Circuiti Stampati Flessibili: l’evoluzione tecnologica dei PCB per i dispositivi elettronici

In questo articolo analizzeremo i Circuiti Stampati Flessibili. Questa tipologia di circuiti rappresenta non solo un importante oggetto di ricerca e innovazione nel mondo dell’elettronica, ma anche una spinta propulsiva per la rivoluzione dei dispositivi elettronici. L'avvento della tecnologia dei Circuiti Flessibili e Rigidi-Flessibili ha rivoluzionato molti aspetti della moderna progettazione elettronica. I Circuiti Stampati Flessibili o Circuiti Flessibili (FPC) si riferiscono a circuiti elettronici montati su substrati flessibili costituiti da specifici materiali, quali film di poliestere conduttivo trasparente o poliammide. Promuovendo l'evoluzione della tecnologia elettronica, i Circuiti Flessibili hanno consentito a molti prodotti elettronici di diventare più piccoli, più  intelligenti ed economici grazie a interconnessioni sempre più semplici e veloci.  

Introduzione ai Circuiti Stampati Flessibili

Uno dei principali vantaggi dei Circuiti Stampati Flessibili rispetto ai circuiti  stampati rigidi convenzionali è che possono essere progettati per assumere una forma particolare al momento della produzione, consentendo la flessione al  momento del loro utilizzo nei prodotti e nelle applicazioni finali. Nel mezzo della crisi COVID-19, si prevede che il mercato globale dei circuiti stampati flessibili stimato di oltre 11 miliardi di dollari nel 2020, raggiungerà una dimensione di  circa 20 miliardi di dollari entro il 2026. Spinta dalla crescente complessità dei  sistemi e dei package integrati, nonché dagli ulteriori sviluppi che hanno avuto luogo nel campo delle scienze e delle tecnologie applicate, in particolare nell'area medica, è cresciuta la domanda di substrati flessibili e supporti per circuiti elettrici ed elettronici. Per tenere il passo con questi sviluppi, alcune delle più lungimiranti aziende hanno lavorato al fine di migliorare continuamente la capacità di produzione di questo tipo di substrati. Spinte dalle richieste dei clienti e dalle continue innovazioni tecnologiche, queste aziende hanno migliorato e ampliato il loro portfolio tecnologico produttivo al di sopra di ogni previsione. I PCB flessibili sono stati inizialmente progettati in sostituzione dei tradizionali cablaggi con conduttori. Sin dalle prime applicazioni negli anni ‘40 ad oggi, lo sviluppo e l'espansione dei Circuiti Stampati Flessibili procedono  in modo esponenziale. Esistono molti tipi diversi di Circuiti Flessibili, inclusi uno strato metallico, circuiti a doppia faccia, multistrato e rigidi-flessibili. I circuiti possono essere formati incidendo il rivestimento di lamine metalliche (normalmente di rame) da basi polimeriche, placcando il metallo o stampando inchiostri conduttivi. I Circuiti Flessibili possono avere o meno componenti collegati. Quando i componenti sono collegati, sono considerati da alcuni nell'industria come assemblaggi elettronici flessibili. I PCB flessibili sono realizzati con materiali che possono flettersi e muoversi come la plastica, possono essere piegati o attorcigliati senza danneggiare i circuiti, il che significa che le schede possono essere piegate liberamente per conformarsi alla forma desiderata durante le applicazioni. Il materiale del substrato utilizzato nel processo di fabbricazione è quindi altamente flessibile. Un tipico materiale utilizzato nella fabbricazione dei PCB flessibili è la poliammide. In Figura 1 viene mostrato un esempio di modellabilità di un circuito flessibile.

Figura 1: Esempio applicativo di circuito flessibile (Fonte: https://www.pcbgogo.com/flexible-pcb.html)

I PCB flessibili sono disponibili in formati singolo, doppio o multistrato, rigido-flessibile e piatto-flessibile. Se volessimo invece creare un termine di paragone, gli FPC sono molto più costosi dei PCB rigidi ma, al contempo, hanno molti  vantaggi in termini di prestazioni quali:

  • risparmio di spazio 
  • riduzione del peso 
  • alta affidabilità
  • adattabilità a diversi settori e contesti applicativi 

Nel paragrafo seguente verranno analizzate e confrontate nel dettaglio le caratteristiche funzionali dei vari tipi di circuiti stampati.

