La tecnologia dei circuiti flessibili è in continuo sviluppo, destinata meglio di altre a soddisfare le prestazioni richieste dalle dimensioni sempre più piccole di molti dispositivi. L’alta densità di connessioni che offrono questi circuiti si coniuga col considerevole risparmio di peso e di spazio, offrendo al contempo elevata affidabilità
Da anni l’impiego dei circuiti flessibili semplifica la progettazione dei dispositivi e consente di risolvere diversi problemi di packaging e di interconnessione. In molte applicazioni si riducono gli ingombri e si diminuisce il peso dei dispositivi, aggiungendo spazio al miglioramento del design, rendendo il prodotto più accattivante.
Il circuito flessibile è raggruppabile in tre famiglie, in accordo a quante volte può essere flesso durante il suo ciclo di vita. I circuiti bend and stay sopportano poche flessioni e generalmente solo durante la fase del loro assemblaggio. I flexible circuit sono soggetti ad alcune centinaia di flessioni durante il loro arco di vita. I dynamic flex sottostanno da diverse migliaia a milioni di flessioni.
Per ognuna di queste famiglie ci sono diversi criteri progettuali a cui attenersi al fine che sia garantita l’affidabilità sul lungo periodo.
I materiali di base sono usualmente poliestere (PET), polietilene (PEN) e poliimmide (PI), caratterizzati da un ottimo isolamento elettrico e da una buona resistenza alla temperatura. Le tracce conduttive interne sono usualmente in rame, in casi particolari sono realizzate con inchiostro a base d’argento o carbonio.
Il circuito flessibile è realizzato in diverse configurazioni: single side con le piazzole dedicate al piazzamento dei componenti su di un solo lato e dual side che si presenta costruttivamente come il precedente, ma con piazzole su ambo i lati collegati con dei fori di via metallizzati. Nei multilayer sono impilati diversi single side o dual side, uniti da un film adesivo; anche in questo caso i fori di via metallizzati provvedono alle necessarie interconnessioni. In alcune applicazioni multistrato è variata la lunghezza dei conduttori metallici esterni per facilitare la flessione ed evitare che abbiano a subire uno stiramento.
In molte applicazioni i circuiti flessibili hanno sostituito i cablaggi con un importante risparmio economico.
Tecnologia costruttiva di supporti flex e semi-flex
Una serie di elementi di base costituisco il circuito flessibile: un film dielettrico costituisce il substrato di base sul quale sono posate le tracce in rame di conduzione rivestite da un cover layer protettivo; le varie componenti sono legate tra loro con adesivi.
Nell’insieme formano il laminato flessibile, da usare come gruppo di cablaggio o per dar vita a un autonomo circuito finale complesso. Gli adesivi, nel caso di un multistrato, incollano tra loro i singoli strati.
Il circuito flessibile più comune è a singola faccia. L’accesso alle terminazioni avviene da un solo lato. Le tracce conduttive sono realizzate col classico metal foil in rame, o più raramente con inchiostro polimerico per film spesso (thick-film), caricato con particelle di carbonio o di argento, stampato con tecnica serigrafica direttamente sul substrato.
I circuiti a doppia faccia consentono il posizionamento dei componenti su entrambi i lati. La progettazione deve essere accurata in quanto richiede una elevata precisione di fabbricazione. Spesso è infatti richiesta la presenza di fori di via, questa operazione può avvenire mediante foratura laser. I fori di via sono trattati per essere riempiti di materiale conduttivo.
Tra i materiali di base per realizzare il substrato, il poliimide è quello che meglio si presta per le sue caratteristiche di ottima resistenza alla trazione e alla flessione. Ha un basso coefficiente di espansione termica, una buona stabilità dimensionale e un’ottima predisposizione ad essere saldato. Il poliimide è un polimero termoindurente, non infiammabile e resiste all’alta temperatura; di contro è l’igroscopico.
I circuiti semi-flex
La soluzione tecnologica alternativa ai più tradizionali PCB rigido-flessibili è data dai circuiti stampati semi-flex. Caratterizzati da un’elevata affidabilità d’interconnessione, sono utilizzabili in varie applicazioni statiche per la giunzione di uno o più PCB.
I sistemi elettronici di ultima generazione sono caratterizzati da elevata funzionalità e costruzione compatta; la quantità di spazio che i progettisti hanno a disposizione per le funzioni elettroniche è sempre limitata e quindi deve essere sfruttata nel miglior modo possibile. Per questi motivi i circuiti stampati sono progettati spesso con tecnologia multistrato accompagnata da un'alta densità di interconnessione.
È frequente il caso in cui i dispositivi siano dotati di più PCB da interconnettere tra loro per dar vita a un modulo compatto, a cui si aggiunge la necessità di comunicazione verso elementi periferici quali sensori, comandi e display.
