Hoe het moederbordontwerp van endoscopen de ruimtevloek in de distale tiptechniek doorbreekt

Bij endoscopie is er een eeuwige strijd om ruimte binnen het distale uiteinde van de scoop. Om een ​​dunner en capabeler apparaat te creëren, moeten het ontwerp en de lay-out van de printplaten worden heroverwogen. De conventionele benadering van stijve printplaten wordt uitgedaagd door de wens om de medische endoscoopcamera compacter en flexibeler te maken. De oplossing ligt in een stijve-flexprintplaat die de voordelen van stijve en flexibele PCB's combineert.

 

De ruimtevloek

Een typisch scenario omvat het gebruik van een medische endoscoopcamera: de scoop wordt in het lichaam van de patiënt ingebracht en naar de doellocatie genavigeerd met behulp van beeldvorming en verlichting die wordt geleverd door de cameramodule die zich aan het distale uiteinde bevindt. Om aan de eis van een groot gezichtsveld te voldoen, worden conventionele stijve printplaten gebruikt om de beeldsensor, licht-emitterende diodes en andere componenten te monteren. Deze planken zijn stijf en kunnen niet worden opgevouwen om ruimte te besparen in de smalle punt. Aan de andere kant zouden flexibele circuits soldeerverbindingsspanningen introduceren als gevolg van buiging.

 

Flexibele printplaten worden doorgaans gebruikt om de benodigde hoeveelheid ruimte binnen de distale punt van de endoscoop te creëren. Een flexibele printplaat kan langs de lengteas van de scoop worden geplaatst en een kleine dwarsdoorsnede innemen-. Bij het assembleren van een endoscoopcamera wordt het flexibele circuit echter zowel tijdens de fabricage als tijdens het gebruik onderworpen aan buigkrachten. Soldeerverbindingen die componenten met de printplaat verbinden, kunnen door dit soort spanning beschadigd raken. In veel gevallen ontstaat de schade tijdens één ingreep en resulteert dit in beeldverlies.

 

De stijve-flex-printplaat zorgt voor de beste combinatie van stijfheid en flexibiliteit. Verschillende stijve plaatsegmenten worden langs de lengterichting van de flexibele PCB-kern geplaatst. Hiermee kunt u de beeldsensor, LED's en andere componenten op specifieke intervallen monteren. Het voordeel van deze aanpak is dat soldeerverbindingen die componenten verbinden met de stijve plaat niet worden beïnvloed door buigen, waardoor de mogelijkheid van scheuren of delaminatie wordt geëlimineerd. De flexibiliteit van de printplaat wordt gebruikt om de plaat in de distale punt van de endoscoop te plaatsen.

 

De derde dimensie

Dankzij het stijve-flexibele ontwerp kan de derde dimensie binnen de distale tip van de endoscoop worden benut. Bij het ontwerpen van de printplaat worden de componenten op stijve segmenten op verschillende niveaus en hoeken geplaatst. Een flexibele printplaat kan bijvoorbeeld meerdere keren op verschillende hoogtes worden gevouwen om een ​​cameramodule, zijcamera's en LED's op te bergen. Het resultaat is een stijve-flexprintplaat met drie-niveaus, waarbij de camera aan de voorkant en de camera's aan de zijkant onder verschillende hoeken zijn geplaatst ten opzichte van de centrale as van de kijker.

 

Er is een stevig frame nodig om de gevouwen stijve-flex-printplaat vast te houden. Zo’n frame is meestal van metaal en dient als koellichaam voor de LED’s en beeldsensor. Bij het verlichten van het doelgebied straalt de LED-array licht en warmte uit. De gedissipeerde energie moet uit de cameramodule worden verwijderd om temperatuureffecten op de prestaties te voorkomen. Dit wordt vooral belangrijk wanneer de endoscoop in retrograde richting wordt gebruikt, omdat het grootste deel van de verlichting wordt gereflecteerd door de interne weefsels.

De signaalintegriteit van de drie-dimensionale stijve-flex PCB wordt verzekerd door een speciale opstelling van de voedingsdistributiegronden en signaallaag. Bij het verzorgen van de elektrische aansluitingen wordt bijzondere aandacht besteed aan de overgang van starre naar flexibele printplaten. De printplaat maakt gebruik van een ontwerp met meerdere-lagen op zowel stijve als flexibele segmenten. De buitenste lagen van de stijve kern vormen een aardvlak dat de signaalsporen isoleert tegen elektromagnetische interferentie. Het flexibele segment heeft een gecontroleerde karakteristieke impedantie om signaalverliezen en overspraak te verminderen. Bij het ontwerp van het overgangsgebied zijn speciale maatregelen genomen om signaalreflecties te voorkomen, waardoor het beeld zou worden vervormd.

