Progettare una scheda rigido/flessibile

Alla domanda: “Qual è la principale ragione per la quale un progettista utilizza un formato rigido/flessibile per una scheda Pcb” la prima risposta ovvia è la seguente: sfruttare le doti di flessibilità e consentire il movimento tra due schede Pcb tradizionali, anche se tale movimento si limita a fornire una certa tolleranza alle vibrazioni. I circuiti flessibili che si flettono effettivamente durante il loro normale utilizzo possono essere considerati un caso particolare dei progetti rigido-flessibili: molto spesso lo scopo è fornire un’interconnessione efficace tra due schede che non giacciono sullo stesso piano. In questi casi la sezione flessibile potrebbe essere piegata solamente durante l’assemblaggio finale e restare poi fissa in quella posizione. Sotto questa luce, una soluzione rigido/flessibile può essere considerata alla stregua di una strategia di interconnessione alternativa o una sostituzione dei cavi. Una sezione flessibile, come minimo, sostituisce un cavo e due connettori, un indubbio vantaggio in termini sia di Bill of Material sia di volume che, nel prodotto, sarebbe altrimenti occupato dai connettori. Si tratta di un aspetto importante per i progettisti di prodotti come ad esempio dispositivi indossabili, dove ogni mm3 di volume all’interno del contenitore è occupato e due (o più) schede Pcb devono essere ripiegate sul posto nell’assemblaggio finale. In base alle informazioni raccolte presso i produttori di Pcb, è emerso che quello dei dispositivi indossabili e di altri prodotti portatili per uso personale è uno dei settori che richiede in misura sempre maggiore l’uso della tecnologia rigido/flessibile. Tra gli altri vantaggi legati all’uso di un’interconnessione rigido-flessibile si possono annoverare l’incremento dell’affidabilità (ascrivibile in larga misura alla riduzione del numero di connettori e dei giunti saldati associati) e la possibilità di controllare il percorso del segnale tra i circuiti sulla scheda a entrambe le estremità della sezione flessibile. Oggi, il processo di progettazione risulta più semplice grazie alla disponibilità di software per la progettazione di schede Pcb corredato da funzionalità 3D complete: se si vuole ottimizzare l’utilizzo dello spazio a disposizione è necessario garantire che non vi siano interferenze tra i profili dei componenti. In misura sempre maggiore i software di progettazione sono in grado di modellare anche lo stato di flessione della sezione non rigida al fine di stabilire parametri come ad esempio il raggio di curvatura in modo dinamico, per verificare l’intero percorso del sistema entro il quale si muovono i due elementi rigidi durante l’uso normale.

Una tecnologia matura

La costruzione delle schede rigido/flessibili è una tecnologia matura e le linee guida da seguire per garantire il buon esito del progetto sono chiaramente delineate e ampiamente collaudate. La prima regola per evitare eventuali problemi in un progetto non è legata alla tecnologia o alla geometria ma prevede semplicemente di mantenere un dialogo costante e costruttivo con il produttore della scheda e assicurarsi che le modifiche apportate alle regole o alle modalità di verifica di un progetto siano importate all’interno del package utilizzato per il layout e siano rispettate. Molte delle linee guida da seguire per garantire un esito positivo di un progetto rigido/flessibile derivano dalle proprietà dei materiali utilizzati. Il materiale base per la sezione rigida è tipicamente l’FR4 (o qualche sua variante), un materiale realizzato a partire da strati di tessuto in fibra di vetro che vengono sovrapposti impregnati con un’apposita resina. La sezione flessibile è solitamente un film a base di poliammide (che viene spesso denominato Kapton, il nome dato dalla società DuPont che ne ha registrato il marchio) con un foglio di rame applicato e un coverlay, un film che viene pressato a caldo al posto della maschera di saldatura. A questo punto alcune considerazioni circa l’idoneità delle proprietà dei materiali allo svolgimento dei compiti a cui sono preposti permettono di individuare le sezioni critiche. La connessione tra il rame e il film è una giunzione tra materiali differenti: più stretto è il raggio di curvatura, maggiori saranno le sollecitazioni sui bordi e più elevato il rischio di delaminazione. Sebbene sottili, le piste sono di rame e se il raggio di curvatura è molto piccolo, flessioni ripetute possono portare al rischio di fratture dovute a sollecitazioni. Un’area da tenere in considerazione è anche quella di transizione dalla sezione rigida a quella flessibile: come accade per la terminazione di un cavo, non devono essere imposte forze di flessione nella zona di transizione in quanto possono generare raggi di curvatura molto piccoli su brevi distanze. Ancora una volta, la modellazione dinamica della piegatura in 3D rappresenta un valido aiuto mentre la composizione dello stack-up (in pratica la configurazione) dei diversi strati che compongono la scheda è un elemento fondamentale per garantire l’affidabilità e la producibilità della scheda.