Circuiti Stampati Flessibili (FPC) e PCB rigidi: cosa li rende diversi

Rispetto ai circuiti rigidi, i substrati flessibili possono sopportare una certa flessione della forma e allungamento ΔL. Gli strati dielettrici negli FPC sono tipicamente fogli omologhi di materiale poliammidico flessibile, mentre i materiali dielettrici nei PCB rigidi sono solitamente composti di tessuto epossidico e fibra di vetro. Inoltre, su entrambi i lati di un PCB rigido è previsto uno strato di maschera di saldatura; questa presenta spazi vuoti e i pad SMT o i fori PTH sono esposti per consentire l'assemblaggio dei componenti. Negli FPC, invece, di solito si usa un rivestimento di copertura in sostituzione della maschera di saldatura. Il rivestimento di copertura è un sottile materiale in poliammide che può essere forato o tagliato al laser per accedere ai componenti. In Figura  2 è riportato un esempio di FPC in cui si può osservare l’applicazione della maschera di saldatura per l’accesso dei componenti.

Figura 2: Maschera di saldatura di un FPC (Fonte: https://www.pcbgogo.com/flexible-pcb.html)

Riguardo il processo di fabbricazione, la maggior parte delle fasi di produzione degli FPC e PCB rigidi sono molto simili. Tuttavia, gli FPC necessitano di alcune attrezzature supplementari per tenerli in una posizione fissa durante le varie fasi del processo produttivo, a causa della loro flessibilità.

Materiali per la fabbricazione dei Circuiti Stampati Flessibili

Analizziamo ora quali sono i materiali che caratterizzano i Circuiti Stampati Flessibili. I Circuiti Stampati Flessibili sono costruiti utilizzando materiali con specifiche proprietà che li rendono impermeabili, antiurto, resistenti alla corrosione e resistenti alle alte temperature. Esistono una varietà di substrati flessibili ed estensibili disponibili sul mercato, tutti hanno la capacità di  piegarsi o flettersi senza rompersi né risentire in alcun modo delle sollecitazioni meccaniche. I substrati estensibili hanno una gamma di movimento più ampia e sono in grado di sopportare elevate sollecitazioni meccaniche pur rimanendo elastici. Il loro comportamento è quindi prettamente elastico, ovvero, quando sono soggetti a carichi e sollecitazioni, mostrano un comportamento reversibile, tornando alla loro forma originaria. Nella regione  elastica i materiali estensibili possono sopportare grandi deformazioni sotto carico e recuperare la forma originaria quando il carico viene rimosso. Per regione elastica si intende la porzione di curva Sforzo-Deformazione, nella quale le deformazioni sono reversibili. Riguardo al comportamento meccanico, la  scienza e la tecnologia dei materiali forniscono gli strumenti per analizzare il comportamento dei materiali e le proprietà meccaniche associate. Facendo ricorso alle curve Sforzo-Deformazione possiamo studiare il comportamento meccanico dei materiali e, quindi, anche dei polimeri, oltre che estrarre determinate informazioni. Nel campo delle deformazioni elastiche ϵel (al di sotto quindi del  limite elastico) vale una relazione nota come Legge di Hooke:

(1) σ=Eε

dove:

σ: sollecitazione (N/mm2)

E: modulo di Young o modulo elastico (MPa)

ε: deformazione elastica (mm/mm)

Il modulo elastico misura il grado di rigidità del polimero e graficamente corrisponde alla pendenza del tratto iniziale della curva Sforzo-Deformazione o Stress-Strain (σ-ε). Si veda a tal proposito la Figura 3. Dal punto di vista  analitico, invece, il modulo di Young è il rapporto tra lo stress applicato σ, ovvero la forza applicata per unità di area, e la deformazione ε.

