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Norme IPC per il PCB Rigid-Flex: un esperto ci consiglia quali sono quelle che servono veramente

(Durata del video: 6 minuti)

Le norme IPC per i PCB Rigid-Flex sono una risorsa fondamentale a disposizione di tutti gli operatori dell’industria elettronica, specialmente dei progettisti. L’IPC pubblica infatti una serie di linee guida che non costituiscono solo le specifiche da seguire per attenersi agli standard del settore, ma rappresentano dei veri e propri manuali d’uso in grado di guidare il progettista nel proprio lavoro.

IPC è l’organizzazione di riferimento che detta gli standard per l’industria elettronica, che consente a progettisti, produttori di PCB e di componenti, assemblatori, di partecipare al processo di definizione degli standard stessi e di usufruire dei vantaggi che ne derivano.

Per saperne qualcosa di più sulle norme IPC relative ai PCB Rigid-Flex, abbiamo sentito il parere di Luca Moliterni, dell’Istituto Italiano della Saldatura, un ente ufficialmente affreditato dall’IPC stesso per la formazione nel nostro Paese.

A parte l’intervista che potete vedere in questo video, Moliterni è intervenuto in un seminario Cadlog sulla progettazione di PCB rigido-flessibili, che si è tenuto a Milano, con un discorso seguitissimo, perché pieno di spunti utili e interessanti.

Il seguente schema, tratto dalla presentazione del suo intervento, sintetizza l’insieme delle norme IPC per le varie fasi di realizzazione del prodotto elettronico. In azzurro sono indicati i documenti d’interesse diretto dei progettisti. Tra di esse sono incluse le linee guida 6012 e 6013, quelle consigliate da Moliterni.

norme e linee guida IPC

(cliccare per ingrandire)

La presentazione completa potete scaricarla tramite il modulo presente a fondo pagina.

I tipi di PCB Rigid-Flex

Per darvi un’idea di quanto i documenti IPC entrino nello specifico delle caratteristiche tecnologiche dei PCB, riportiamo di seguito le immagini che sintetizzano la suddivisione in 6 tipologie dei circuiti stampati rigido-flessibili. Le immagini sono tratte dal documento IPC-2223B, dal titolo “Sectional Design Standard for Flexible Printed Boards”.

Type 1 — Single-Sided Flexible Printed Board

ipc linee guida 2223 rigid flex

Adhesive Substrate Construction

ipc linee guida 2223 rigid flex - Adhesiveless Substrate Construction

Adhesiveless Substrate Construction

Type 2 — Double-Sided Flexible Printed Board

ipc linee guida 2223 rigid flex

Adhesive Substrate Construction

ipc linee guida 2223 rigid flex - Adhesiveless Substrate Construction

Adhesiveless Substrate Construction

Type 3 — Multilayer Flexible Printed Board

ipc linee guida 2223 rigid flex

Adhesive Substrate Construction

ipc linee guida 2223 rigid flex - Adhesiveless Substrate Construction

Adhesiveless Substrate Construction

Type 4 — Rigid Flexible Printed Board

ipc linee guida 2223 rigid flex

Adhesive Substrate Construction

ipc linee guida 2223 rigid flex - Adhesiveless Substrate Construction

Adhesiveless Substrate Construction

Scarica la presentazione di Luca Moliterni

'Le linee guida IPC per i PCB rigid-flex'

La presentazione sintetizza l’intervento di Luca Moliterni, formatire accreditato IPC dell’Istituto Italiano della Saldatura, sulle linee guida IPC per i PCB rigid-flex.

Il documento contiene riferimenti specifici alle diverse linee guida dell’IPC, la descrizione dei parametri di misurazione che vengono rilevati per determinare le caratteristiche del circuiti stampati, più numerosi esempi delle problematiche di fabbricazione classificate secondo le norme IPC.

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CadlogNorme IPC per il PCB Rigid-Flex: un esperto ci consiglia quali sono quelle che servono veramente

Tutte le FAQ sul PCB rigido-flessibile, con le risposte di un esperto di produzione di circuiti stampati

(Durata del video: 12 minuti)

PCB design rigid-flex: un concetto che è stato il tema centrale agli eventi “Progettare un PCB rigid-flex di successo: criticità e buone pratiche” organizzati da Cadlog nelle giornate di martedì 18 a Milano e giovedì 20 settembre a Bologna.

Un buon numero di partecipanti ha seguito con interesse il duplice evento, dove sono intervenuti esperti e grazie alla loro testimonianza e consigli hanno affrontato gli aspetti tecnici più critici legati alla progettazione di PCB rigid-flex.

Tra loro, abbiamo avuto il piacere di ascoltare l’intervento e in seguito intervistare Paolo Leoni, Hi-Tech Sales Manager della Elco che ha esordito con la definizione del rigido-flessibile: un circuito dove coesistono una parte rigida solitamente destinata al montaggio dei componenti e una parte flessibile che agisce come connessione tra le parti rigide.

Le FAQ sul PCB rigido-flessibile

1) Quanti strati flex ci possono essere?
Secondo le capability del Vs. fornitore

2) Quanti strati rigidi ci possono essere?
Secondo le capability del Vs. fornitore

3) Si possono usare bracci flex di spessore diverso di dielettrico e/o di rame?
Si ma confrontatevi con il Vs. fornitore

4) Si possono fare dei bracci flex multistrato?
Si, ma attenzione alla flessibilità

5) quale è lo spessore min e max di un dielettrico flex:
1- 6 mils (25 -150 micron c.a.) std, oltre i 6 mils va richiesto ma attenzione alla flessibilità e ai raggi di curvatura. Consiglio: stare tra 2 e 4 mils

6) Lo spessore min e max di rame su un flex?
½ – 2 oz (17,5 – 70 micron) std., oltre va richiesto ma attenzione alla flessibilità e ai raggi di curvatura.

