L'avenir des circuits imprimés flexibles dans l'électronique robot compact

L'avenir des circuits imprimés flexibles dans l'électronique robot compact

Les robots se rétrécissent des géants industriels aux assistants de taille palmiste, l'électronique qui les alimente doit s'adapter. Les cartes à circuits imprimés rigides traditionnels imposent des limites physiques sévères à la taille, à la lumière et à l'agilité d'un robot. Les cartes à circuits imprimés flexibles (FPCB) rompent ces limites. En remplaçant les substrats rigides par des matériaux courbés, les FPFB permettent aux ingénieurs de regrouper des interconnections denses en espaces incurvés, repliés ou constamment mobiles. Ce changement n'est pas seulement progressif; il permet de créer de nouvelles classes de robots compacts pour les procédures médicales, les missions de recherche et de sauvetage et la fabrication de précision.

Qu'est-ce que les circuits imprimés flexibles?

Contrairement aux panneaux rigides qui reposent sur l'époxy renforcé par la fibre de verre (FR-4), les FPCB utilisent des films de polymères fins tels que le polyimide (PI), le polyester (PET) ou le naphtalate de polyéthylène (PEN), qui peuvent être aussi fins que 12 à 25 micromètres, ce qui permet au circuit de s'incliner jusqu'à 1 mm sans fissurer les traces.

Les modèles monocouches ont du cuivre sur un côté du substrat, tandis que les modèles à double couche et à plusieurs couches mettent en place des couches conductrices séparées par des feuilles isolantes. Les panneaux rigides-flex combinent des sections flexibles et rigides en un seul assemblage, éliminant les connecteurs qui sont des points de défaillance communs dans les systèmes robotiques. Le processus de production implique l'arrachage de feuilles de cuivre, la plastification des revêtements pour l'isolation, et parfois l'ajout de raidisseurs dans les zones de connecteurs pour le support mécanique.

La différence de caractéristique est la conformité mécanique. Un circuit flexible peut être courbé une fois pendant l'installation (de la fin à l'installation) ou soumis à des cycles répétés (flexe dynamique). En robotique, le flexe dynamique est critique pour les articulations, les pinces et tout composant qui se déplace pendant le fonctionnement.

Pour un examen plus approfondi des matériaux FPFB et de la conception des piles, IPC’s des normes officielles pour la fabrication de circuits flexibles[ fournissent des spécifications détaillées sur l'épaisseur du cuivre, les limites de rayon de courbure et l'adhérence des revêtements.

Avantages des FPCB en robotique

Le passage à des circuits flexibles en robotique est animé par quatre avantages : l'efficacité de l'espace, la réduction du poids, la durabilité mécanique et la liberté de conception. Chaque avantage s'attaque directement à une contrainte que les PCB rigides imposent à la conception de robots compacts.

L'espace-sauvegardant par l'intégration informelle

Les robots à volume interne limité, tels que les capsules endoscopiques ou les bras de drone, ne peuvent pas accueillir de planches rectangulaires plates. Les FPCB se conforment aux murs incurvés, enroulent les moteurs et se replient dans les crevasses. Un seul circuit flexible peut se serpenter à travers un bras de robot, remplaçant plusieurs planches rigides et câbles rubanés. Cette consolidation libère du volume pour les batteries, les capteurs ou les actionneurs.

Réduction du poids pour l'agilité et le vol

Chaque gramme compte dans un robot volant ou un bras à pic et place à grande vitesse. Les FPCB pèsent beaucoup moins que les panneaux rigides parce que le substrat est plus mince et qu'aucun connecteur lourd n'est nécessaire à chaque jonction. Un tableau rigide standard peut peser 10 à 15 grammes par décimètre carré; un circuit flexible équivalent pèse 3 à 5 grammes. Cette réduction améliore directement la capacité de charge utile, la durée de vie de la batterie et l'accélération.

Durabilité accrue sous les vibrations et les mouvements

Les robots subissent des vibrations constantes, une accélération et un mouvement répétitif. Les cartes rigides avec connecteurs soudés sont sujettes à des joints de soudure fissurés et à des défaillances intermittentes dans ces conditions. Les FPCB absorbent les chocs à travers leur substrat flexible et distribuent des contraintes sur une plus grande surface. Les circuits dynamiques à flex cotés pour des millions de cycles sont utilisés dans les poignets et les jambes robotiques où les fils seraient fatigués et brisés.

Conception polyvalente et intégration

Les dispositifs de montage de surface (SMD) tels que les résistances, les condensateurs, les microcontrôleurs et les capteurs MEMS peuvent être soudés sur des coussinets flexibles, créant un seul assemblage intégré qui se penche autour du robot et de la structure. Ceci élimine les faisceaux de câblage et réduit le temps de montage. Les panneaux rigides-flex simplifient encore la conception en fournissant des zones rigides pour les connecteurs ou les processeurs lourds, tandis que les sections flexibles font passer les signaux entre eux.

