Cómo el diseño de la placa base del endoscopio rompe la maldición espacial en la ingeniería de la punta distal

En endoscopia, hay una eterna batalla por el espacio dentro de la punta distal del endoscopio. Para crear un dispositivo más delgado y capaz, se debe reconsiderar el diseño y la disposición de las placas de circuito. El enfoque convencional de las placas de circuito impreso rígidas se ve desafiado por el deseo de hacer que la cámara endoscópica médica sea más compacta y flexible. La solución se encuentra en una placa de circuito impreso rígida-flexible que combine las ventajas de las PCB rígidas y flexibles.

 

La maldición espacial

Un escenario típico implica el uso de una cámara endoscópica médica: el endoscopio se inserta en el cuerpo del paciente y se navega hasta la ubicación objetivo utilizando imágenes e iluminación proporcionadas por el módulo de cámara ubicado en el extremo distal. Para satisfacer el requisito de un gran campo de visión, se utilizan placas de circuito impreso rígidas convencionales para montar el sensor de imagen, los diodos emisores de luz-y otros componentes. Estas tablas son rígidas y no se pueden plegar para ahorrar espacio dentro de la punta estrecha. Por otro lado, los circuitos flexibles introducirían tensiones en las uniones de soldadura debido a la flexión.

 

Las placas de circuito flexible se utilizan normalmente para proporcionar la cantidad necesaria de espacio dentro de la punta distal del endoscopio. Se puede colocar una PCB flexible a lo largo del eje longitudinal del visor, ocupando una pequeña sección transversal-. Sin embargo, al ensamblar una cámara endoscópica, el circuito flexible está sujeto a fuerzas de flexión tanto durante la fabricación como durante el funcionamiento. Las uniones de soldadura que conectan los componentes a la placa de circuito pueden resultar dañadas por este tipo de tensión. En muchos casos, el daño ocurre durante un solo procedimiento y resulta en la pérdida de imagen.

 

La placa de circuito rígida-flexible permite la mejor combinación de rigidez y flexibilidad. Se colocan varios segmentos de placa rígida a lo largo de la dirección longitudinal del núcleo de PCB flexible. Permite montar el sensor de imagen, LED y otros componentes en intervalos específicos. La ventaja de este enfoque es que las uniones de soldadura que conectan los componentes al tablero rígido no se ven afectadas por la flexión, eliminando así la posibilidad de agrietamiento o delaminación. La flexibilidad de la PCB se utiliza para colocar la placa dentro de la punta distal del endoscopio.

 

La tercera dimensión

El diseño rígido-flexible permite utilizar la tercera dimensión dentro de la punta distal del endoscopio. Al diseñar la placa de circuito, los componentes se colocan en segmentos rígidos en varios niveles y ángulos. Por ejemplo, una placa de circuito flexible se puede plegar varias veces a diferentes alturas para albergar un módulo de cámara, cámaras laterales y LED. El resultado es una placa de circuito flexible-rígida-de tres niveles, donde la cámara frontal y las cámaras laterales se colocan en diferentes ángulos con respecto al eje central del visor.

 

Se requiere un marco rígido para sostener la placa de circuito-flexible rígida y plegada. Un marco de este tipo suele estar hecho de metal y sirve como disipador de calor para los LED y el sensor de imagen. Al iluminar el área objetivo, la matriz de LED emite luz y calor. La energía disipada debe eliminarse del módulo de la cámara para evitar efectos de la temperatura en su rendimiento. Esto resulta especialmente importante cuando el endoscopio se utiliza en dirección retrógrada, ya que la mayor parte de la iluminación se refleja en los tejidos internos.

La integridad de la señal de la PCB -rígida-flexible tridimensional está garantizada por una disposición especial de las tierras de distribución de energía y la capa de señal. Al organizar las conexiones eléctricas se presta especial atención a la transición de placas de circuito impreso rígidas a placas de circuito impreso flexibles. La placa de circuito utiliza un diseño multi-capa en segmentos rígidos y flexibles. Las capas exteriores del núcleo rígido proporcionan un plano de tierra que aísla los rastros de señal de la interferencia electromagnética. El segmento flexible tiene una impedancia característica controlada para reducir las pérdidas de señal y la diafonía. Se toman medidas especiales al diseñar el área de transición para evitar reflejos de señal que distorsionarían la imagen.

