla versatilità di questa tecnologia, l'industria ha migliorato le performance e il livello di competitività di un'ampia gamma di dispositivi elettronici. Per progettare e realizzare i PCB Rigid Flex è possibile avvalersi di alcuni software dedicati, tra cui Altium Designer, che offre potenti librerie e tools grafici, che semplificano la progettazione dei circuiti con questa tecnologia.

Perché la tecnologia Rigid Flex risulta conveniente?

La domanda principale è: quali sono i casi in cui conviene ricorrere a questa particolare tecnologia? Uno dei motivi più importanti riguarda il taglio dei costi di produzione. Esso è garantito dall'assenza di tutte le operazioni di assemblaggio che caratterizzano le altre metodologie produttive (l'ancoraggio dei fili elettrici tramite connettori, il cablaggio attraverso flat cable, etc.), ed inoltre, con il PCB Rigid Flex è possibile eseguire il test dell'apparecchiatura una sola volta. La riduzione dei costi risulta allora evidente, soprattutto quando si ha a che fare con le grandi produzioni, come quelle destinate al mercato "consumer", in quanto il Rigid Flex permette di ottimizzare le peculiarità dei dispositivi elettronici, e di conformarlo meglio al design del prodotto. Il PCB Rigid Flex offre un vantaggio anche in termini di affidabilità, poiché garantisce un'elevata tolleranza a urti e vibrazioni. Inoltre, è importante sapere che questa tecnologia limita efficacemente l'errore umano in fase di assemblaggio delle apparecchiature, ma soprattutto comporta un deciso miglioramento in termini di trasmissione del segnale, grazie all'assenza dei cambi di sezione sui conduttori. Ma ciò che più di ogni altra cosa rende irrinunciabile il Rigid flex per il mercato "consumer" è la sua capacità di ridurre lo spazio necessario, grazie all'eliminazione di numerosi componenti aggiuntivi quali cavi e connettori. Ciò comporta anche una riduzione generale del peso e delle dimensioni del dispositivo.

Origini della tecnologia Rigid-Flex

I circuiti rigido-flessibili sono costruzioni ibride costituite da substrati rigidi e flessibili che vengono laminati insieme in un'unica struttura e poi interconnessi elettricamente in sequenza mediante fori passanti placcati. A differenza del multistrato flessibile, l'uso di fori passanti placcati è tipicamente un requisito per i prodotti rigido-flessibili.

Nel corso degli anni, i circuiti rigido-flessibili hanno goduto di un'enorme popolarità tra i progettisti di prodotti militari. In anni più recenti la tecnologia ha fatto breccia nel mondo commerciale. Le schede Rigid-Flex sono spesso considerate un prodotto speciale per applicazioni a basso volume a causa delle sfide della produzione. La Compaq, tuttavia, fece uno sforzo impressionante per utilizzare questa tecnologia nella produzione di schede per computer portatili negli anni '90. Le schede rigido-flessibili sono normalmente multistrato, ma sono possibili anche le costruzioni bifacciali con solo due strati di metallo. Le costruzioni a due strati rigido-flessibili sono state utilizzate in passato nella miniaturizzazione per applicazioni mediche. Di questa tecnologia sono possibili diverse varianti costruttive.

La tecnologia Rigid-Flex non deve essere confusa con la rigido-flesso ("rigidized flex" o "stiffened flex"). Le costruzioni rigido-flesso sono semplicemente circuiti flessibili ai quali viene applicato un indurente per sostenere il peso dei componenti elettronici a livello locale. Un circuito rigido-flesso o irrigidito può avere uno o più strati di conduttori. Sebbene i due termini suonino in maniera simile, essi rappresentano prodotti molto diversi.