Lo sforzo è definito dalla formula:

(2) σ=F/A

La legge di Hooke può quindi essere scritta anche come:

(3) E=σ/ε

I valori del modulo E cambiano significativamente a seconda del materiale utilizzato, ad esempio le materie plastiche hanno valori di E molto bassi, che crescono nei metalli fino ai materiali ceramici, proporzionalmente alla rigidità. Altre proprietà meccaniche individuabili dalla curva σ-ε sono il carico di snervamento, che rappresenta il valore di stress con il quale inizia la deformazione plastica, ovvero la deformazione irreversibile. Il carico di rottura invece rappresenta il valore limite del carico prima della rottura.

Figura 3: Curva Sollecitazione-Deformazione (σ-ε)

Tra le caratteristiche necessarie per qualsiasi materiale da utilizzare come substrato, le risposte allo stress e/o deformazione possono essere adattate con precisione alle proprietà non lineari dei tessuti biologici che non devono essere né troppo rigidi, né troppo spessi, né troppo pesanti ma devono avere un contatto conforme, un'intima integrazione e un'adeguata adesione con la pelle naturale. Per ciò che concerne i materiali per la fabbricazione degli FCP, la poliammide è uno dei materiali che è adatto come substrato per circuiti flessibili. È un tipo di polimero dotato di una buona resistenza chimica e meccanica ed è termicamente stabile anche fino a 400°C. Solitamente, le poliammidi  sono disponibili sia come fogli semi-polimerizzati sia come soluzione che può essere rivestita per rotazione. Una delle caratteristiche speciali della poliammide è che molte proprietà dei film come il coefficiente di espansione termica, il  modulo di Young (o modulo elastico) e la costante dielettrica, possono essere regolate o personalizzate durante il processo di sintesi polimerica.

Applicazioni e prestazioni degli FPC: stato dell’arte e prospettive future

Grazie alla notevole flessibilità, gli FPC sono spesso utilizzati come connettori in varie applicazioni, consentendo anche di prolungare la durata dei circuiti integrati e risparmiare molto spazio. Le applicazioni dei Circuiti Stampati Flessibili FPC possono coprire vari campi che spaziano dai telefoni cellulari alle apparecchiature mediche in cui si richiedono molte interconnessioni in un package compatto, sino a computer e televisori. L’elevata affidabilità ed eccellente dissipazione del calore degli FPC rispetto ai PCB rigidi ne consente, infatti, l’applicazione in molti dispositivi elettronici integrati in  computer, televisori, stampanti e sistemi di svago, dove la dissipazione del calore è sempre un fattore critico per la progettazione. La durata e l’affidabilità  dei Circuiti Flessibili li rendono ideali anche in settori ad alta professionalità come l’avionica. L’assenza di connettori meccanici nelle applicazioni con FPC migliora notevolmente la durata dei circuiti flessibili in ambienti anche critici. Inoltre, i PCB flessibili possono essere utilizzati anche in aree ad alto rischio ambientale. Possono, ad esempio, essere utilizzati nei satelliti, in cui il peso ed il volume sono le principali limitazioni per i progettisti. Inoltre, le strisce LED, l'elettronica di consumo, l’automotive e molte altre applicazioni ad alta densità favoriscono l’impiego delle schede flessibili per ridurne le dimensioni e il peso. In Figura 4 sono mostrati alcuni FPC di varie dimensioni.

Figura 4: FPC di varie dimensioni (Fonte: https://www.pcbgogo.com/flexible-pcb.html)