Tendances et innovations actuelles en matière de technologie du FPCB

Plusieurs tendances convergentes poussent les FPCB à se transformer en électronique robotisée compacte, allant des percées en science des matériaux aux nouveaux procédés de fabrication.

Intégration des capteurs embarqués

L'une des tendances les plus importantes est l'intégration directe des capteurs sur le substrat flexible. Les jauges de déformation, les capteurs de température, les accéléromètres et même les capteurs de pression peuvent être imprimés ou montés directement sur les FPCB à l'aide d'équipements standard de prise et de place. Cela transforme le circuit lui-même en peau de détection pour le robot.

Progrès dans les matériaux à haute température et à haute fréquence

Les FPCB classiques en polyimide sont conçus pour fonctionner en continu jusqu'à environ 200 °C. Les nouveaux substrats à base de cristaux liquides (LCP) et de fluoropolymères s'étendent jusqu'à 300 °C ou plus, permettant aux circuits flexibles de gérer la chaleur des moteurs, des transistors de puissance et des groupes de processeurs denses. Ces matériaux ont également une perte diélectrique plus faible à haute fréquence, ce qui les rend adaptés aux capteurs radars à ondes millimétriques et aux modules de communication sans fil dans les robots autonomes.

Fabrication additive et impression jet d'encre

La fabrication traditionnelle du FPCB implique une gravure soustractive, qui élimine le cuivre et nécessite de multiples bains chimiques.Des techniques de fabrication additives, comme l'impression jet d'encre d'encre de nanoparticules d'argent et le dépôt de jets d'aérosols, apparaissent comme alternatives.Ces méthodes impriment des traces conductrices directement sur des films flexibles sans gravure, réduisent les déchets de matériaux et permettent un prototypage rapide.

Dispositifs d'interconnexion 3D-MID

La technologie 3D-MID utilise la structuration directe au laser pour tracer des traces conductrices directement sur la surface des composants moulés par injection. Cela crée une partie structurelle qui fonctionne également comme un circuit. Pour les robots compacts, cela signifie que le châssis, les segments de bras ou le boîtier peuvent transporter des signaux électriques sans carte séparée. Bien que la 3D-MID n'est pas une FPCB pure, elle concurrence dans le même créneau d'économie d'espace et utilise souvent des matériaux flexibles pour le substrat moulé.

Pour un aperçu de la recherche récente sur l'électronique souple, le Journal de l'IEEE et du numéro 8217 publie des développements évalués par les pairs dans les matériaux et les méthodes d'intégration.

Défis liés à l'adoption du FPCB en robotique

Malgré leurs avantages, les FPCB ne sont pas une solution universelle. Les ingénieurs doivent peser plusieurs compromis lorsqu'ils décident entre des conceptions rigides, flexibles ou rigides pour une application robot donnée.

Coûts de fabrication plus élevés à faible volume

La fabrication de FPCB nécessite des équipements spécialisés, une laminage précise et une manutention plus intensive que les PCB rigides standard. Les coûts d'outillage pour la production de circuits flexibles sont généralement de 30 à 50 pour cent plus élevés pour les petits lots. Cependant, à des volumes élevés, le coût par unité peut approcher celui des panneaux rigides, surtout lorsque la conception flexible élimine les connecteurs et simplifie l'assemblage.

Durabilité limitée dans les environnements extrêmes

Les films polyimides peuvent être abrasés par des bords tranchants si leur encapsulation n'est pas adéquate. Les revêtements et les raidisseurs ajoutent une protection mais augmentent le coût et l'épaisseur. Dans les robots qui fonctionnent dans des environnements remplis de débris, comme l'extraction minière ou la réaction aux catastrophes, le circuit flexible peut nécessiter une robustesse supplémentaire.

Contraintes de gestion thermique

Les substrats flexibles sont de mauvais conducteurs thermiques par rapport aux noyaux d'aluminium utilisés dans certaines planches rigides. La chaleur générée par les composants électriques d'un FPCB peut se développer plus rapidement, ce qui peut causer une défaillance dans les actionneurs robotisés à haute intensité.

Difficultés d'assemblage et de retravail

Les composants de soudure sur des substrats flexibles nécessitent un contrôle de température prudent car le film mince conduit la chaleur loin de l'articulation différemment d'une planche rigide épaisse. Les profils de reliure doivent être ajustés pour éviter la délamination ou la combustion. Le reliure d'un composant défaillant sur un FPCB est plus difficile que sur une planche rigide parce que le matériau flexible peut se déformer ou se déchirer pendant le dévalorisation.

Perspectives d'avenir et applications émergentes

Les matériaux et les procédés du FPCB continuent de se développer, leur impact sur l'électronique robotisée compacte s'amplifiera. Plusieurs domaines d'application sont en voie de transformation au cours des trois à cinq prochaines années.