I circuiti flessibili non sono una novità nel mondo delle interconnessioni elettroniche. La tecnologia ha una storia sorprendentemente lunga e ricca di applicazioni. I brevetti rilasciati a cavallo del XX secolo dimostrano chiaramente che i primi ricercatori pensavano che i circuiti flessibili, inseriti tra strati di materiale isolante, potessero facilitare la disposizione di alcuni primitivi tipi di circuiti elettrici, nelle prime applicazioni di commutazione telefonica (British Patent No. 4681, 1903). Alcuni ricercatori e scienziati molto famosi di fine secolo, ebbero rivolto il loro pensiero anche a nuovi metodi per la produzione di interconnessioni elettriche. Per esempio, sulla base delle note di uno dei libri di laboratorio (application manual) di Thomas Edison, sembra che egli abbia immaginato il precursore del circuito flessibile. Nel quaderno, Edison rispose a una domanda del suo apprendista, Frank Sprague, su come si potevano mettere i conduttori sui materiali isolanti. Uno dei suggerimenti di Edison era quello di utilizzare modelli di conduttori in polvere di grafite in gomma di cellulosa applicata alla carta di lino. Non ci sono prove che il suggerimento di Edison sia stato messo in pratica, ma l'idea è vicina al concetto dei moderni circuiti a film polimerico spesso, che sono comuni in una vasta gamma di applicazioni.

Circuiti flessibili a film polimerico spesso

I circuiti flessibili a film polimerico spesso (PTF) sono veri e propri circuiti stampati con conduttori stampati su una base a film polimerico. Sono tipicamente strutture a singolo strato conduttore, ma due o più strati metallici possono essere stampati in sequenza con strati isolanti stampati tra gli strati conduttori.

I circuiti PTF sono meno conduttivi ma hanno avuto successo in un'ampia gamma di applicazioni a bassa potenza. Tra queste posso citare applicazioni quali le tastiere, ove, questo approccio tecnologico al circuito flessibile sugli inchiostri conduttivi, è rivolto ad un aggiornamento continuo. In figura potete vedere esempi di costruzioni di circuiti flessibili.

Le applicazioni che richiedono il PCB Rigid Flex

La tecnologia del rigido flessibile è impiegabile in numerose applicazioni che spaziano dai prodotti consumer, caratterizzati da una forte miniaturizzazione, alle apparecchiature altamente tecnologiche, destinate sia al settore professionale che in quello militare. L’elettronica indossabile, o come si dice wearable electronics, come i braccialetti elettronici e gli smart watch; gli smartphone di ultima generazione, ma anche le macchine fotografiche e di ripresa miniaturizzate, sono gli esempi più evidenti che adottano tecnologie di posizionamento dei componenti su substrati rigido flessibili.

In cosa consiste un progetto di PCB Rigid Flex

Cominciamo dal progetto più semplice: una connessione flessibile per un PCB singolo. Siamo di fronte a uno stackup uniforme nel quale i segnali passano tra più collegamenti attraversando un substrato flessibile. Ciò consente di evitare il ricorso ai connettori, che in altre situazioni sarebbero chiamati a collegare fra loro le due estremità del cavo. Con il Rigid Flex, invece, è possibile usare un semplice "flat" per cablare due schede di una apparecchiatura, ad esempio per una calcolatrice: una tastiera con un display. Al secondo livello di difficoltà troviamo il circuito rigido flessibile, quello più usato in assoluto. In questo caso è presente un solo PCB, formato da diverse schede rigide e più substrati flessibili dotati di diversi stackup collegati tra loro. Ciò significa che il circuito può ospitare schede differenti caratterizzate da una diversa struttura di strati, interconnesse tra loro da una connessione "flat", eventualmente dotata di più layer. Infine, il Rigid Flex avanzato, che è formato da un mix di substrati flessibili e schede rigide con diversi stackup, interconnessi tra loro. Quest'ultima tipologia prevede componenti posizionati direttamente sul substrato flessibile. Anche questo viene prodotto su un singolo pannello. In questo caso, la problematica relativa all'assemblaggio è evidente, soprattutto durante la fase di applicazione dei vari componenti allo strato flessibile. Il sistema più complesso in assoluto è quello rigido o flessibile basato su un piano di interconnessione comune suddiviso in più PCB. Ciò vuol dire che è possibile avere 2, 3 o 4 progetti di schede, interconnesse fra loro tramite parti flessibili. Questi progetti possono essere prodotti su un unico pannello o su pannelli diversi.

