Как конструкция материнской платы эндоскопа разрушает «космическое проклятие» при разработке дистальных наконечников

В эндоскопии идет вечная битва за пространство внутри дистального конца эндоскопа. Чтобы создать более тонкое и мощное устройство, необходимо пересмотреть конструкцию и расположение печатных плат. Традиционный подход к использованию жестких печатных плат бросает вызов желанию сделать камеру медицинского эндоскопа более компактной и гибкой. Решение следует искать в жесткой-гибкой печатной плате, которая сочетает в себе преимущества жестких и гибких печатных плат.

 

Космическое проклятие

Типичный сценарий предполагает использование медицинской эндоскопической камеры: эндоскоп вводится в тело пациента и перемещается к целевому местоположению с помощью визуализации и освещения, обеспечиваемых модулем камеры, расположенным на дистальном конце. Чтобы удовлетворить требованиям большого поля зрения, для установки датчика изображения, светодиодов и других компонентов используются обычные жесткие печатные платы. Эти доски жесткие и их нельзя сложить для экономии места внутри узкого наконечника. С другой стороны, гибкие схемы могут создавать напряжения в паяных соединениях из-за изгиба.

 

Гибкие платы обычно используются для обеспечения необходимого пространства внутри дистального кончика эндоскопа. Гибкая печатная плата может быть размещена вдоль продольной оси прицела, занимая небольшое поперечное-сечение. Однако при сборке камеры эндоскопа гибкий контур подвергается изгибающим усилиям как во время изготовления, так и в процессе эксплуатации. Паяные соединения, соединяющие компоненты с печатной платой, могут быть повреждены этим типом напряжения. Во многих случаях повреждение происходит во время одной процедуры и приводит к потере изображения.

 

Жесткая-гибкая печатная плата обеспечивает наилучшее сочетание жесткости и гибкости. Несколько жестких сегментов платы расположены вдоль продольного направления гибкого ядра печатной платы. Это позволяет устанавливать датчик изображения, светодиоды и другие компоненты через определенные промежутки времени. Преимущество этого подхода заключается в том, что паяные соединения, соединяющие компоненты с жесткой платой, не подвергаются изгибу, что исключает возможность растрескивания или расслоения. Гибкость печатной платы используется для размещения платы внутри дистального кончика эндоскопа.

 

Третье измерение

Жесткая-гибкая конструкция позволяет использовать третье измерение внутри дистального кончика эндоскопа. При проектировании платы компоненты размещаются на жестких сегментах на разных уровнях и под разными углами. Например, гибкую монтажную плату можно сложить несколько раз на разной высоте, чтобы вместить модуль камеры, боковые камеры и светодиоды. В результате получается трехуровневая-жесткая-гибкая печатная плата, на которой передняя и боковые камеры расположены под разными углами относительно центральной оси прицела.

 

Для удержания сложенной жесткой-гибкой печатной платы требуется жесткая рама. Такая рамка обычно изготавливается из металла и служит радиатором для светодиодов и датчика изображения. При освещении целевой области светодиодная матрица излучает свет и тепло. Рассеиваемую энергию необходимо отводить от модуля камеры, чтобы предотвратить влияние температуры на ее работу. Это становится особенно важным, когда эндоскоп используется в ретроградном направлении, поскольку большая часть света отражается от внутренних тканей.

Целостность сигнала трехмерной-жесткой-гибкой печатной платы обеспечивается специальным расположением силовых распределительных площадок и сигнального слоя. При организации электрических соединений особое внимание уделяется переходу от жестких печатных плат к гибким. Печатная плата имеет многослойную-конструкцию как на жестких, так и на гибких сегментах. Внешние слои жесткого сердечника образуют заземляющую пластину, которая изолирует трассы сигнала от электромагнитных помех. Гибкий сегмент имеет контролируемое характеристическое сопротивление для уменьшения потерь сигнала и перекрестных помех. При проектировании переходной зоны принимаются специальные меры для предотвращения отражения сигнала, искажающего изображение.

