Płytki drukowane to doskonale znana każdemu technologia budowania układów elektronicznych. Ich powszechność sprawiła, że niemal wszystkie komponenty elektroniczne projektowane są z myślą o montażu właśnie na nich. Nie są jednak pozbawione wad, które ujawniają się zwłaszcza w przypadku ograniczeń przestrzennych lub zwiększonych wymagań. Ograniczenia te można jednak przezwyciężyć stosując obwody elastyczne i sztywno-elastyczne. Obie te technologie są cenione w zastosowaniach specjalistycznych, obserwujemy także ich stały wzrost również w elektronice użytkowej.
W dzisiejszym artykule przyjrzymy się technologiom
obwodów flex oraz
rigid-flex, oferowanym przez nie zaletom i ich zastosowaniom.
Budowa i rodzaje obwodów elastycznych
Drukowane obwody elastyczne zbudowane są niemal identycznie jak typowe płytki PCB. Tak samo jak one, posiadają jedną lub kilka miedzianych warstw przewodzących, przy czym zewnętrzne warstwy mogą być pokryte maską lutowniczą. Zasadniczą różnicą jest fakt, że zamiast sztywnego substratu z laminatu szklanego stosuje się znacznie cieńsze, naturalnie elastyczne podłoże. Materiały, z których jest ono wykonane to najczęściej tworzywa sztuczne o wysokiej odporności temperaturowej, w tym na przykład poliimidy (kapton). Dzięki temu płytka może być wyginana lub dowolnie kształtowana, bez ryzyka złamania lub uszkodzenia połączeń.
Z kolei
obwody drukowane sztywno-elastyczne, znane powszechnie pod nazwą rigid-flex, są hybrydą wspomnianych wcześniej technologii. Posiadają zarówno fragmenty z podłożem sztywnym jak i elastycznym, laminowane razem w jedną strukturę. Obszary sztywne najczęściej mieszczą komponenty elektroniczne, natomiast elementy giętkie służą jako połączenia między nimi. Zaawansowane procesy produkcyjne pozwalają na tworzenie wielu regionów z podłożem sztywnym o różnej liczbie warstw, a także na wyprowadzanie obwodów elastycznych ze specyficznych warstw płytki wielowarstwowej.
Przeczytaj także: Technologie montażu komponentów elektronicznych
Płytek rigid-flex nie należy mylić z usztywnionymi obwodami elastycznymi. Te drugie posiadają jedynie dodatkowy element usztywniający - często jest to metalowa blaszka, przyklejona do obwodu giętkiego. Zadaniem usztywnienia jest najczęściej wzmocnienie i stabilizacja obszaru, w którym lutowane są komponenty.
Gdzie i dlaczego stosuje się obwody elastyczne?
Nie zawsze dysponujemy wystarczającą ilością miejsca, aby umieścić wszystkie komponenty na jednym kawałku płytki drukowanej. Zamiast dzielić układ na wiele modułów można zastosować wówczas
płytki elastyczne, których kształt może być łatwo dostosowany do dostępnej wewnątrz obudowy przestrzeni. Pojedynczy moduł flex lub rigid-flex pozwala nam zastąpić większą ilość konwencjonalnych płytek PCB wraz z połączeniami pomiędzy nimi.
Obwody elastyczne, ze względu na znacznie mniejszą grubość pozwalają także na redukcję rozmiaru oraz masy układu. Szczególnie przydatne jest to w niewielkich urządzeniach o wysokim stopniu złożoności, wymagających dużej ilości komponentów i połączeń w ograniczonej przestrzeni. Rozwiązania tego typu spotykane są między innymi w aparatach cyfrowych i telefonach komórkowych.
[caption id="attachment_61823" align="aligncenter" width="930"]
Przykład wykorzystania obwodów giętkich w głowicy napędu CD-ROM. Możliwość dostosowania płytki do kształtu elementu umożliwia połączenie wszystkich komponentów bez konieczności stosowania przewodów oraz złącz[/caption]
Obwody elastyczne, dzięki swoim właściwościom mogą także zastępować przewody. Z zastosowaniem tym spotykamy się w większości
wyświetlaczy LCD i ich paneli dotykowych. Wyprowadzony z nich fragment giętkiej taśmy jest zazwyczaj zakończony
złączem ZIF. Taśmę taką można zginać i odkształcać, co pozwala na pewną swobodę w instalacji wyświetlacza. Taśma, podobnie jak zwykła płytka PCB może również pomieścić dodatkowe komponenty, takie jak sterownik dotyku lub układ regulacji napięcia.