Sono disponibili diversi stackup standard per i circuiti flex e rigido-flessibili, che vengono denominati “Types”. I Types sono definiti nelle norme: IPC 6013B – che danno le specifiche di qualificazione e prestazione per le schede PCB Rigid Flex; MIL-P-50884E – che sono specifiche militari che definiscono la scheda di cablaggio stampata, flessibile o rigido-flessibile. Per queste ultime è possibile riferirsi al seguente link: http://everyspec.com/MIL-SPECS/MIL-SPECS-MIL-P/MIL-P-50884E_12785/. I vari types, possono essere riassunti in quelli di seguito riportati.

Type 1 - Singolo strato

Cablaggio flessibile su un solo lato contenente uno strato conduttivo e uno o due strati di copertura esterna in poliammide.

I fori di accesso ai conduttori possono essere su uno o entrambi i lati. Non è prevista nessuna placcatura nei fori dei componenti. Possono essere utilizzati componenti, supporti, spine e connettori. Adatto per applicazioni dove è richiesta o è presente, una flessione statica e dinamica.

Type 2 - Doppio strato

Cablaggio stampato flessibile bifaccia contenente due strati conduttivi con fori passanti placcati, con o senza rinforzi.

Gli strati esterni possono avere coperture o piazzole a vista. I fori passanti placcati forniscono il collegamento tra gli strati. I fori di accesso o le piazzole senza coperture, possono essere situate su entrambi i lati. I vias possono essere coperti su entrambi i lati. Si possono utilizzare componenti, supporti, spine e connettori. Anche questo tipo, è adatto per applicazioni dove è richiesta o è presente, una flessione statica e dinamica.

Type 3 - Multistrato

Cablaggio flessibile multistrato stampato contenente tre o più strati conduttivi con fori passanti placcati, con o senza rinforzi.

Questo Type è composto da tre o più strati conduttivi flessibili, con strati isolanti altrettanto flessibili tra ciascuno di essi; gli strati esterni possono avere coperture o pads esposti. I fori passanti, placcati, forniscono il collegamento tra i vari strati. I fori di accesso o i pads esposti senza coperture, possono essere su uno o entrambi i lati. I vias possono essere ciechi o sepolti nel substrato. Si possono utilizzare componenti, irrigidimenti della struttura localizzata, pins e connettori. Questa tipologia di Types vengono impiegati per applicazioni in cui è richiesta una resistenza alla flessione statica.

Type 4 - Multistrato rigido-flessibile

Sono composti da combinazioni di materiali multistrato rigidi e flessibili (Rigid-Flex) contenenti tre o più strati conduttivi con fori passanti placcati. Il Rigid-flex ha conduttori sugli strati rigidi, il che lo differenzia dai circuiti multistrato con rinforzi.

Sono presenti come isolanti tra ciascuno di essi, due o più strati conduttivi con materiale isolante rigido o flessibile; gli strati esterni possono avere coperture o cuscinetti esposti.

I fori passanti placcati si estendono sia attraverso gli strati rigidi che attraverso gli strati flessibili (a parte i vias ciechi e quelli sepolti). I fori di accesso o i tamponi esposti senza coperture, possono essere su entrambi i lati. I vias o le interconnessioni possono essere completamente coperti per ottenere il massimo isolamento.

Questa tipologia di Type, vengono utilizzati nell’assiemaggio di componenti, irrigidimenti, connettori, dissipatori di calore e staffe di montaggio.

Il routing nella tecnologia Rigid Flex

Ciascun progetto rigido flessibile deve rispondere a determinati requisiti per il routing (la sbrogliatura del PCB). In tal modo, è possibile ottenere risultati nettamente migliori. Ecco alcuni consigli preziosi.

• Usare forature per terminare possibili split nelle parti flessibili, in modo da prevenire strappi durante la piegatura.
• Quando è possibile, evitare gli angoli sulle tracce nella zona di flessione.
• È necessario conservare un offset fra tracce bottom e top con il routing su due strati, in modo da prevenire l'effetto I-Beam, originato dalla sovrapposizione di due tracce relative a strati differenti.

• Quando possibile, è bene prevedere conduttori di dimensioni maggiori sulla parte esterna, in prossimità del contorno di flessione.
• Ciascun conduttore deve avere una distribuzione uniforme.
• Nell'area di piegatura non deve esserci alcun contatto tra schede flessibili diverse.
• Ciascun percorso deve essere perpendicolare alla linea di piegatura.