7) Le forature devono vedersi sullo stack-up?
Se sono più di una è meglio vederle sullo stack-up

8) Come parte rigida si possono usare materiali per microwave?
Si, ma confrontatevi col Vs. fornitore

9) Si possono fare parti rigide di spessore diverso?
Si, ma confrontatevi con il Vs. fornitore per le limitazioni del caso

10) Posso fare una piega a 90° con un braccio flex?
NO.

11) Quanto possono essere fine le piste sugli strati flex?
Parlatene con il vostro fornitore.

12) Posso fare sui flex piste ad impedenza controllata?
Si, come per i rigidi, ovviamente è più facile la configurazione microstrip, tenete conto che la Dk del Kapton è stabile al variare della frequenza.

13) Come Padstack c‘è qualche regola da seguire?
Il Kapton o prodotti similari non hanno fibra, conseguentemente sono più soggetti a deformazioni. Il consiglio quindi è di maggiorare le pad sui lati flex per garantire comunque un ottimale annular ring. Per lo stesso motivo meglio evitare routing particolarmente complessi su quei layer.

14) Che finitura superficiale è meglio adottare sui circuiti rigid-flex?
Necessitando di cicli di backing importanti il consiglio è HAL, HAL LF, ENIG da evitare Ag, Sn,
OSP.

15) Posso inserire linee di scoring nell’array?
No, proprio per la presenza di zone flex

Chiedi informazioni:

Se vuoi sapere in che modo PADS Professional supporta la progettazione di circuiti stampati rigido-flessibili, non esitare a contattare un nostro esperto per un approfondimento. Siamo disponibili sia per informazioni tecniche che commerciali.

“PADS Professional è arrivato sul rigido-flessibile leggermente dopo, rispetto alla concorrenza, ma questo gli ha permesso di presentarsi sul mercato come lo strumento in assoluto più completo”.

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CadlogTutte le FAQ sul PCB rigido-flessibile, con le risposte di un esperto di produzione di circuiti stampati

Rigid-Flex PCB Design: suggerimenti pratici per la progettazione

Nell’ambito del PCB Design, la progettazione rigid-flex si è particolarmente diffusa in molti segmenti del settore elettronico. Pertanto la sua terminologia, i requisiti, i processi e le migliori pratiche sono aspetti cruciali che devono garantire un’alta probabilità di successo. Come indicato dal nome, i circuiti rigid-flex sono costituiti da una combinazione di tecnologie rigide e flessibili della scheda. Questi progetti consistono in strati e substrati di circuiti flessibili collegati internamente e / o esternamente a una o più schede rigide.

Combinando i vantaggi delle due tecnologie, i progettisti hanno più opzioni quando lavorano a grandi progetti che devono essere conformi a uno specifico fattore di forma. Rigid-flex è una tecnologia molto efficace, che consente ai team R&D di applicare in modo efficiente una maggiore funzionalità a un volume più piccolo di spazio e allo stesso tempo di fornire la stabilità meccanica richiesta dalla maggior parte delle applicazioni.

Metodi di progettazione del rigid-flex

Prima dell’avvento della progettazione mista, quando un prodotto richiedeva uno o più PCB flessibili, i PCB rigid-flex erano progettati separatamente. Ciascun PCB conteneva uno o più connettori fisici per assemblare le singole schede in un progetto globale di prodotto. In questa metodologia di progettazione, la parte progettuale flessibile veniva assegnata a uno specialista che aveva familiarità con le opzioni di impacchettamento e di materiale, con le migliori pratiche e con i requisiti per aspetti specifici, come le regioni di piega e gli irrigidimenti. Mentre questo approccio tradizionale del “progettare separatamente e poi assemblare” minimizzava potenziali problemi con le parti flessibili del prodotto, aveva anche diversi svantaggi. Ad esempio il costo associato ai connettori fisici e lo spazio richiesto da questi ultimi, la necessità di gestire correttamente le interconnessioni tra i circuiti stampati rigidi e flessibili separati (attraverso i connettori), il tempo e i costi associati all’assemblaggio. Il passaggio all’attuale generazione di tecnologia rigid-flex riduce questi problemi, che possono essere risolti seguendo alcune delle migliori pratiche e linee guida chiave.

Tre PCB rigidi e due flessibili visualizzati in 3D

Rigid-Flex, vantaggi e sfide

I progetti rigid-flex di attuale generazione si trovano tipicamente nei telefoni, nei televisori LCD, nelle fotocamere digitali e nei laptop, solo per citarne alcuni. Fondamentalmente, ogni volta che un prodotto deve essere compatto e / o leggero e / o flessibile, molto probabilmente verrà applicata la tecnologia rigid-flex. I vantaggi del rigid-flex includono:

  • Riduzione dei costi e maggiore affidabilità, grazie all’eliminazione dei connettori fisici utilizzati nel tradizionale approccio di progettare separatamente e poi assemblare.
  • Migliore integrità del segnale, grazie all’eliminazione delle modifiche trasversali ai conduttori (rimozione dei connettori fisici e delle relative connessioni di saldatura).
  • Requisiti di spazio ridotti, in quanto le parti possono essere posizionate e le tracce possono essere instradate in tre dimensioni.
  • Funzionalità elettromeccanica migliorata, tra cui flessione dinamica, vibrazione e tolleranza agli urti, resistenza al calore e riduzione del peso.