 

Para garantizar la integridad de la señal de vídeo 4K, una PCB rígida-flexible requiere un nivel de fabricación experto-. Un fabricante calificado realizará un control de impedancia de precisión y utilizará los materiales adecuados para minimizar las pérdidas de señal. Para segmentos rígidos, los fabricantes utilizarán construcciones avanzadas de múltiples-capas con planos de tierra controlados. Para segmentos flexibles, los fabricantes realizarán una perforación láser de precisión para garantizar una colocación precisa. Se pueden realizar pruebas de integridad de la señal en todos los prototipos para lograr el cumplimiento de los requisitos de integridad de la señal. La cámara endoscópica médica podrá ofrecer una imagen confiable incluso después de miles de ciclos de flexión cuando se somete a un uso normal.

 

Materiales

La selección de materiales para la fabricación de placas de circuitos rígidos-flexibles también es bastante importante. Los dispositivos médicos a menudo se someten a rigurosos procedimientos de esterilización, incluido el autoclave a 134 grados Celsius. Las placas de circuito impreso flexibles suelen estar hechas de una película de poliimida recubierta con una lámina de cobre. Estos materiales se someten a altas temperaturas durante el proceso de delaminación. Al seleccionar materiales, se debe prestar especial atención a los coeficientes de permitividad dieléctrica y factor de disipación para reducir las pérdidas de señal.

 

El uso de materiales como la poliimida Kapton, fabricado con tecnología de láminas de cobre sin adhesivo, reduce la posibilidad de delaminación causada por los cambios de temperatura durante el autoclave. Al mismo tiempo, el uso de dichos materiales elimina la emisión de sustancias tóxicas durante la exposición a altas temperaturas. Una de las características más importantes en la selección de materiales para PCB rígidos-flexibles es su cumplimiento de la norma ISO 10993.

El fabricante debe tener una amplia experiencia en la fabricación de PCB rígidos-flexibles para elegir los materiales adecuados. Al seleccionar materiales para segmentos flexibles, el fabricante debe considerar su radio de curvatura. Esta propiedad es especialmente importante cuando se fabrica una PCB rígida-flexible con una forma tridimensional compleja-. La elección de materiales como láminas de cobre sin adhesivo depende también de la resistencia mecánica necesaria de la placa de circuito impreso.

 

Producción

La fabricación de PCB rígidas-flexibles es un proceso complejo y desafiante. Para producir una cámara endoscópica médica, un fabricante de PCB debe tener una amplia experiencia en la fabricación de PCB rígidas-flexibles. La producción de placas de circuitos rígidas-flexibles normalmente incluye más de 80 pasos, desde la laminación del núcleo flexible hasta las pruebas de impedancia del producto terminado. Los segmentos rígidos individuales de la placa de circuito se fabrican por separado y luego se unen junto con el segmento flexible. Se debe prestar especial atención a la precisión del posicionamiento de los segmentos rígidos con respecto al segmento flexible.

 

Al fabricar PCB -flexibles rígidos, elegir el proveedor adecuado es fundamental. A diferencia de la electrónica de consumo, los dispositivos y equipos médicos implican un alto grado de responsabilidad. Por lo tanto, los fabricantes de dichos dispositivos deben seleccionar cuidadosamente un proveedor que tenga amplia experiencia en el campo de la fabricación de PCB rígidos-flexibles. La interacción con el proveedor debe basarse en un alto nivel de confianza en las capacidades del socio elegido. El objetivo principal es desarrollar un prototipo funcional de cámara endoscópica médica que cumpla con todas las especificaciones técnicas.

 

El diseño rígido-flex permite desarrollar nuevos tipos de endoscopios médicos que son más pequeños, más precisos y más cómodos para los pacientes. Al mismo tiempo, es esencial considerar todos los aspectos del diseño de PCB rígidos-flexibles al crear endoscopios médicos. Esto implica analizar en detalle los requisitos de las características de los segmentos flexibles y rígidos y determinar su disposición óptima dentro de la punta distal del endoscopio. La integridad de la señal de la PCB -rígida-flexible tridimensional también se debe considerar al diseñar la cámara del endoscopio para garantizar una transferencia de video confiable. Los materiales utilizados para fabricar la PCB rígida-flexible también son de gran importancia, ya que deben cumplir con los estrictos requisitos de la industria médica.