 

Om de signaalintegriteit van het 4K-videosignaal te garanderen, vereist een stijve-flex PCB een productie op expertniveau-. Een gekwalificeerde fabrikant zal een nauwkeurige impedantiecontrole uitvoeren en de juiste materialen gebruiken om signaalverliezen tot een minimum te beperken. Voor stijve segmenten zullen fabrikanten geavanceerde meer-laagconstructies met gecontroleerde grondvlakken gebruiken. Voor flexibele segmenten zullen fabrikanten precisielaserboringen uitvoeren om een ​​nauwkeurige via-plaatsing te garanderen. Op alle prototypes kunnen signaalintegriteitstests worden uitgevoerd om te voldoen aan de signaalintegriteitsvereisten. De medische endoscoopcamera zal bij normaal gebruik zelfs na duizenden buigcycli een betrouwbaar beeld kunnen leveren.

 

Materialen

De materiaalkeuze voor de vervaardiging van stijve-flex-printplaten is ook heel belangrijk. Medische hulpmiddelen worden vaak onderworpen aan strenge sterilisatieprocedures, waaronder autoclaveren bij 134 graden Celsius. Flexibele printplaten zijn vaak gemaakt van polyimidefilm bedekt met koperfolie. Dergelijke materialen worden tijdens het delaminatieproces aan hoge temperaturen blootgesteld. Bij het selecteren van materialen moet bijzondere aandacht worden besteed aan de coëfficiënten van de diëlektrische permittiviteit en de dissipatiefactor om signaalverliezen te verminderen.

 

Het gebruik van materialen zoals polyimide Kapton, vervaardigd met behulp van zelfklevende koperfolietechnologie, vermindert de kans op delaminatie veroorzaakt door temperatuurveranderingen tijdens het autoclaveren. Tegelijkertijd elimineert het gebruik van dergelijke materialen de uitstoot van giftige stoffen tijdens blootstelling aan hoge temperaturen. Een van de belangrijkste kenmerken bij de selectie van materialen voor stijve-flex PCB's is hun naleving van de ISO 10993-norm.

De fabrikant moet uitgebreide ervaring hebben met de fabricage van stijve-flex-PCB's om de juiste materialen te kunnen kiezen. Bij het selecteren van materialen voor flexibele segmenten moet de fabrikant rekening houden met hun buigradius. Deze eigenschap is vooral belangrijk bij het vervaardigen van een stijve-flex-PCB met een complexe drie-vorm. De keuze voor materialen als zelfklevend koperfolie is mede afhankelijk van de mechanische sterkte die nodig is voor de printplaat.

 

Productie

De productie van rigide-flex-PCB's is een complex en uitdagend proces. Om een ​​medische endoscoopcamera te produceren, moet een PCB-fabrikant over uitgebreide expertise beschikken op het gebied van de fabricage van stijve-flex PCB's. De productie van stijve-flex-printplaten omvat doorgaans meer dan 80 stappen, van het lamineren van de flexibele kern tot het testen van de impedantie van het eindproduct. Individuele stijve segmenten van de printplaat worden afzonderlijk vervaardigd en vervolgens samen met het flexibele segment aan elkaar gehecht. Er moet bijzondere aandacht worden besteed aan de nauwkeurigheid van het positioneren van de stijve segmenten ten opzichte van het flexibele segment.

 

Bij het vervaardigen van stijve-flex-PCB's is het kiezen van de juiste leverancier van cruciaal belang. In tegenstelling tot consumentenelektronica brengen medische apparaten en apparatuur een hoge mate van verantwoordelijkheid met zich mee. Daarom moeten fabrikanten van dergelijke apparaten zorgvuldig een leverancier selecteren die over uitgebreide expertise beschikt op het gebied van de productie van stijve-flex-PCB's. De interactie met de leverancier moet gebaseerd zijn op een hoog niveau van vertrouwen en vertrouwen in de capaciteiten van de gekozen partner. Het hoofddoel is het ontwikkelen van een werkend prototype van een medische endoscoopcamera die aan alle technische specificaties voldoet.

 

Dankzij het stijve-flexibele ontwerp kunnen nieuwe soorten medische endoscopen worden ontwikkeld die kleiner van formaat, nauwkeuriger en comfortabeler zijn voor patiënten. Tegelijkertijd is het van essentieel belang om bij het maken van medische endoscopen rekening te houden met alle aspecten van het ontwerp van stijve-flex-PCB's. Dit impliceert een gedetailleerde analyse van de vereisten voor de kenmerken van flexibele en stijve segmenten en het bepalen van hun optimale opstelling binnen de distale punt van de endoscoop. Bij het ontwerpen van de endoscoopcamera moet ook rekening worden gehouden met de signaalintegriteit van de drie-dimensionale stijve-flex-PCB om betrouwbare video-overdracht te garanderen. De materialen die worden gebruikt om de stijve-flex PCB te vervaardigen zijn ook van groot belang, omdat ze moeten voldoen aan de strenge eisen van de medische industrie.