Affinché i team R&D possano usufruire di questi vantaggi, i progettisti hanno dovuto allargare le proprie conoscenze sulla tecnologia rigid-flex, lavorando sia sulla loro curva di apprendimento individuale, sia con le varie sfide tecnologiche, che possono anche causare costosi fallimenti sul progetto. Sfortunatamente, le sfide della tecnologia rigid-flex possono essere ulteriormente aggravate se gli strumenti ECAD utilizzati dal team di progettazione non facilitano e assicurano la conformità dei processi.

Migliori pratiche e linee guida

Alcune delle sfide fondamentali, insieme alle migliori pratiche e linee guida associate per affrontare tali sfide sono le seguenti:

  • Stackup management: gli stackup per i PCB rigid-flex varieranno spesso, in quanto il progettista ha bisogno di gestirli in modo efficiente e assicurarsi che vengano correttamente realizzati in produzione. Uno strumento ECAD che supporti stackup specifici aiuterà a semplificare questo complesso compito.
  • Board outline management: le schede multiple in un design rigid-flex devono essere adeguatamente configurate e gestite durante il processo di progettazione che richiede la collaborazione tra i domini elettrici e quelli meccanici. La possibilità di importare e creare automaticamente profili di bordo multipli (e potenzialmente complessi) dai dati CAD meccanici consentirà di risparmiare tempo e ridurre il rischio di errori.
  • Interazione col produttore: questo aspetto del design rigid-flex non sarai mai enfatizzato a sufficienza. Il feedback da parte del produttore su stackup, materiali, aree di keep out, requisiti di piegatura, irrigidimenti, ecc. aiuterà a garantire che il design possa essere corretto ed affidabile
  • Analisi dell’integrità del segnale e dell’alimentazione: la maggior parte degli strumenti di integrità del segnale e di integrità della potenza presuppongono un singolo PCB con uno stackup uniforme. Per i progetti rigid-flex, gli strumenti di analisi devono riconoscere strati complessi e stackup locali per garantire risultati di analisi corretti.
  • Progettazione e verifica 3D: grazie a tale funzione, è possibile assicurare che il team di progettazione stia sfruttando gli spazi disponibili in tutte e tre le dimensioni e, al tempo stesso, identificando potenziali problemi di progettazione.

In un prossimo articolo vedremo in dettaglio come tali esigenze possano essere affrontate al meglio con un tool completo come PADS Professional.

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CadlogRigid-Flex PCB Design: suggerimenti pratici per la progettazione

Mercato del PCB: ormai domina il Rigid-Flex, e c’è lo zampino di Apple

I produttori di circuiti stampati rigid-flex hanno cominciato a dominare il mercato dei PCB, quello dei grandi player. La tendenza emerge da un’analisi dei fabbricatori “top”, denominati NTI-100, ovvero quelli con un fatturato annuale superiore ai 100 milioni di dollari, che viene svolta annualmente sin dal 1995.

È un mercato geograficamente sempre più cinese, dal momento che si è passato da un 60% coperto da Usa e Giappone nel 2000 ad un 55% di Cina e Taiwan, che si prevede presto diventi 60%, dazi di Trump permettendo. La seguente tabella mostra la composizione per paese della lista dei NTI-100. Come si può notare, è un mercato quasi del tutto asiatico, con pochissime eccezioni.

produttori di PCB

Produttori top di PCB (NTI-100) per area geografica

La lista dei 20 produttori maggiori presenta una delle novità più interessanti. Se nel 1998 e nel 2000 la lista comprendeva un solo fabbricatore di PCB rigid-flex, Nippon Mektron, oggi ce ne sono ben 7, tutti nelle posizioni più alte della classifica. Il motivo, secondo gli analisti, va cercato nel mercato degli smartphone. L’iPhone X, ad esempio, utilizza circa 20 circuiti rigid-flex. La prima in classifica, Zeng Ding Tech, sebbene produca schede rigide per la Apple usando i processi modificati semi-additivi (MSAP), deve proprio ai circuiti flessibili la maggior parte del proprio fatturato. L’azienda seconda in classifica, Nippon Mektron, produce unicamente circuiti flessibili.

i primi 20 produttori al mondo di PCB

Lista dei primi 20 produttori al mondo di PCB (clicca per ingrandire)

Un altro dato interessante è che di queste 20 grandi aziende, 11 sono cresciute in proprio, mentre la crescita delle altre 9 deriva da fusioni e acquisizioni, come capita oggi in molti altri mercati.

I settori industriali che hanno richiesto più circuiti stampati sono stati gli smartphone e l’automotive.

Per un’analisi più puntuale, consigliamo di leggere i commenti contenuti nella tabella seguente, che contiene la lista dei primi 25 produttori NTI-100. Emerge ad esempio una predominanza come committente della Apple, che sta realmente trainando l’innovazione in questo settore produttivo ormai così tipicamente asiatico.

I primi 25 produttori mondiali di PCB

I primi 25 produttori mondiali di PCB

Per quanto riguarda invece la progettazione di PCB rigid-flex, Cadlog ha organizzato due seminari sull’argomento, a Milano e a Bologna, che affronteranno tutte le problematiche legate a questa tecnologia, anche grazie alla testimonianza di un produttore di PCB, in questo caso italiano.

I seminari gratuiti sulla progettazione di PCB rigido-flessibili

Parleremo di PCB Rigid-flex, progettazione e aspetti tecnici più critici nei nostri eventi che si terranno a Milano e Bologna, dove interverranno esperti di questo argomento.

