Nei moderni veicoli automobilistici vengono impiegati numerosi componenti elettronici e il numero dei sistemi di controllo elettronico può superare i 250. Quando guidiamo un’auto, è facile vedere i sistemi di controllo elettronico ovunque, incluso sotto il cofano, intorno al controllo dell’alimentazione elettrica, nell’abitacolo o vicino al volante.
Per quanto riguarda l’elettronica automobilistica, sia i dispositivi elettrici sia quelli elettronici presentano strutture estremamente complesse. I sistemi elettronici automobilistici devono fornire specifiche tecniche al massimo livello e devono superare procedure estese di prove di stress e di affidabilità, poiché tutte le applicazioni automobilistiche devono essere sottoposte a test a causa del loro impiego in ambienti gravosi. Pertanto, i requisiti tecnici e le specifiche tecniche di tali sistemi elettronici sono determinati dall’idea di ottenere un’elevata affidabilità a costi contenuti, il che comporta esigenze molto più rigorose rispetto ai normali PCB rigidi (printed circuit board). L’interconnessione tra PCB deve essere realizzata e deve essere collegata alle apparecchiature periferiche, il che può essere ottenuto tramite l’uso di normali cavi e fili elettrici, cavi piatti, ponticelli, connettori ecc. Tuttavia, durante il processo di prova relativo all’affidabilità estesa, alle prove di stress e al funzionamento effettivo su strada, sono le saldature e i connettori di bassa qualità a causare solitamente i guasti elettrici.
Vantaggi dell'applicazione dei PCB flessibili-rigidi nel settore automobilistico
Per risolvere con successo il problema menzionato nel primo paragrafo,PCB flessibile-rigidoviene applicato per ridurre il numero di connettori e giunzioni di saldatura, a cui si è fatto riferimento per oltre 20 anni. Poiché il PCB rigido-flessibile viene utilizzato nei sistemi automobilistici, si possono ottenere i seguenti vantaggi.
• Evidente miglioramento della qualità e dell'affidabilità del prodotto
Quando si applicano PCB flessibili-rigidi per l’automotive, è possibile ridurre connettori e giunzioni di saldatura, diminuendo così i potenziali rischi che possono causare guasti elettrici. Le prestazioni e l’affidabilità dei sistemi di controllo elettronici automobilistici aumenteranno proporzionalmente con la riduzione di connettori e giunzioni di saldatura.
• Riduzione dei costi dovuta alla diminuzione delle fasi di produzione
Con l'applicazione del PCB flessibile-rigido, la saldatura del cavo a nastro e il montaggio dei connettori verranno eliminati, riducendo così i costi. Dopotutto, l'intera implementazione del processo di produzione è costosa.
• Semplificazione ed eliminazione della manutenzione
Flessibile-rigidoPCB per autoveicoliè composto da due o più di due pezzi di materiali rigidi e da uno o più di un pezzo di materiale flessibile, mentre le sezioni rigide sono collegate tra loro tramite l’applicazione di materiali flessibili. Ogni circuito rigido-flessibile può essere accuratamente inserito in un contenitore più piccolo, in modo che molte operazioni di gestione e manutenzione vengano eliminate.
• Miglioramento della libertà di progettazione e assemblaggio
I progettisti di circuiti flessibili-rigidi sono responsabili solo del layout della scheda rigida. Per quanto riguarda la sezione flessibile, devono solo instradare il collegamento e possono fissarla, sospenderla o impilarla liberamente, il che semplifica notevolmente la progettazione e l’assemblaggio.
Finora, sono disponibili sul mercato due tipi di PCB flessibili-rigidi:
a. PCB semirigido. La sezione flessibile del PCB semi-flessibile è realizzata in sottile materiale FR-4, particolarmente adatta per assemblaggi che richiedono solo un paio di flessioni. Inoltre, il PCB semi-flessibile comporta costi ridotti.
b. PCB multiflessibile. Realizzato in materiale poliimmide (PI), il PCB multi-flessibile funziona in modo ottimale nelle applicazioni che richiedono flessibilità dinamiche. Poiché lo strato di PI può estendersi nella sezione rigida interna del PCB rigido-flessibile, i circuiti stampati multi-flessibili sono più adatti per applicazioni che richiedono flessibilità dinamiche graduali.
PCB multi-flessibile
Quando la sezione flessibile del PCB rigido-flessibile è realizzata con materiale in lamina di rame PI flessibile, essa rientra nella categoria dei PCB multi-flessibili. Appartenente a un tipo tradizionale di PCB rigido-flessibile, il PCB multi-flessibile è stato utilizzato per oltre tre decenni. Il PCB multi-flessibile presenta una struttura ibrida laminata con materiale di substrato rigido e materiale di substrato flessibile, e l’interconnessione tra i conduttori elettrici è ottenuta tramite fori metallizzati che attraversano i materiali rigidi e flessibili. La Figura 1 qui sotto mostra la struttura di un circuito stampato rigido-flessibile a due strati.