Fino a non molti anni fa queste funzioni erano svolte dai cavi tradizionali, da flat cable, plug-in e solo nei dispositivi più evoluti dalle soluzioni rigido-flessibili.
I PCB che devono essere assemblati in spazi limitati usufruiscono di un grande vantaggio dall’utilizzo delle tecnologie rigido-flessibili o semi-flessibili.
In particolare, la tecnologia semi-flex consente l'interconnessione integrata tra più schede rigide e aiuta a ridurre il numero dei giunti di saldatura, dei cavetti e delle connessioni plug-in, migliorando non solo la qualità del dispositivo finale, ma soprattutto la sua affidabilità. Per questo motivo le nuove soluzioni semi-flex vanno saldamente consolidandosi in molti settori, sostituendo la ben più costosa tecnologia rigido-flessibile e la quasi anacronistica interconnessione via cavo.
Le caratteristiche e le prestazioni del semi-flex
La soluzione semi-flex nasce in alternativa alla tecnologia rigido-flex per applicazioni non-dinamiche, ed è molto più economica. In molti dispositivi le aree flessibili vengono piegate solo poche volte durante l'assemblaggio, generalmente in rifinitura o per l’inserimento nell’housing. Quindi non è necessario utilizzare materiale propriamente flessibile. Per queste modalità di utilizzo è possibile ricorrere al semi-flex.
I substrati semi-flex sono realizzati con gli stessi materiali di base convenzionali utilizzati nella fabbricazione dei PCB doppia faccia e multistrato, tipicamente FR-4. La sostanziale differenza sta nella realizzazione dei conduttori superficiali di rame che anziché essere elettro-depositato viene laminato, caratteristica che lo rende estensibile evitando problemi di interruzioni circuitali.
Il processo di produzione prevede l’utilizzo di layer di FR-4, per la giunzione di due o più PCB. Per motivi tecnici i PCB semi-flex sono soggetti ad alcune restrizioni; ad esempio, sono consentiti limitati cicli di piegatura e il limite minimo del raggio di curvatura è dato a 3 mm (fonte Isola). Lo spessore delle piste conduttrici deve essere di 300 µm.
Circa il 90% del mercato che in generale necessita circuiti flessibili viene servito utilizzando i materiali in poliimide.
Sebbene la maggior parte delle applicazioni flessibili, semi-flessibili e rigido-flessibili siano progettate utilizzando poliimide, ci sono varie ragioni per cui l'industria elettronica è alla ricerca di alternative:
- Molti progetti che utilizzando poliimide per la parte flessibile in realtà non necessitano delle prestazioni dinamiche.
- In alcuni casi la tendenza ad assorbire l’umidità di poliimide potrebbe generare problemi, richiedendo ulteriori processi per stabilizzarne il comportamento prima dell’assemblaggio e della saldatura.
- La reperibilità del materiale non è semplice; il costo dei materiali e dei processi per la fabbricazione rigido-flex è piuttosto alto.
Le alternative al substrato in poliimide devono essere sufficientemente flessibili per essere utilizzate in applicazioni bendable (pieghevoli, non dinamiche). In pratica è stato dimostrato che si può utilizzare un PCB tradizionale sui cui ricavare due circuiti agli estremi opposti utilizzando la parte centrale, opportunamente lavorata, per ricavare le tracce di collegamento. I circuiti semi-flex sono realizzati col prepreg standard e con una sola lavorazione supplementare rispetto alla fabbricazione dei normali PCB; l’operazione consiste nella fresatura dell’area dove è richiesta la flessibilità, per asportare il materiale che ne limita la capacità di flessione.
Fresando opportunamente la parte sottostante le tracce si alleggerisce la porzione di PCB che deve garantire la flessibilità necessaria per poter ripiegare a sandwich i due circuiti posti agli estremi, seppur nei limiti concessi dalla tecnologia:
- limitato numero di flessioni;
- raggio di curvatura ≥ 3 mm;
- l’area flessibile è monofaccia.
I benefici e i vantaggi della tecnologia semi-flex sono decisamente interessanti:
- qualità, ripetibilità e stabilità delle interconnessioni senza morsetti, connettori o cavi;
- perfetta testabilità;
- migliore integrità del segnale;
- ideale per connessioni multiple in spazi limitati;
- materiali e processi low cost;
- PCB monofaccia e multistrato.
Questa tecnologia è impiegabile su un ampio spettro di substrati di tipo FR-4, inclusi quelli ad alto valore di Tg e con spessori che vanno da 75 µm a 100 µm. Lo spessore delle tracce di rame può variare da 18 µm a 35 µm consentendo comunque un angolo di piegatura pari a 180° con un raggio di 3-5 mm. Un ulteriore vantaggio è dato dal fatto che il materiale di base è già a norma UL.