Ma può anche accadere che il routing riguarda un'area flessibile. I software professionali, come Altium Designer, mettono a disposizione tutte le funzioni standard per un routing interattivo, adattandole a qualsiasi tipo di zona. Tra queste posso citare funzioni come: lo sketch Routing, l’auto router, il multi Plow e il all angle Plow. È possibile anche generare il teardrop in automatico, al fine di ottenere una transazione più uniforme tra pad e pista, nonché un aumento dell'affidabilità nell'area di piegatura. Ciò può rivelarsi utile soprattutto per i fori ciechi, passanti e sepolti, per gli SMD e i pin con foro passante, per la riduzione dello spazio nella sezione delle tracce e per la giunzione a "T" sulle tracce.

Esportazione dati

Un punto critico di ciascun progetto riguarda la modalità di esportazione dati verso altri tool, in vista della fabbricazione. Con Altium Designer è possibile generare dati nello standard più evoluto, l'ODB++. Ciò vuol dire che una volta caricato il progetto su un sistema in grado di leggere il formato ODB++, il sistema stesso riesce a distinguere tra zone flessibili e rigide. È possibile ricorrere anche ad opportuni Explorer, che permettono di identificare velocemente tutte le problematiche comuni che affliggono i circuiti Flex, tra cui le tracce non perfettamente perpendicolari al bend line, i componenti troppo vicini all'area di bend, i via accostati ai coverlayer o ai bend, l'assenza di teardrop e così via. Inoltre, è possibile ricorrere al supporto per la Flex Analysis, consentendo la modifica e l'importazione di stackup multipli, la modellazione delle tracce su piani retinati e le sezioni trasversali dedicate per ciascuna scheda.

La progettazione 3D

Ultimato il progetto, è possibile trasferirlo in un ambiente 3D foto-realistico, allo scopo di identificare la posizione corretta delle piegature e, eventualmente, modificarla. Considerata la necessità di una collaborazione efficace tra progetto meccanico e progetto elettronico (soprattutto in presenza di piani particolarmente complessi come quelli che necessitano del ricorso al Rigid Flex), la maggior parte dei software dedicati consente di esportare sia la parte meccanica che quella elettronica nel formato "Step". Qualora dovesse risultare necessaria la collaborazione incrementale, sarà possibile utilizzare il "ProSTEP" e il formato IDX, che possiede la medesima struttura dell'IDF con la differenza che è incrementale.

La terminologia specifica del Rigid Flex

Nonostante le tecnologie impiegate siano le stesse del PCB, il Rigid Flex vede l'uso di alcuni termini ricorrenti. 

• Stiffener: si tratta di un ulteriore strato usato per rinforzare l'area flessibile destinata ad ospitare i componenti e serve ad assorbire le sollecitazioni meccaniche.
• Adesivo: è un layer impiegato per fissare il rame sullo strato sottostante.
• Coverlay: si tratta di uno strato ulteriore, realizzato con un materiale flessibile in grado di isolare e proteggere i circuiti dalle parti esterne. Inoltre, fissa i circuiti flessibili in rame, limitandone il sollevamento.

Quali sono i principali svantaggi del Rigid Flex?

Purtroppo, anche una tecnologia preziosa ed evoluta come questa presenta determinati svantaggi, quali:

• una più complessa gestione della proprietà intellettuale (Intellectual Property) del progetto completo;
• la necessità di una collaborazione efficace tra i diversi team impegnati nel progetto;
• la necessità di ottimizzare qualità e affidabilità del progetto, determinata da una maggior combinazione di schede con caratteristiche diverse;
• un marcato aumento delle difficoltà in fase di gestione del sistema;

Oltre a quelle appena elencate, esistono anche problematiche di tipo produttivo, tra cui:

• una maggior sensibilità ai graffi (a risentirne sono soprattutto le parti flessibili);
• materiali più costosi;
• maggiori costi di produzione.

Riferimenti bibliografici e web:

• Flexible Circuit Technology Fourth Edition; autore Joseph Fjelstad; novembre 2011.
• NormeMIL-P-50884E: http://everyspec.com/MIL-SPECS/MIL-SPECS-MIL-P/MIL-P-50884E_12785/
• PCB Rigid Flex design: https://www.altium.com/documentation/altium-designer/rigid-flex-design-ad?version=18.1