In conformità con la Figura 1, si può concludere che il materiale del substrato flessibile dipende dal normale materiale in rame su PI e che esso non è posato solo nella sezione flessibile, ma copre anche l’intera sezione rigida. Tuttavia, è altrettanto efficace posare alcune strutture di rame su PI in sezioni selettive. Poiché la complessità di produzione aumenta quando il rame su PI flessibile viene utilizzato in sezioni selettive, questo metodo è generalmente poco utilizzato.
Per quanto riguarda i PCB flessibili multistrato, poiché l’adesivo lungo la direzione dell’asse Z presenta un CTE (coefficiente di dilatazione termica) relativamente elevato, esso può causare danni meccanici ai fori metallizzati durante i test di sollecitazione o i test di shock termico. Pertanto, quando un PCB automobilistico richiede una maggiore affidabilità termica, è obbligatorio evitare l’uso di materiale di substrato flessibile e di coverlay all’interno della sezione rigida, poiché i fori metallizzati sono di solito presenti nella sezione rigida.
Inoltre, è necessario considerare i problemi di affidabilità legati alla temperatura in termini di adesivo e di prepreg non-flow di FR4 standard, poiché il prepreg FR4 è anch’esso un tipo di materiale di substrato con un elevato CTE. Il prepreg non-flow di FR4 standard presenta una Tg di 105 °C, che è inferiore di circa 30 °C rispetto a quella del prepreg FR4 tradizionale.
Oltre al materiale FR4 utilizzato come materiale di substrato rigido, quasi qualsiasi tipo di materiale rigido è applicabile ai PCB multi-flessibili, inclusi materiali ad alto Tg, materiali privi di alogeni o anche materiali ad alta frequenza.
La maggior parte dei materiali flessibili per PCB rigido-flessibili utilizza PI con adesivo o PI senza adesivo, che offre prestazioni migliori. Tuttavia, i materiali PEN e PET possono essere utilizzati anche per strutture di circuiti stampati rigido-flessibili semplici e asimmetriche. Il materiale LCP (polimero a cristalli liquidi) può essere considerato un materiale flessibile ottimale senza adesivo, adatto a progetti ad alta affidabilità e a progetti per la trasmissione di segnali ad alta velocità. Si consiglia di sottoporli a cottura prima dell’uso per eliminare l’umidità dovuta all’elevato assorbimento di umidità del PI. I PCB multi-flex con LCP come materiale di substrato, invece, non necessitano di cottura.
Per quanto riguarda i PCB flessibili-rigidi, i circuiti multi-flex possono consentire che un paio di strati flessibili siano disponibili simultaneamente. Poiché le interconnessioni complesse del circuito sono progettate in modo integrato, possono essere riprodotte ripetutamente, il che è più vantaggioso rispetto ai collegamenti tramite cavi e fili. Pertanto, è possibile implementare una linea di trasmissione del segnale con controllo dell’impedenza caratteristica per sostituire il cavo coassiale.
PCB semirigido
I PCB semirigidi non consentono di ottenere flessibilità costanti. Infatti, in molte applicazioni, la parte flessibile del PCB rigido-flessibile viene sottoposta solo a un numero limitato di piegature, ad esempio durante l’assemblaggio, il rework e la manutenzione. Pertanto, per tali applicazioni non è necessario un costoso materiale flessibile come il PI e si utilizza invece un materiale piegabile, che risulta sufficiente. Inoltre, è possibile ridurre i costi. I PCB semirigidi possono sfruttare il materiale di substrato tradizionale per la laminazione multistrato, in modo da evitare che materiali diversi vengano laminati insieme, riducendo al minimo le tensioni termiche interne. Per ottenere un materiale flessibile, il metodo ottimale consiste nel rendere il tradizionale materiale di substrato FR4 sufficientemente piegabile. Naturalmente, un altro metodo consiste nel ridurre selettivamente lo spessore della parte flessibile.
Il PCB semi-flessibile viene realizzato attenendosi alla stessa tecnologia di produzione dei PCB tradizionali a doppia faccia e dei PCB multistrato. L’assottigliamento della parte flessibile può essere effettuato tramite fresatura. Inoltre, il PCB semi-flessibile viene prodotto seguendo una tecnologia di fabbricazione simile a quella dei PCB tradizionali, con l’aggiunta del processo per conferire flessibilità.
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