Comment la conception de la carte mère d'endoscope brise la malédiction spatiale dans l'ingénierie de la pointe distale

En endoscopie, il y a une bataille éternelle pour l'espace à l'extrémité distale de l'endoscope. Pour créer un appareil plus fin et plus performant, la conception et la disposition des circuits imprimés doivent être reconsidérées. L'approche conventionnelle des cartes de circuits imprimés rigides est remise en question par le désir de rendre la caméra d'endoscope médical plus compacte et plus flexible. La solution réside dans un circuit imprimé rigide-flexible qui combine les avantages des PCB rigides et flexibles.

 

La malédiction spatiale

Un scénario typique implique l'utilisation d'une caméra d'endoscope médical : l'endoscope est inséré dans le corps du patient et dirigé vers l'emplacement cible à l'aide de l'imagerie et de l'éclairage fournis par le module de caméra situé à l'extrémité distale. Pour satisfaire l'exigence d'un grand champ de vision, des cartes de circuits imprimés rigides conventionnelles sont utilisées pour monter le capteur d'image, les diodes électroluminescentes - et d'autres composants. Ces planches sont rigides et ne peuvent pas être pliées pour gagner de la place à l'intérieur de la pointe étroite. D’un autre côté, les circuits flexibles introduiraient des contraintes au niveau des joints de soudure dues à la flexion.

 

Des cartes de circuits imprimés flexibles sont généralement utilisées pour fournir l'espace nécessaire à l'intérieur de l'extrémité distale de l'endoscope. Un PCB flexible peut être placé le long de l'axe longitudinal de l'oscilloscope, occupant une petite section transversale-. Cependant, lors de l'assemblage d'une caméra endoscopique, le circuit flexible est soumis à des forces de flexion tant lors de la fabrication que du fonctionnement. Les joints de soudure reliant les composants au circuit imprimé peuvent être endommagés par ce type de contrainte. Dans de nombreux cas, les dommages surviennent au cours d’une seule procédure et entraînent une perte d’image.

 

Le circuit imprimé rigide-flexible permet la meilleure combinaison de rigidité et de flexibilité. Plusieurs segments de carte rigide sont placés le long de la direction longitudinale du noyau flexible du PCB. Il permet de monter le capteur d'image, les LED et d'autres composants à des intervalles spécifiques. L'avantage de cette approche est que les joints de soudure reliant les composants à la carte rigide ne sont pas affectés par la flexion, éliminant ainsi la possibilité de fissuration ou de délaminage. La flexibilité du PCB est utilisée pour placer la carte à l’intérieur de l’extrémité distale de l’endoscope.

 

La troisième dimension

La conception rigide-flexible permet d'utiliser la troisième dimension à l'intérieur de l'extrémité distale de l'endoscope. Lors de la conception du circuit imprimé, les composants sont placés sur des segments rigides à différents niveaux et angles. Par exemple, un circuit imprimé flexible peut être plié plusieurs fois à différentes hauteurs pour contenir un module de caméra, des caméras latérales et des LED. Le résultat est un circuit imprimé flexible à trois-rigides-, où la caméra frontale et les caméras latérales sont placées à différents angles par rapport à l'axe central de la lunette.

 

Un cadre rigide est nécessaire pour maintenir le circuit imprimé rigide -flexible plié. Un tel cadre est généralement en métal et sert de dissipateur thermique pour les LED et le capteur d'image. Lors de l'éclairage de la zone cible, le réseau de LED émet de la lumière et de la chaleur. L'énergie dissipée doit être retirée du module de caméra pour éviter les effets de la température sur ses performances. Cela devient particulièrement important lorsque l'endoscope est utilisé dans une direction rétrograde, car la majeure partie de l'éclairage est réfléchie par les tissus internes.

L'intégrité du signal du PCB flexible tridimensionnel-rigide-est assurée par une disposition spéciale des masses de distribution d'énergie et de la couche de signal. Lors de la disposition des connexions électriques, une attention particulière est portée à la transition des PCB rigides aux PCB flexibles. Le circuit imprimé utilise une conception multi-couche sur des segments rigides et flexibles. Les couches externes du noyau rigide fournissent un plan de masse qui isole les traces du signal des interférences électromagnétiques. Le segment flexible possède une impédance caractéristique contrôlée pour réduire les pertes de signal et la diaphonie. Des mesures spéciales sont prises lors de la conception de la zone de transition pour éviter les réflexions du signal, qui déformeraient l'image.