Seminari grauiti sulla progettazione di circuiti stampati rigido-flessibili

Progettare un PCB rigid-flex di successo: criticità e buone pratiche

Seminario gratuito • Milano, 18 settembre 2018 • Bologna, 20 settembre 2018

Agenda

09:30-10:00Welcome Coffee
10:00-10:30La Vision 2020 di Siemens e il Digital Twin con PADS Professional
10:30-11:15Le linee guida IPC per i PCB rigid-flex
11:15-11:45Gli strumenti per progettare i PCB rigid-flex
11:45-12:30Le criticità costruttive e di materiali nella fabbricazione del PCB rigid-flex
12:30-13:30Lunch
13:30-14:15Le criticità di progettazione del PCB rigid-flex
14:15-15:00Le criticità di assemblaggio e test del PCB rigid-flex

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Progettare un PCB Rigid-Flex è più facile di quello che si pensa

Flex e rigid-flex design stanno diventando sempre più popolari nella progettazione di PCB, per questo motivo si dovrebbero cercare alcune informazioni quando si sceglie uno strumento di progettazione flessibile.

Per prima cosa, è necessario uno strumento flessibile, che consenta una definizione dell’assemblaggio semplice e intuitiva. Con PADS Professional è possibile definire rapidamente gli elementi di rinforzo e i livelli di copertura, oltre a modificare gli stackup per schema. Ciò significa che le parti flessibili possono sovrapporsi, a condizione che non si trovino sullo stesso livello, senza preoccuparsi di definire le sezioni di sovrapposizione dei flex, ma semplicemente definendo i singoli schemi di bordo. Se si dispone già di una struttura di bordo, è possibile importarla direttamente dallo strumento CAD meccanico.

In secondo luogo, bisogna scegliere uno strumento in grado di accelerare la definizione di interfacce critiche rigide e flessibili. PADS Professional offre funzionalità esclusive per accelerare il layout e il routing flessibile, come il routing curvo, il posizionamento basato sulla forma, il getto di rame dinamico, i teardops curvi e il percorso di abbraccio basato sulla forma.

La producibilità è un altro elemento chiave nella progettazione flessibile. Con PADS Professional, si lavora in un ambiente di progettazione 2D / 3D, che semplifica la visualizzazione, definendo dove e come il design si piega, utilizzando oggetti di disegno specifici per creare aree flessibili.
Si applicano quindi le manutenzioni corrette per costruzione con i vincoli associati a quelle aree di piegatura e si rivede la lavagna con una checklist completa di regole di progettazione flessibili per garantire le prestazioni elettriche. Con PADS Professional, puoi aumentare sia la producibilità che l’affidabilità.

L’ambiguità nella produzione manifatturiera viene ulteriormente eliminata da ODB ++ che distingue tra sezioni flex e rigid-flex, supportando oggetti flessibili come i cover layers e le aree flex bend (rosso).

Con il formato ODB ++, è possibile esportare un modello step dell’intero PCB e aprirlo nello strumento meccanico preferito per la progettazione congiunta di PCB, garantendo sicurezza nel trasferimento e nell’interpretazione dei dati.

Si importa la scheda assemblata direttamente nella vista 3D per verificare le distanze, il posizionamento dei componenti e l’interfaccia tra PCB e assemblaggio. Si verificano le aree di piegatura complesse per assicurarti che il tuo circuito “stile origami” sia piegato correttamente.

PCB rigid-flex è una soluzione sempre più in uso grazie ai molti vantaggi che comporta. Il design di PCB Rigid-flex richiede particolari attenzione che i progettisti devono conoscere per non commettere errori che poi potrebbero risultare fatali nell’uso reale.

I seminari gratuiti sulla progettazione di PCB rigido-flessibili

Parleremo di PCB Rigid-flex, progettazione e aspetti tecnici più critici nei nostri eventi che si terranno a Milano e Bologna, dove interverranno esperti di questo argomento.

Seminari grauiti sulla progettazione di circuiti stampati rigido-flessibili

Progettare un PCB rigid-flex di successo: criticità e buone pratiche

Seminario gratuito • Milano, 18 settembre 2018 • Bologna, 20 settembre 2018

Agenda

09:30-10:00Welcome Coffee
10:00-10:30La Vision 2020 di Siemens e il Digital Twin con PADS Professional
10:30-11:15Le linee guida IPC per i PCB rigid-flex
11:15-11:45Gli strumenti per progettare i PCB rigid-flex
11:45-12:30Le criticità costruttive e di materiali nella fabbricazione del PCB rigid-flex
12:30-13:30Lunch
13:30-14:15Le criticità di progettazione del PCB rigid-flex
14:15-15:00Le criticità di assemblaggio e test del PCB rigid-flex

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PCB Design, le 6 novità di PADS Professional che fanno veramente la differenza [playlist video]

PADS Professional, lo strumento attualmente più completo per il PCB Design a livello professionale, si è arricchito di nuove utilissime funzionalità, con l’uscita della versione 2.3. La più importante delle novità è l’introduzione del Rigid Flex PCB Design, ovvero la progettazione dei circuiti stampati rigido flessibili. Ma non solo.

Ecco una sintesi, arricchita di brevi demo in video, di alcune tra le novità più interessanti per i progettisti elettronici impegnati nel PCB Design.

Allineamento sul piano

Per facilitare l’allineamento del modello tridimensionale, la vista 3D ora comprende le opzioni per definire il piano di appoggio del componente, anziché procedere a vista o misurare la distanza sull’asse Z. In tal modo, si semplifica e velocizza l’assegnazione del modello 3D. La rotazione del componente è semplificata grazie alle frecce 3D, che aiutano a ruotare e allineare il componente lungo gli assi di rotazione Z, X e Y.

Allineamento al centro del pin

Per facilitare l’allineamento del modello in 3D, la vista tridimensionale include un’opzione per allineare i terminali di un componente alle piazzole che li dovranno alloggiare.