Robots doux et continus

Les robots souples, qui utilisent des matériaux conformes plutôt que des joints rigides, exigent des appareils électroniques qui peuvent s'étirer et plier sans casser. Les FPCB extensibles, fabriqués avec des traces de cuivre serpentin ou des élastomères conducteurs, sont en cours de développement. Ces circuits peuvent s'allonger de 30 à 50 pour cent tout en maintenant la continuité électrique.

Swarm Robotics et Microbots

Les robots à l'échelle des insectes pesant moins de quelques grammes nécessitent des appareils électroniques qui sont presque inépuisables. Les FPCB servent à la fois de châssis structurel et d'interconnexion de circuits pour ces microbots. Les chercheurs ont démontré des robots volants avec des cadres de corps à base de FPCB qui transportent des cellules solaires, des microcontrôleurs et des émetteurs sans fil.

Robotique à haut rapport dans l'espace et la défense

Les robots spatiaux, tels que ceux utilisés pour l'entretien des satellites ou l'exploration planétaire, font face à des oscillations de température extrêmes, le vide et le rayonnement. Les FPCB conçus avec des substrats polyimides et des composants résistants aux radiations volent déjà sur CubeSats. La capacité de plier un circuit dans une configuration de lancement compacte et de le déployer en orbite est un avantage unique.

Robots médicaux et chirurgicaux

Les robots chirurgicaux invasifs de taille minimale nécessitent des instruments de petit diamètre, une haute dextérité et une détection intégrée. Les FPCB permettent aux robots à cathéters multilumen avec des capteurs intégrés d'imagerie, de pression et de température. La flexibilité du circuit correspond à la flexibilité du cathéter lui-même, permettant au robot de naviguer sur des chemins vasculaires tortueux.

Fabrication intégrée et Twins numériques

Dans les usines intelligentes, les robots compacts avec FPCB bénéficieront d'une simulation numérique à deux vitesses. Le comportement mécanique d'un circuit flexible pendant le mouvement du robot peut être modélisé pour prédire la durée de la fatigue et optimiser le routage.Des outils de conception combinant simulation électrique et analyse d'éléments finis pour la flexion et la vibration deviennent plus accessibles.

Une ressource utile pour les ingénieurs qui évaluent les conceptions du FPCB est l'examen complet de la fiabilité des PCB , publié par l'Université Notre Dame, qui couvre les modes de défaillance et les méthodes d'essai accélérées.

Considérations de conception pour les ingénieurs

Lors de la planification d'une architecture électronique robotisée compacte qui utilise les FPCB, les ingénieurs devraient envisager les lignes directrices pratiques suivantes:

• Rimum de virage: Maintenir un rayon de virage d'au moins 10 fois l'épaisseur du circuit pour un flex statique et 50 fois pour un flex dynamique pour éviter toute fissure de trace.
• Poids du cuivre:[ Utiliser 1 oz de cuivre (35 μm) pour les couches de signal et 2 oz pour la puissance; le cuivre plus lourd réduit la flexibilité.
• Étangleurs: Ajouter des raidisseurs en polyimide ou en FR-4 uniquement lorsque des connecteurs ou des composants lourds sont montés pour éviter les contraintes aux joints de soudure.
• Ancre: Conception de caractéristiques de relief de la souche telles que des tampons de largage et des anneaux annulaires plus grands lors de transitions flex-to-rigides.
• Route: Traces perpendiculaires à l'axe de virage pour minimiser la déformation sur les lignes individuelles.
• Shielding:[ Considérer le blindage intégré EMI à l'aide de mailles encre argentée ou en cuivre dans des environnements moteurs à haute fréquence ou bruyants.

Il est conseillé de procéder au prototypage avec un fabricant réputé FPCB au début du cycle de conception. De nombreux fournisseurs offrent des parcours sans frais d'utilisation pour des conceptions simples, permettant aux ingénieurs de valider les performances avant de s'engager dans la production de volume.

Conclusion

Les cartes de circuits imprimés flexibles ne sont pas une niche alternative aux PCB rigides; elles deviennent la solution d'interconnexion par défaut pour les robots compacts et performants. La capacité de plier, plier et intégrer des capteurs directement dans le circuit permet aux ingénieurs de repousser les limites de ce qu'un petit robot peut faire. Des microrobots chirurgicaux qui naviguent dans le corps humain aux essaims de microdrones volantes qui cartographient les zones de désastre, les FPFB fournissent la fiabilité et la densité de ces applications.

Les défis en matière de coûts, de gestion thermique et de durabilité demeurent, mais les progrès matériels et les techniques de fabrication améliorées ne cessent de combler ces lacunes. Alors que l'industrie robotique se dirige vers des machines plus légères, plus agiles et plus aptes, les PCB flexibles seront un moteur de cette évolution.