 

Чтобы обеспечить целостность видеосигнала 4K, жесткая-гибкая печатная плата требует производства на экспертном-уровне. Квалифицированный производитель выполнит точный контроль импеданса и использует подходящие материалы для минимизации потерь сигнала. Для жестких сегментов производители будут использовать усовершенствованные много-конструкции с контролируемыми плоскостями заземления. Для гибких сегментов производители выполняют прецизионное лазерное сверление, чтобы обеспечить точное размещение переходных отверстий. Тесты целостности сигнала могут проводиться на всех прототипах для достижения соответствия требованиям целостности сигнала. Медицинская эндоскопическая камера сможет обеспечить надежное изображение даже после тысяч циклов изгиба при нормальном использовании.

 

Материалы

Выбор материалов для изготовления жестких-гибких плат также весьма важен. Медицинские изделия часто подвергаются строгим процедурам стерилизации, включая автоклавирование при температуре 134 градуса Цельсия. Гибкие печатные платы часто изготавливаются из полиимидной пленки, покрытой медной фольгой. Такие материалы в процессе расслаивания подвергаются воздействию высоких температур. При выборе материалов особое внимание следует уделять коэффициентам диэлектрической проницаемости и коэффициенту потерь для уменьшения потерь сигнала.

 

Использование таких материалов, как полиимид каптон, изготовленных по безклеевой технологии медной фольги, снижает вероятность расслоения, вызванного перепадами температур во время автоклавирования. В то же время использование таких материалов исключает выделение токсичных веществ при воздействии высоких температур. Одной из наиболее важных характеристик при выборе материалов для жестких-гибких печатных плат является их соответствие стандарту ISO 10993.

Чтобы выбрать правильные материалы, производитель должен иметь большой опыт в производстве жестких-гибких печатных плат. При выборе материалов для гибких сегментов производитель должен учитывать радиус их изгиба. Это свойство особенно важно при изготовлении жесткой-гибкой печатной платы сложной трехмерной-формы. Выбор таких материалов, как медная фольга без клея, также зависит от механической прочности, необходимой для печатной платы.

 

Производство

Производство жестких-гибких печатных плат — сложный и трудоемкий процесс. Чтобы произвести медицинскую эндоскопическую камеру, производитель печатных плат должен обладать обширным опытом в производстве жестких-гибких печатных плат. Производство жестких-гибких печатных плат обычно включает более 80 этапов: от ламинирования гибкого сердечника до испытания импеданса готового продукта. Отдельные жесткие сегменты печатной платы изготавливаются отдельно, а затем соединяются вместе с гибким сегментом. Особое внимание следует уделить точности позиционирования жестких сегментов относительно гибкого.

 

При производстве жестких-гибких печатных плат решающее значение имеет выбор правильного поставщика. В отличие от бытовой электроники, медицинские приборы и оборудование предполагают высокую степень ответственности. Поэтому производители таких устройств должны тщательно выбирать поставщика, обладающего обширным опытом в области производства жестких-гибких печатных плат. Взаимодействие с поставщиком должно строиться на высоком уровне доверия и уверенности в возможностях выбранного партнера. Основная цель — разработать рабочий прототип медицинской эндоскопической камеры, отвечающий всем техническим характеристикам.

 

Жесткая-гибкая конструкция позволяет разрабатывать новые типы медицинских эндоскопов, которые меньше по размеру, более точны и более удобны для пациентов. В то же время при создании медицинских эндоскопов важно учитывать все аспекты проектирования жестких-гибких печатных плат. Это предполагает детальный анализ требований к характеристикам гибких и жестких сегментов и определение их оптимального расположения внутри дистального кончика эндоскопа. При проектировании камеры эндоскопа также следует учитывать целостность сигнала трехмерной-жесткой-гибкой печатной платы, чтобы обеспечить надежную передачу видео. Материалы, используемые для изготовления жесткой-гибкой печатной платы, также имеют большое значение, поскольку они должны соответствовать строгим требованиям медицинской промышленности.