Messaggi batch per il DRC di posizionamento

Il DRC batch è stato migliorato in varie aree. Ad esempio: i messaggi online per il DRC di posizionamento adesso forniscono informazioni più dettagliate nella finestra di output; l’opzione Incomplete Trace Connection è disponibile come un controllo DRC batch; l’opzione Flex Stackup Invalid è disponibile dove i risultati del controllo vengono mostrati nel pannello Batch all’interno dell’Hazard Explorer.

Gestione delle aree di transizione flessibili

Con la nuova opzione Flex in PADS Professional, è possibile assegnare stackup custom basati sul contorno della scheda. Lo stackup viene visualizzato prima dell’applicazione e poi vengono connessi insieme contorni della scheda multipli e contorni sovrapposti, fino a che non condividono strati in comune. Le aree di transizione vengono definite per aggiornare la vista 3D e così visualizzare un circuito complesso quanto un origami.

Misurazione delle aree flessibili

Con lo strumento di misurazione, è possibile rilevare rapidamente le distanze in 3D. Grazie anche all’opzione Flex per il rendering delle aree flessibili, è possibile visualizzare rapidamente i componenti a rischio nei circuiti particolarmente complessi.

Modifiche multiple alle aree flessibili

È possibile cambiare semplicemente una proprietà del profilo dell’area flessibile per variare le aree flessibili di schede multiple indipendenti. Visualizzando i cambiamenti in 3D si può analizzare la fattibilità di diverse angolazioni del flessibile.

Per un ulteriore approfondimento sulla progettazione del PCB rigid-flex con PADS Professional, vi consigliamo di scaricare la presentazione di Ivano Tognetti, realizzata in occasione di un webinar sull’argomento.

Scarica la presentazione di Ivano Tognetti sul PCB Rigid Flex Design con PADS Professional:

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Rigid Flex PCB Design: come progettare circuiti stampati rigido flessibili con PADS Professional

Il Rigid Flex PCB Design, ovvero la progettazione dei circuiti stampati rigido flessibili, è un’attività sempre più importante per ottenere prodotti elettronici competitivi, grazie alle possibilità consentite da questa tecnologia estremamente versatile. In questo articolo vedremo come progettare i PCB rigid flex con PADS Professional, la soluzione più completa per il PCB Design, che dalla versione 2.3 consente anche il design del circuito stampato rigido flessibile.

Rigid-Flex Option for PADS Professional – Scarica datasheet

Perché la tecnologia rigid flex

Vediamo innanzi tutto perché e in quali casi conviene orientarsi alla tecnologia del PCB rigid flex. Il primo e forse più importante motivo è la riduzione dei costi. Ciò avviene per esempio perché si ottiene una maggiore integrazione col cablaggio integrato, dal momento che non ci sono quelle operazioni di assemblaggio che richiedono l’aggancio dei cavi tramite connettori. Inoltre è possibile applicare il test dell’apparecchiatura in una singola fase. La riduzione dei costi è poi implicita nei prodotti con grandi numeri di produzione, come quelli per il mercato consumer, per il fatto che il rigido flessibile consente di ottimizzare le caratteristiche dell’oggetto elettronico.

C’è poi un vantaggio dal punto di vista dell’affidabilità, in quanto c’è un’alta tolleranza a vibrazioni e urti, nonché l’eliminazione dell’errore umano durante l’assemblaggio dell’apparecchiatura. Ma soprattutto c’è un miglioramento nella trasmissione dei segnali, grazie all’eliminazione dei cambiamenti di sezione sui conduttori, tipico ad esempio nel ricorso ai connettori flex applicati alla scheda.

Ma ciò che rende irresistibile il rigid flex per il mercato consumer è che questa tecnologia permette una significativa riduzione dello spazio necessario, dal momento che vengono eliminati componenti aggiuntivi come connettori e cavi. Ciò porta inoltre a una riduzione generale di dimensioni e peso.

Esempi di applicazione del PCB rigid flex

Qui di seguito possiamo vedere alcuni esempi di applicazione della tecnologia rigid flex, che spaziano dalle apparecchiature ad alta tecnologia per l’ambito militare a prodotti consumer nei quali è richiesto un fortissimo impaccamento, dovuto alla miniaturizzazione spinta. Questo si può riscontrare in oggetti come il braccialetto o la macchina fotografica.

esempi di pcb rigido flessibiliA casa ho una macchina, alla quale si era rotto il display. Avendola portata a riparare, hanno reagito con una risata, dicendomi che sarebbe costato molto meno comprarla nuova. Allora ne ho approfittato per aprirla, ma la macchina è esplosa in mille pezzi ed è stato impossibile rimontarla. Questo per capire il livello di compressione e di riduzione degli spazi che si possono ottenere con questo tipo di tecnologia

Cos’è un progetto di PCB rigido flessibile

Ci sono diverse applicazioni rigid flex, che vedremo più avanti, le quali sono caratterizzate da diversi livelli di complessità e si differenziano sulla base dei tipi di collegamento, del posizionamento dei componenti – che a volte possono essere anche installati nella parte flessibile – e soprattutto della condivisione delle interconnessioni.