Evitare gli errori

Prestando la dovuta attenzione ad alcuni punti chiave del processo di progettazione è possibile evitare molti errori comuni. Si è già in precedenza accennato al fatto di utilizzare le corrette regole di progetto per la sezione flessibile e cercare di adottare le regole tradizionali per la sezione rigida della scheda. Ad esempio è necessario prevedere un anello di rame più largo attorno a ciascun foro praticato nella sezione flessibile e, di conseguenza, lasciare uno spazio di separazione maggiore tra il foro e il pad (piazzola di rame) e le piste adiacenti. Il film, per sua natura, è sottile e l’effetto di questa flessibilità è aumentare le (inevitabili) tolleranze. Di conseguenza, se il foro praticato non risulta più concentrico con il proprio pad (e lo scarto è piccolo), il foro sarà ancora laminato e la connettività attraverso la via non sarà influenzata, anche se sussiste il rischio che si verifichi il corto circuito di una pista nel caso questa si trovi nelle immediate vicinanze. Minimizzare il numero delle vias nella sezione flessibile è sicuramente un vantaggio: il costo delle vias è più elevato rispetto a quello della sezione rigida (è chiaro in questo caso che il progetto richiede una sezione flessibile a doppia faccia). Questa è un’area dove la configurazione dello stack up che costituisce l’intera scheda Pcb risulta particolarmente critica. Il processo di fabbricazione è in parte di natura sottrattiva: in altre parole ci saranno strati sopra e sotto la sezione flessibile che saranno rimossi selettivamente per consentire il rilascio del segmento flessibile prima del completamento del processo. Lo stack-up deve essere configurato in modo tale da assicurare che lo strato di poliammide sia supportato per qualsiasi foratura. Per comprendere le ragioni di ciò, si provi a immaginare cosa succederebbe se una punta di trapano cercasse di penetrare in un film sottile deformabile. Riportare semplicemente le vias presenti nella sezione flessibile in quella rigida (a questo proposito è utile ricordare che lo strato flessibile corre lungo tutta l’area della scheda Pcb e garantisce la flessibilità solo laddove è esposto) non è sufficiente. Per ragioni legate alla produzione, il passaggio dalla sezione flessibile a quella rigida non avviene nello stesso punto in tutti gli strati, ragion per cui ciascuna di queste vias (possibilmente interna – buried vias) presenti nello strato flessibile deve essere riportato nella sezione rigida prevedendo un margine superiore rispetto a quello che sembrerebbe ovvio. Laddove le piste si congiungono ai pad circolari nel rame del circuito flessibile, si dovrebbero sempre prevedere piazzole a forma di goccia: il passaggio graduale da una geometria lineare a una circolare permette di eliminare un possibile punto di sollecitazione nella giunzione. L’uso del rame sullo strato flessibile (o sugli strati) va aggiunto all’elenco delle “regole speciali”: per capire le ragioni di ciò è sufficiente visualizzare cosa accade quando il segmento flessibile viene chiamato in causa. Un errore molto banale è un eccesso di rame sullo strato flessibile – fogli metallici di grandi dimensioni uniti al poliammide ostacolano la flessione. Nel caso sia richiesto uno strato continuo di rame (ad esempio per realizzare un piano di massa) è necessario prevedere un numero adeguato di poligoni di tipo reticolato (cross-hatching). Per ragioni analoghe le piste devono essere istradate (routed) perpendicolarmente alla linea di flessione. Tutto il rame dovrebbe provenire dal foglio originale: la placcatura su una superficie flessibile tende a produrre metallo cristallino troppo fragile per garantire una lunga durata. Una possibile alternativa alla tradizionale struttura rigido/flessibile consiste nell’irrigidire una parte dello strato flessibile. In questo modo viene delineata una regione dell’assemblaggio che è rigida ma non ospita alcun componente. Questi rinforzi possono fornire un supporto durante l’assemblaggio e vincolare la forma del circuito flessibile o in alternativa rendere disponibile una struttura e uno spessore minimo laddove lo strato flessibile termina con l’inserzione di un connettore Zif (a forza d’inserzione nulla). Anche se tale rinforzi vengono utilizzati per fornire supporto meccanico, è necessario applicare il medesimo insieme di regole viste in precedenza per evitare di creare aree che potrebbero dare origine a problemi.

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