Przeczytaj także: Wszystko o wyświetlaczach TFT LCD
Obwody elastyczne znajdują również zastosowanie w zespołach, które podczas użytkowania poruszają lub uginają się. Doskonałym przykładem takiego zastosowania jest ruchoma głowica dysku twardego. Od niedawna na popularności zyskują również
wyświetlacze OLED oparte na podłożu elastycznym, które umożliwia ich swobodne formowanie, zginanie, a nawet zwijanie.
Rigid-flex - rozwiązanie dla najbardziej wymagających zastosowań
Obwody rigid-flex oferują spójne i jednolite łączenia obszarów sztywnych i giętkich. Ich głównym atutem jest wysoka niezawodność tych połączeń. Są one znacznie pewniejsze oraz zapewniają lepszą integralność sygnału niż nawet najwyższej klasy złącza. Wszystko to pomaga nam spełnić wysokie wymagania dotyczące geometrii lub ochrony przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, a także kontroli impedancji ścieżek. Możliwość wyprowadzenia obwodów elastycznych z wybranych warstw płytki daje możliwość dostosowania się do specyficznych wymagań projektowych.
Stosowanie technologii rigid-flex jest jednak dość kosztowne, a projektowanie wymaga dużej wiedzy i doświadczenia. Z tego względu jest ona preferowanym rozwiązaniem w obszarach, w których kluczowymi czynnikami są zwartość oraz niezawodność układu. Stosuje się ją między innymi w sprzęcie medycznym i militarnym, a także w satelitach i sondach kosmicznych.
Trudności w projektowaniu i wytwarzaniu obwodów elastycznych
Projektowanie elastycznych obwodów drukowanych może być nie lada wyzwaniem. Zginanie powoduje bowiem powstawanie naprężeń, które w przypadku źle skonstruowanej płytki mogą powodować uszkodzenia obwodów. Należy więc przestrzegać pewnych specyficznych zasad projektowania oraz uwzględnić zjawiska zachodzące podczas odkształcenia płytki. Przykładem cechy konstrukcyjnej
obwodów elastycznych jest stosowanie obszarów "zakreskowanych" (w postaci kratki) zamiast jednolitych wypełnień. Dobrą praktyką jest również zakrywanie obrzeży padów i punktów lutowania maską lutowniczą (lakierem wierzchnim), aby zminimalizować ryzyko ich oderwania.
W zastosowaniach, w których kształt obwodów elastycznych musi być odpowiednio dostosowany do obudowy, konieczne jest prawidłowe i dokładne nakreślenie obrysu płytki. Projektant musi uwzględnić trójwymiarowy kształt, jaki płytka obierze po zgięciu w pożądany sposób. Oprócz szerokiej wiedzy wymaga to także użycia specjalnego oprogramowania do projektowania tego typu obwodów.
Projektowanie płytek elastycznych oraz elementów mechanicznych najczęściej musi odbywać się równolegle, a obie ekipy ściśle ze sobą współpracować.
Trudności pojawiają się także przy montażu komponentów. Uginające się fragmenty obwodów utrudniają precyzyjne pozycjonowanie i lutowanie części. Często konieczne jest używanie specjalnie przygotowanych płyt nośnych, a w przypadku obwodów rigid-flex - odpowiednie zamocowanie na panelu części sztywnych przy pomocy wypustek zrywalnych. Diagnozowanie oraz ręczne naprawy obwodów elastycznych również są znacznie utrudnione, a niekiedy nawet niemożliwe.
Nie sposób uniknąć także kwestii kosztów wytwarzania płytek elastycznych. Produkcja ich jest procesem znacznie bardziej skomplikowanym, wymagającym specjalnego oprzyrządowania. Z uwagi na często niestandardowy kształt płytek wykorzystanie powierzchni paneli jest gorsze, przez co rośnie zużycie materiałów. Wszystko to przekłada się na zdecydowanie wyższe koszty produkcji niż w przypadku standardowych płytek PCB. Z tego względu
wykonywanie własnych obwodów flex i rigid-flex nierzadko wykracza poza możliwości mniejszych przedsiębiorstw oraz hobbystów.
Od koncepcji aż po gotowy produkt - z firmą InterElcom
Firma InterElcom oferuje szeroki zakres usług związanych z projektowaniem urządzeń elektronicznych,
produkcją i montażem PCB, a także programowaniem systemów wbudowanych. Wieloletnie doświadczenie i kompetencja naszych specjalistów to powody, dla których powinieneś przekazać swój projekt w nasze ręce. Z nami możesz mieć pewność doboru najlepszych technologii i komponentów, a także profesjonalnego doradztwa i wsparcia. Zapraszamy do
kontaktu oraz darmowej wyceny projektu!