Partiamo dalla situazione più semplice, il progetto di un cavo flex per un singolo PCB. Di fatto si tratta di uno stackup uniforme  – ovviamente nella zona flessibile – che definisce come i segnali si trasferiscono tra i due connettori attraverso un substrato flessibile. Ciò permette per l’appunto di eliminare il ricorso a connettori per mettere in collegamento tra loro i due lati e utilizzare semplicemente un “flat” per cablare le due apparecchiature.

cavo rigid flexSalendo di livello entriamo in quello che viene maggiormente utilizzato, ovvero il circuito rigido flessibile. Si tratta sempre un singolo PCB, costituito da un misto di schede rigide e substrati flessibili, che hanno però la caratteristica di avere stackup differenti, pur essendo interconnessi tra di loro. Questo vuol dire che potrei avere ad esempio 3 schede distinte, con una struttura di strati differente, che vengono poi interconnesse tramite una connessione flat, che a sua volta può avere un numero di layer differenti. Tipicamente questo tipo di tecnologia viene prodotta tramite un singolo pannello.

Il rigido flessibile avanzato è sempre un progetto a singolo PCB, costituito da un misto di schede rigide e substrati flessibili con diversi stack up, interconnessi fra di loro. Questo tipo ha componenti posizionati sul substrato flessibile. Anch’esso tipicamente viene prodotto su un pannello singolo. La problematica di assemblaggio ha che fare soprattutto con il posizionamento dei componenti sullo strato flessibile.

Arriviamo poi al sistema rigido o flessibile, che quello più complesso, caratterizzato da uno schema di interconnessione comune, che viene suddiviso però in più PCB. Il che vuol dire che non c’è necessariamente un singolo PCB che fa riferimento ad un unico schematico, ma si possono avere 3, 4 o 5 progetti che si interconnettono tramite le parti flessibili. Un progetto del genere può essere prodotto tramite pannelli diversi oppure in un pannello unico, che non viene scontornato per essere pronto direttamente per il montaggio.

Gli svantaggi di un progetto rigid flex

Anche una tecnologia evoluta come il rigid flex ha ovviamente i suoi svantaggi. Ci sono innanzi tutto delle problematiche di progetto:

  • un aumento della complessità di gestione del sistema;
  • una maggiore necessità di ottimizzazione dell’affidabilità e della qualità, dal momento che ogni progetto combina schede che possono avere caratteristiche diverse;
  • una gestione più complessa della proprietà intellettuale IP del sistema completo;
  • la richiesta di una collaborazione efficiente tra i vari team impegnati nel progetto e in particolare con la parte di progettazione meccanica.

Ma bisogna fare i conti anche con delle problematiche produttive:

  • i costi di lavorazione più elevati;
  • il materiale più costoso;
  • una maggiore sensibilità ai graffi, specie per le parti flessibili.

La terminologia del rigido flessibile

Anche se le tecnologie di base sono le stesse del normale PCB, ce ne sono alcune specifiche del rigido flessibile. Ci sono in particolare tre definizioni specifiche, che sono disponibili all’interno di PADS Professional nella sezione rigid flex.

Coverlay: è un ulteriore strato, costituito da un materiale flessibile che protegge e isola i circuiti dalle superfici esterne. Facilita eventuali movimenti fissando i circuiti in rame delle parti flessibili, prevenendone il sollevamento.

Adesivo: è un layer che viene utilizzato dove il rame è vincolato direttamente sul materiale base.

Stiffener: ulteriore strato che viene utilizzato per rinforzare un’area flessibile dove va effettuato il piazzamento dei componenti, per assorbirne le sollecitazioni meccaniche.

Nel seguente esempio si vede come viene incastrato uno strato flessibile all’interno di un circuito rigido.

Definizione degli stackup

Per gestire stackup differenziati i CAD come Altium utilizzano tipicamente il sistema delle zone. Con questo sistema, si deve creare un progetto partizionato in otto zone. Lo svantaggio è che non esiste un modo per gestire in modo indipendente ciascuna zona, in caso di sovrapposizioni sull’asse Z. Inoltre, la modifica anche di una sola struttura influisce sulle altre aree e sui differenti stackup. Questo significa che un piccolo cambiamento si propaga su tutte le aree circostanti e sui diversi stackup.

In PADS Professional, invece, con l’opzione rigid flex vengono utilizzati diversi Board Outline individuali,  per definire la struttura complessiva del sistema. In questo modo è possibile configurare separatamente lo stackup per ogni singolo Board Outline  e di conseguenza l’impatto delle modifiche di un elemento è minimizzato. La gestione delle strutture rigido flessibili complesse risulta semplificata e diventa più semplice gestire sovrapposizioni e modifiche su stackup multipli.

Con la definizione di board multiple è possibile supportare Stackup Master e tipi di layer addizionali, come adesivo, coverlay, stiffener o flex core. I Board Outline devono essere coincidenti, in modo da permettere il passaggio delle informazioni.

PADS Professional consente anche dei controlli. I Board Outline non possono essere sovrapposti, se hanno layer in comune, mentre sono sovrapponibili se hanno strutture di layer indipendenti. Inoltre lo Stackup deve includere almeno un dielettrico e un layer di segnale. Questo vale anche per il bending, cioè le aree di piegatura.

Le configurazioni di stackup supportate sono le seguenti:

  • Embedded Cover Lay
  • Bikini Cover lay
  • Bookbinder flex
  • Rigid flex con PCB rigidi e stackup indipendenti
  • Flex e Rigid Flex con Stiffeners

Gli elementi supportati nello Stackup Editor di PADS Professional sono invece:

  • Cover layers
  • Adesivi
  • Stiffeners
  • Flex Cores

PADS Professional ha una gestione dinamica dei padstack, che permette di definire sia le aperture nei layer cover top e bottom, sia le aperture per gli stiffener. I fori vengono rappresentati in tempo reale sul layer cover e questo permette l’impiego di un’unica libreria per entrambe le tecnologie.