Grazie all’elevata resistenza ed alla grande mobilità, gli FPC si possono avvolgere agevolmente senza rompersi o danneggiarsi, il che li rende molto adatti nelle applicazioni all’aperto, nelle attrezzature sportive e nell'elettronica  indossabile (wearable). I fornitori di componenti per l’elettronica si affidano a soluzioni di Circuiti Flessibili per una gamma di applicazioni che devono elaborare segnali elettronici critici, funzionare perfettamente in ambienti estremi, gestire la distribuzione di calore ed energia, ridurre gli incidenti automobilistici e realizzare tutto questo tramite un design miniaturizzato. L'ampia gamma di tecnologie abilitate da progetti di Circuiti Flessibili personalizzati e opzioni avanzate di materiali per Circuiti Flessibili ha alimentato i progressi nei prodotti e nei programmi automobilistici, sanitari, di consumo, industriali e militari/aerospaziali. I progressi dei Circuiti Flessibili forniscono un'analisi critica a scansione rapida, una maggiore dinamica del movimento della macchina e risoluzioni delle immagini a variazione graduale. La misurazione del petrolio e del gas si basa su Circuiti Flessibili per misurare ed elaborare le informazioni estratte a migliaia di metri sotto la superficie terrestre. Le telecamere in miniatura guidate da Circuiti Flessibili ultrasottili inghiottite dai pazienti consentono ai medici di ridurre i costi diagnostici fornendo immagini gastrointestinali in tempo reale. Inoltre, la tecnologia all'avanguardia dei PCB flessibili consente ai medici di diagnosticare rapidamente un ictus in fase iniziale e altri eventi critici per la salute tramite la risonanza magnetica. La Figura 5 mostra la macchina MRI.

Figura 5: Macchina MRI

Le unità di manutenzione del motore e i sistemi di frenatura antibloccaggio dei veicoli utilizzano circuiti in poliammide per ridurre il peso e i costi rispetto ai cablaggi tradizionali, resistendo agli ambienti più critici. I circuiti stampati rigidi- flessibili sono prodotti con più strati e in schemi circuitali fino a 0,001 pollici di spaziatura, conducendo al miglioramento di molti aspetti tecnici e di fruibilità degli aerei, delle navi e dei satelliti militari di prossima generazione. Gli smartphone utilizzano antenne 3D e driver ottici avanzati per fornire video nitidi e allo stesso tempo dissipare il calore. Nuove tecniche di fabbricazione e materiali per Circuiti Flessibili come conduttori di rame ultrasottili (spessori inferiori a 5 micron) e dielettrici ad alta velocità ed a basso assorbimento di umidità (come i polimeri a cristalli liquidi) consentono una nuova generazione di opzioni di progettazione. I riscaldatori e i componenti per la gestione termica presentano opportunità uniche per i Circuiti Flessibili in grado di fornire un riscaldamento preciso tramite circuiti che utilizzano tracce metalliche non di rame come cupro-nichel. Sono in fase di sperimentazione nuove tecnologie per gli sbrinatori delle ali degli aerei che utilizzano materiali flessibili per riscaldare e rilasciare rapidamente il ghiaccio e prevenire l'accumulo in volo.

La tecnologia può far risparmiare sulle costose procedure di sbrinamento dei liquidi e migliorare la sicurezza delle compagnie aeree. Altre possibili applicazioni dei Circuiti Stampati Flessibili includono camere di incubazione neonatali ospedaliere che richiedono un controllo uniforme e coerente della temperatura, supporto per sale operatorie e attrezzature, riscaldamento satellitare per le applicazioni nello spazio profondo in ambienti a bassa potenza, elettronica militare per sistemi di visione, e riscaldamento e raffreddamento di sedili per autoveicoli. All'orizzonte ci sono tecnologie che potrebbero fare il prossimo passo in avanti nell'analisi della salute e delle prestazioni umane. Sono in fase di sviluppo Circuiti Flessibili per sensori, display e dispositivi di comunicazioni biomediche. Tali progressi potrebbero consentire la trasmissione di segnali vitali in tempo reale a medici e ospedali per pazienti ad alto rischio, fornire ai primi soccorritori un rapido feedback in situazioni di emergenza e dotare piloti e soldati di strumenti informativi di nuova generazione. La ricerca attuale sta studiando diverse tecniche di fabbricazione all’avanguardia, che consentono ai circuiti di essere  sempre più flessibili adattandosi ai vari contesti. Tuttavia, i circuiti integrati ed i circuiti stampati rigidi continueranno a essere il tipo più popolare di circuiti poiché sono così economici da produrne in grandi quantità, e questo è  fondamentale soprattutto nelle grandi economie di scala. I dispositivi elettronici tradizionali utilizzano spesso substrati rigidi a causa della loro affidabilità e capacità di resistere a flessione e impatto. La possibilità di progettare Circuiti  Flessibili FPC piccoli e leggeri rispetto ai PCB rigidi, permette agli FPC di sostituire circuiti ingombranti in svariate applicazioni. Tuttavia, i PCB flessibili, pur avendo così tanti vantaggi unici in varie applicazioni, non possono  ancora sostituire del tutto i PCB rigidi.