 

Pour garantir l'intégrité du signal vidéo 4K, un PCB rigide-flexible nécessite une fabrication de niveau expert-. Un fabricant qualifié effectuera un contrôle d'impédance de précision et utilisera les bons matériaux pour minimiser les pertes de signal. Pour les segments rigides, les fabricants utiliseront des constructions multi-avancées avec des plans de sol contrôlés. Pour les segments flexibles, les fabricants effectueront un perçage laser de précision pour garantir un placement précis. Des tests d'intégrité du signal peuvent être effectués sur tous les prototypes pour assurer la conformité aux exigences d'intégrité du signal. La caméra endoscopique médicale sera capable de fournir une image fiable même après des milliers de cycles de flexion lorsqu'elle est soumise à une utilisation normale.

 

Matériels

Le choix des matériaux pour la fabrication de circuits imprimés rigides-flexibles est également très important. Les dispositifs médicaux sont souvent soumis à des procédures de stérilisation rigoureuses, notamment à l'autoclave à 134 degrés Celsius. Les cartes de circuits imprimés flexibles sont souvent constituées d'un film de polyimide recouvert d'une feuille de cuivre. Ces matériaux sont soumis à des températures élevées pendant le processus de délaminage. Lors de la sélection des matériaux, une attention particulière doit être portée aux coefficients de permittivité diélectrique et au facteur de dissipation afin de réduire les pertes de signal.

 

L'utilisation de matériaux tels que le polyimide Kapton, fabriqués à l'aide de la technologie des feuilles de cuivre sans colle, réduit le risque de délaminage causé par les changements de température pendant l'autoclavage. Dans le même temps, l'utilisation de tels matériaux élimine l'émission de substances toxiques lors d'une exposition à des températures élevées. L'une des caractéristiques les plus importantes dans la sélection des matériaux pour les PCB rigides-flexibles est leur conformité à la norme ISO 10993.

Le fabricant doit posséder une vaste expérience dans la fabrication de PCB rigides-flexibles pour choisir les bons matériaux. Lors de la sélection des matériaux pour les segments flexibles, le fabricant doit tenir compte de leur rayon de courbure. Cette propriété est particulièrement importante lors de la fabrication d'un PCB rigide-flexible avec une forme tridimensionnelle complexe-. Le choix de matériaux tels qu'une feuille de cuivre sans colle dépend également de la résistance mécanique requise pour le circuit imprimé.

 

Production

La fabrication de PCB rigides-flexibles est un processus complexe et exigeant. Pour produire une caméra d'endoscope médical, un fabricant de PCB doit posséder une expertise approfondie dans la fabrication de PCB rigides-flexibles. La production de cartes de circuits imprimés rigides-flexibles comprend généralement plus de 80 étapes, depuis le laminage du noyau flexible jusqu'au test d'impédance du produit fini. Les segments rigides individuels du circuit imprimé sont fabriqués séparément, puis liés ensemble avec le segment flexible. Une attention particulière doit être portée à la précision du positionnement des segments rigides par rapport au segment flexible.

 

Lors de la fabrication de PCB rigides-flexibles, le choix du bon fournisseur est crucial. Contrairement à l’électronique grand public, les dispositifs et équipements médicaux impliquent un haut degré de responsabilité. Par conséquent, les fabricants de tels dispositifs doivent sélectionner avec soin un fournisseur possédant une vaste expertise dans le domaine de la fabrication de PCB rigides-flexibles. L'interaction avec le fournisseur doit être fondée sur un niveau élevé de confiance dans les capacités du partenaire choisi. L’objectif principal est de développer un prototype fonctionnel de caméra endoscopique médicale répondant à toutes les spécifications techniques.

 

La conception rigide-flexible permet de développer de nouveaux types d'endoscopes médicaux plus petits, plus précis et plus confortables pour les patients. Dans le même temps, il est essentiel de prendre en compte tous les aspects de la conception des PCB rigides-flexibles lors de la création d'endoscopes médicaux. Cela implique d'analyser en détail les exigences relatives aux caractéristiques des segments flexibles et rigides et de déterminer leur disposition optimale au sein de l'extrémité distale de l'endoscope. L'intégrité du signal du PCB flexible tridimensionnel-rigide- doit également être prise en compte lors de la conception de la caméra de l'endoscope afin de garantir un transfert vidéo fiable. Les matériaux utilisés pour fabriquer le PCB rigide-flexible sont également d'une grande importance, car ils doivent répondre aux exigences strictes de l'industrie médicale.