Definizione delle aree di piegatura del circuito rigido flessibile

Per quanto riguarda la definizione delle aree di piegatura, è disponibile in PADS Professional un elemento specifico (Bend Area), che consente di definire dove e come la scheda potrà piegarsi, attraverso i seguenti parametri: Radius; Angle; Allow Corners (Piegatura traccia); Allow Width Change (Modifica spessore traccia); Allow non-perp (Tracce non in corrispondenza a un angolo di piegatura a 90); Allow Vias ; Allow Solid Fills (Richiede riempimento cross-hatch se disabilitato); Allow Parts; Bend Order (Sequenza di piegatura); Left/Right Slide Distance (Animazione dinamica di piega con DRC); Binding Length (Lunghezza extra per Book Binder Flex)

Il routing nei progetti rigid flex

I progetti rigido-flessibili devono rispondere a diversi requisiti specifici per il routing, ovvero la sbrogliatura del PCB, se si vuole ottenere un flusso di progettazione efficiente. Ecco di seguito i nostri consigli.

  • I percorsi devono essere il più possibile perpendicolari alla linea di piegatura.
  • Non deve esserci nessun contatto nell’area di piegatura con altre schede flessibili.
  • I conduttori devono avere una distribuzione uniforme.
  • Se possibile, bisogna prevedere conduttori più ampi sulla parte esterna, vicino al contorno di flessione.
  • È necessario mantenere un offset tra tracce top e bottom, con la sbrogliatura su due strati, per prevenire l’effetto I-Beam, che si verifica quando due tracce appartenenti a strati diversi si sovrappongono.
  • Se possibile, evitare angoli sulle tracce nella zona di flessione.
  • Utilizzare forature per terminare eventuali split nella parte flessibile, al fine di prevenire gli strappi in fase di piegatura.

Nella seguente figura, tratta dalle norme IPC-2223B, vengono esemplificati i percorsi ritenuti rispettivamente preferiti, non desiderabili (2° e 3° esempio) e inaccettabili.

rigid flex IPC-2223B

Ma cosa succede quanto il routing riguarda una zona flessibile? In PADS Professional si hanno a disposizione in qualsiasi tipo di zona tutte le funzioni standard, ovvero: AutoRouter, Sketch Router, All Angle Plow, Multi Plow con gli archi.

È anche possibile generare automaticamente il teardrop, per avere un’uniformità di transazione tra la pista e il pad e un aumento dell’affidabilità nella zona di piegatura. Questo in particolare per i fori passanti, ciechi e interrati, per i pin a foro passante e gli SMD, per la giunzione a T sulle tracce e per il restringimento nella sezione delle tracce.

[L’articolo prosegue di seguito]

Scarica ora le linee guida IPC-2223B:

Qualità del progetto ed esportazione dei dati

Un punto molto importante riguarda le modalità di esportazione dei dati verso altri tool e verso la fabbricazione. PADS Professional, anche nella parte rigid flex è in grado di generare i dati nel formato più evoluto, l’ODB++. Questo significa che quando il progetto viene caricato da un sistema che riconosce l’ODB++ il sistema stesso è in grado di distinguere tra le zone rigide e quelle flessibili.

Prima dell’uscita si può utilizzare il nuovo Hazard Explorer, che consente di identificare rapidamente le possibili problematiche tipiche dei circuiti Flex, come i componenti troppo vicini all’area di bend; i via troppo vicini ai bend o ai cover layer; le tracce non perpendicolari al bend line; i pa mancanti sul cover layer; il riempimento corretto dei piani nelle piegature; la mancanza di tear drop.

Inoltre c’è il pieno supporto della Flex Analysis in HyperLynx, dal momento che quest’ultimo consente l’importazione e la modifica di stackup multipli, le sezioni trasversali dedicate per ogni scheda, in fase di simulazione, e la modellazione accurata delle tracce sui piani retinati.

La progettazione 3D del PCB rigido flessibile

Nella fase finale è possibile trasferire il progetto all’interno dell’ambiente 3D foto-realistico che permette di identificare se le piegature sono posizionate correttamente. Ma c’è soprattutto la possibilità di effettuare una verifica rispetto alla non interferenza con le parti meccaniche.

rigid flex 3dSiccome la collaborazione tra il progetto elettronico e quello meccanico è molto importante nei prodotti più complessi – quali sono tipicamente quelli nei quelli si ricorre al rigid flex – è possibile esportare in formato Step sia la parte elettronica che quella meccanica. Oppure, qualora sia necessaria la collaborazione incrementale, si può ricorrere al ProSTEP, utilizzando il formato .IDX, che ha la stessa struttura dell’IDF ma è incrementale.

È da sottolineare il fato che nella versione VX 2.3 di PADS Professional, che è stata appena rilasciata, il modulo MCAD collaboration, che serve per trasferire le informazioni dall’elettronica alla meccanica e viceversa – con la generazione dello storico di accettazione proposta e rivisitazione delle informazioni – è attualmente incluso in tutte le configurazioni senza costi aggiuntivi.

PADS MCAD Collaboration – Scarica datasheet

In conclusione, PADS Professional offre un ampio ventaglio tecnologico, per supportare al meglio i circuiti rigido flessibili, tramite la gestione di sistema completa, che consente di gestire la complessità dei progetti. Grazie alle metodologia “Correct by Construction” è inoltre possibile effettuare verifiche degli errori in tempo reale, ma ci sono anche funzionalità per l’ottimizzazione dell’affidabilità e della qualità. Le funzioni Design Reuse, già note agli utenti PADS, sono molto semplici da implementare e consentono di gestire velocemente tutte le parti ripetitive della sbrogliatura, tramite un semplice copia incolla. Infine, le funzionalità rigid flex di PADS Professional colmano il divario tra i domini elettronici e meccanici, grazie a una vera collaborazione MCAD-ECAD

Scarica la presentazione di Ivano tognetti sul PCB Rigid Flex Design con PADS Pro:

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Ivano TognettiRigid Flex PCB Design: come progettare circuiti stampati rigido flessibili con PADS Professional

Progettare un PCB per la Internet of Things (IoT) – Parte 3

In questa terza e ultima puntata del nostro tutorial su come progettare il PCB di un prodotto IoT (Internet of Things), parleremo del disegno del PCB layout, una delle fasi di progettazione del PCB più importanti.

