Design av kroppsnære medisinske enheter – en fleksibel tilnærming

Det store flertallet av dagens mønsterkort er hovedsakelig stive plater som ivaretar kretsforbindelser. Men dette bildet er i rask endring; etterspørselen for fleksible mønsterkort (eller fleksible kretser) øker hurtig, i stor grad takket være det voksende markedet for kroppsnære elektronikkdingser.

Marked i vekst
Og det største segmentet i dette markedet er trolig helse- og velferdsindustrien, der kroppsnære enheter vil bli brukt til å samle inn alle typer fysiologiske data for diagnose og analyse, så vel som for personlig helsebruk. Det fins allerede tilgjengelige kroppsnære enheter for å overvåke hjertefrekvens, blodtrykk, blodsukker, EKG, muskelbevegelser med mer. 

Denne typen bærbare enheter presenterer mønsterkortdesignerne for en rekke vanskeligheter som tradisjonelle stive kort ikke er belemret med. Her er noen av disse problemene, og hva designerne kan gjøre for å avhjelpe dem.

Tredimensjonalt design
Mens ethvert mønsterkort faktisk er tredimensjonalt, åpner fleksible kretser for at hele montasjen kan bøyes og brettes for å kunne passe inn i kapslingen som produktet kommer i. En typisk montasje er vist i Figur 1. De fleksible kretsene er brettet slik at de stive mønsterkortene passer inn i produktkapslingen og opptar minimalt med plass.

Utfordringer
Langt mer enn tidligere henger på designet – derfor de ekstra utfordringene – enn bare å kople sammen de stive kortene. De foldede delene må være nøyaktig utformet, slik at kortene ender opp der de er tenkt å monteres, samtidig som man ikke belaster og legger press på sammenkoblingspunktene.  Frem til ganske nylig benyttet utviklere faktisk “papirdukke” modeller for å simulere mønsterkortsammenstillingen. Nå er det imidlertid tilgjengelig designverktøy som tilbyr 3D modellering av rigid-flex sammenstillingen, noe som åpner for raskere design og langt større nøyaktighet.

Smått og tett
Kroppsnære produkter må per definisjon være små og diskré.  Tidligere omfattet en medisinsk, ”kroppsnær” medisinsk enhet som en Holter-monitor en rimelig stor ekstern enhet med en halsstropp eller beltemontering. De nye, kroppsnære enhetene er derimot små, og kan festes direkte til pasienten med få eller ingen eksterne ledninger. De samler inn en rekke ulike data, og kan til og med kjøre noen analyser.

Bruk riktig verktøy
En diskré enhet som skal festes direkte på pasienten  betyr uunngåelig at det brukes fleksible kretser og svært tette utlegg. I tillegg er kortene gjerne utformet runde eller med enda mer uvanlige former, noe som krever smart plassering og ruting. For disse små og tettpakkede kortene fins det et mønsterkortverktøy som er optimalisert for rigid-flex design, og som gjør håndtering av odde former mye enklere. Det gjelder også design og 3D-modellering av fysiske produkter.

Forsiktig med bøyene
Poenget med å bruke fleksible kretser er å kunne forme den endelige sammenstillingen ved å bøye de fleksible kretsene. Dette innebærer flere problemer, som man ikke trenger tenke på med stive kort. Bøying medfører belastninger som ikke oppstår i stive kort. De fleste mønsterkortverktøy har funksjoner som lar deg optimalisere de fleksible kretsene. Her er noen tips for å unngå problemer med bøyingskreftene under design av flekskort:

Unngå 90° bøying av lederbaner: Hjørner på lederne gir mer bøyebelastning enn rette ledere. For å unngå delamineringsproblemer over tid, bruk rette ledere, eller dersom lederne må endre retning, bruk kurver eller stykkevis lineære kurver fremfor noe som nærmer seg 90°.

Forskyve ledere på tosidige flekskort: Når lederbaner går oppå hverandre på hver side av tosidige fleksible kretser, kan dette forårsake ujevn fordeling av spenningen. I stedet bør lederne forskyves i forhold til hverandre. Dette gir også bedre fleksibilitet.

Bruk dråpeform til å forbedre styrke og yield: Fleksibiliteten i substratet kan føre til delaminering over tid dersom dette ikke kontrolleres. I stedet for runde loddepunkter kan dråpeformede loddepunkter (Figure 3) anvendes for å legge på mer materiale, noe som gir bedre styrke i loddepunktet for å forhindre delaminering. Dråpeformen gir også bedre toleranse for boring.

Støtt opp loddepunktene: Kobberet på et fleksibelt substrat er mer utsatt for å løsne enn på et stivt kort, på grunn av bøyingen. I tillegg fester ikke kobberet like godt til substratet som på et FR4 mønsterkort. Produsenter foreslår gjennomplettering og ankerstubber for overflatemonteringspunkter. De foreslår også å redusere coverlay åpninger så mye som mulig.

Stackupdesign er kritisk
Den såkalte stackupen — kartet over mønsterkortlagene — er kritisk under bruk av rigid-flex teknikker. Ideelt sett har ditt mønsterkortdesignprogram muligheten for å designe stackupen, inkludert både de stive og fleksible delene av sammenstillingen. Som tidligere nevnt, bør utlegget av de bøyde områdene designes slik at belastningene på ledere og loddepunkter reduseres mest mulig.

Figur 4 viser en stackupillustrasjon med både stive og fleksible seksjoner. Antall lag og ulike materialer som anvendes bidrar til kompleksiteten av designet. Derfor er det viktig å designe stackupen med omhu, og benytte et verktøy som kan håndtere komplette, kombinerte fleksible og stive systemer.

Produksjon
En av de største utfordringene med rigid-flex design er å måtte kvalifisere flere produsenter. Når designet er ferdig må alle aspekter rundt designet kommuniseres til kortfabrikanten, slik at det kan bli produsert riktig. Imidlertid vil den beste måten være å velge én eller flere produsenter tidlig i designet, og samarbeide med dem for å sikre at ditt design matcher deres fabrikasjonskrav ettersom designet skrider frem. Samarbeid med produsenter kan forenkles med bruk av standarder. I dette tilfellet vil IPC-2223 være verktøyet for kommunikasjon med dine produsenter.

Datautvekslingsformat
Så snart designet er ferdig, må datapakken settes sammen for hand-off til produksjon. Mens Gerber fremdeles anvendes for standard mønsterkort i noen selskaper, gjør kompleksiteten ved rigid-flex at både leverandører av mønsterkortverktøy og produsenter anbefaler å bruke et mer intelligent datautvekslingsformat. De to mest populære intelligente formatene er ODG++ (versjon 7 eller nyere) og IPC-2581. Begge spesifiserer krav til de enkelte lagene på en tydelig måte.

Oppsummering
Den store majoriteten av mønsterkort i verden er i utgangspunktet stive plater som forbinder kretser. Det meste av den menneskelige kroppen er fleksibel og i bevegelse. En blanding av de to skaper utfordringer som bare kan løses med rigid-flex mønsterkortdesign.

En overgang til fleksible kretser åpner en rekke utfordringer som man ikke behøvde å tenke på ved bruk av stive kort. Det må tas hensyn til stackupdesign, lederdesign på de fleksible substratene, og 3D bøying. Deretter må det tas mer hensyn i valg, samarbeid med og overlevering av designdata til kortprodusenten.

Den beste måten å sikre at ditt rigid-flex design fungerer riktig og blir levert i tide og innenfor budsjettet, er å ta i bruk ledende programvare for mønsterkortdesign, og dra nytte av automatiseringsegenskapene.