Circuiti Stampati Flessibili per dispositivi Smart Indossabili (Wearable)

L'elettronica su substrati flessibili ha ricevuto molta attenzione negli ultimi tempi, a causa dell’incremento della domanda di dispositivi indossabili nel settore  consumer. A ciò si aggiunge anche la diffusione delle tecniche di fabbricazione  come l'uso di inchiostri conduttivi nei processi di produzione roll-to-roll e l'integrazione di fibre conduttive nei tessuti intelligenti. Gli ingegneri e i progettisti di tutto il mondo hanno da tempo immaginato la possibilità di realizzare circuiti fluidi e conformi al corpo umano in alternativa a chip e schede rigide. I Circuiti Flessibili possono abilitare molte funzionalità che prima erano semplicemente impensabili con i soli circuiti rigidi. La pelle elettronica estensibile può essere incorporata con più sensori su una protesi per consentire capacità simili ad un arto reale. Per l'uso militare, le uniformi e le armature  possono avere sensori di impatto integrati flessibili e leggeri in grado di memorizzare dati e fornire informazioni in tempo reale sulla ferita subita durante il combattimento. I Circuiti Flessibili renderebbero più resistenti anche i dispositivi portatili e si potrebbero realizzare circuiti indossabili come vestiti o gioielli. I tessuti intelligenti e flessibili sono di forte interesse per l'elettronica di  consumo indossabile e persino per i personal computer. Un fattore chiave della popolarità dei Circuiti Flessibili ed estensibili è l'avvento della tecnologia indossabile. La tecnologia indossabile, infatti, consente l'uso di dispositivi elettronici e microcontrollori sul corpo umano, sia impiantati sia indossati come  dispositivo esterno. I dispositivi indossabili sono spesso utilizzati per raccogliere dagli utenti dati vitali o parametri fisiologici. Attualmente sul mercato è disponibile una miriade di dispositivi indossabili come misuratori di pressione sanguigna, cardiofrequenzimetri, contapassi, rilevatori di distanza, fitness tracker. La domanda di dispositivi indossabili è cresciuta esponenzialmente sin da un decennio fa, quando i dispositivi indossabili erano limitati ai dispositivi ECG (ElettroCardioGramma), EEG (ElettroEncefaloGramma) ed EMG (ElettroMioGramma). I moderni sensori sono spesso discreti, in miniatura, wireless e sono alimentati da batterie di dimensioni minuscole. L’implementazione di questi sensori è resa possibile dai progressi nei Sistemi Micro Elettromeccanici (MEMS). Tali micro sensori possono anche misurare impedenza, spostamento di carica, campi magnetici, intensità della luce e pressione.

Figura 6: Un esempio di PCB Flessibile (Fonte: https://www.pcbgogo.com/flexible-pcb.html)

Considerazioni conclusive

I Circuiti Flessibili continuano ad evolversi e ad essere utilizzati in più dispositivi elettronici. Come alternativa ai cablaggi ingombranti, le soluzioni flessibili si stanno diffondendo in modo esponenziale, contribuendo a miniaturizzare l'elettronica complessa e consentire comunicazioni evolute di prossima generazione. La scelta di un fornitore esperto nella produzione e assemblaggio di PCB garantirà ai clienti che il loro prototipo PCB sarà privo di errori consentendo di  procedere alla fabbricazione in serie senza problemi.

 

 

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