Progettare il PCB Layout per l’IoT

I progetti IoT – specie per prodotti di consumo come i wearable (indossabili) – sono fortemente vincolati a una forma predefinita che caratterizza l’oggetto, disegnata tramite un CAD meccanico 3D. Per assicurarsi la compatibilità della parte elettronica del progetto, rispetto alla forma fisica, è indispensabile poter disporre di una chiara visione della scheda all’interno del suo involucro. Dunque il perimetro fisico del PCB è il primo vincolo importante di cui tenere conto. Poi ci sono l’ambiente d’uso del prodotto e la flessibilità necessaria. Ma ecco una breve rassegna dei fattori da considerare.

Constraint-based interactive routing

Il routing interattivo basato sui vincoli

1. Posizionamento dei componenti

Una volta che il disegno dello schematico è completo e il perimetro della scheda è stato importato nell’ambiente di layout – comprese le posizioni dei componenti di interfaccia, i fori per il fissaggio, le sagome, ecc. – il posizionamento dei componenti dovrebbe essere facile e veloce. Lo scambio di dati (cross-probing) bidirezionale tra lo schematico e il layout aiuta molto in questo. La possibilità di posizionare i componenti in 2D o 3D, mentre ci si assicura che tali posizioni soddisfano i vincoli di progetto, riduce i tempi ed evita le violazioni.

2. Gestione dei vincoli

L’utilizzo della gestione dei vincoli integrata, per diffondere lungo tutto il flusso di progettazione i vincoli elettrici predefiniti, consente di controllare le classi e i gruppi di net, assicurare che il disegno delle piste soddisfi le regole di performance di alta velocità, ed essere in grado di definire regole di alta velocità per le lunghezze combinate, le coppie differenziali, le lunghezze minime e massime, eccetera.

3. Layout 2D/3D

Quando si progetta un prodotto IoT con un fattore forma molto vincolante e una procedura di assemblaggio complessa, risulta molto vantaggioso poter mettere mano al disegno all’interno di un layout fisico 3D dettagliato. Una visualizzazione 3D fotorealistica durante il posizionamento dei componenti permette di verificare la correttezza costruttiva del layout. I modelli STEP accurati dei componenti forniscono una vista de prodotto finale che consente di verificare la conformità ai requisiti progettuali. Inoltre, la possibilità di importare la geometria meccanica del prodotto IoT nella visualizzazione 3D dà al progettista un controllo totale sull’adeguatezza del progetto.

4. Circuiti rigido flessibili nei progetti IoT

Il PCB rigido flessibile si trova oggi in tutti i tipi di prodotti elettronici ed è spesso richiesto proprio nei progetti IoT.

iot design rigid flex

Ambiente di progettazione 2D-3D per i PCB rigido flessibili

 

La verifica 3D assicura che le aree di transizione siano nella posizione giusta e che i componenti non presentino interferenze rispetto al contenitore. In questo tipo di progetto, gli aspetti critici sono costituiti dalla gestione delle sezioni flessibili, dal posizionamento dei componenti sui layer flessibili, dalla sbrogliatura del flessibile e dalle forme dei piani di riempimento. Avere la possibilità di visualizzare sin dalle prime fasi del progetto i progetti IoT con PCB rigido flessibili può consentire di prevenire costosi rifacimenti. Inoltre, la possibilità di esportare i progetti rigido flessibili come modelli solidi 3D in un CAD meccanico (MCAD) consente una collaborazione bidirezionale efficiente tra i domini ECAD e MCAD, per evitare problemi di tipo sia di passaggio alla produzione (DFM), sia di passaggio all’assemblaggio (DFMA).

5. Testare i progetti IoT

La necessità di verificare la producibilità del prodotto IoT va considerata in tutte le fasi del progetto. Ad esempio, il DFT (Design for Test) fornisce la testabilità del progetto dalla prospettiva del PCB nudo e crudo, per identificare eventuali difetti di fabbricazione. In modo simile, eseguire l’analisi DFMA (Design for Manufacturing and Assembly) permette di identificare problemi come quelli degli sliver e delle superfici di rame esposte non volutamente al solder mask, in modo che possano essere corretti prima della fabbricazione.

In conclusione, la produzione di progetti IoT può costituire un processo complesso, sia per i maggiori produttori di elettronica sia per i maker. La possibilità di risparmiare anche pochi centesimi per unità prodotta si traduce per tutti in vantaggi sensibili nel budget di produzione.

La differenza sta nell’adottare un tool per il layout che supporti caratteristiche relative alla produzione, come l’analisi DFMA o la pannellizzazione, e questo è il caso di PADS e di Xpedition. Nella fase di assemblaggio, poter disporre di un flusso per lo scambio di informazioni di produzione “leggera” come ODB++, aiuta ad evitare i fattori che aumentano i costi o riducono il volume di produzione, identificando i problemi che possono causare ritardi o costosi re-spin.

Progettare un PCB per la Internet of Things (IoT) – Parte 1Parte 2

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CadlogProgettare un PCB per la Internet of Things (IoT) – Parte 3