Obwody drukowane i laminaty - nietypowe zastosowania

Rys. 1. Typowa struktura PCB

Od obecnie produkowanych obwodów oczekuje się m.in.: niskiej stratności sygnału, możliwe wysokiej odporności na przebicia i upływności, wysokiej trwałości mechanicznej oraz niezawodności przy pracy w warunkach podwyższonej temperatury lub agresywnym środowisku. Oczekiwania te, wymusiły doskonalenie nie tylko samej technologii produkcji obwodów, ale również wytwarzania laminatów o pożądanych charakterystykach. Na przestrzeni lat okazało się, że materiały stosowane do produkcji obwodów drukowanych mogą być wykorzystane z powodzeniem także do innych zastosowań.

Producenci obwodów drukowanych mogą obecnie wytworzyć nawet bardzo skomplikowane struktury warstw miedzi i dielektryków, przy zachowaniu wysokiej precyzji wykonania. Współcześnie stosowana technologia pozwala na wytwarzanie obwodów hybrydowych składających się z typowych laminatów FR4 oraz przeznaczonych do pracy w zakresie wysokich częstotliwości materiałów na podłożach teflonowych lub ceramicznych.

Rozwiązania te pozwalają zintegrować w jednej strukturze materiały o różnych właściwościach. Dzięki temu, obwód drukowany i samo urządzenie są bardziej zwarte i niezawodne. Koszt produkcji jest przy tym niższy w porównaniu z wykonaniem oddzielnych układów, pracujących z sygnałami o wysokich i niskich częstotliwościach.

Poza szerokim wyborem parametrów samych laminatów, konstruktorzy dysponują także różnorodną technologią, umożliwiającą zastosowanie zaawansowanej obróbki mechanicznej:

• frezowanie skomplikowanych kształtów, wycięć oraz szczelin,
• frezowanie na głębokość,
• fazowanie otworów oraz krawędzi elementu.

W celu zwiększenia walorów estetycznych samych obwodów mogą oni stosować kolorowe maski antylutownicze i warstwy opisowe - zarówno na całej powierzchni, jak i dowolnie zaprojektowanych wzorów w wybranych miejscach obwodu.

Widoczne jest, że obok typowej roli obwodu drukowanego (realizacja połączeń elektrycznych), na znaczeniu zyskują funkcje typowo mechaniczne i estetyczne. Poniżej omówione zostaną niestandardowe elementy technologii i zastosowania obwodów drukowanych, które podzielono na dwie grupy:

• standardowe obwody drukowane o nietypowym zastosowaniu,
• obwody mające niefunkcjonalną elektrycznie warstwę miedzi oraz laminaty pozbawione warstw miedzianych.

Kształt tych elementów najczęściej uzyskiwany jest przez frezowanie.

Standardowa struktura, niestandardowe zastosowanie

Rys. 2. Przykład projektu z otworami montażowymi typu castellated holes

Przy wykorzystaniu typowych elementów, takich jak ścieżki oraz otwory metalizowane, można realizować na powierzchni obwodów drukowanych bardziej złożone rozwiązania techniczne.

Pierwszym, nietypowym zastosowaniem obwodu drukowanego, o którym warto wspomnieć, jest tworzenie zintegrowanych modułów, które są montowane powierzchniowo, bezpośrednio do innego obwodu drukowanego. Przykładem mogą być powszechnie stosowane moduły typu Wi-Fi, Bluetooth lub modemy GSM oraz GPS.

W taki sam sposób można zaprojektować również adaptery pod układy scalone, pozwalające zamontować na PCB elementy o innym układzie wyprowadzeń lub obudowie, bez konieczności projektowania nowszej wersji obwodu. Najprostszym sposobem na montaż takiego modułu/adaptera jest zastosowanie na jego krawędziach metalizowanych półotworów (castellated holes), które pełnią funkcję pól kontaktowych (rys. 2). Takie rozwiązanie można również wykorzystać do łączenia ze sobą dwóch płyt PCB, także pod kątem prostym, w celu wyeliminowania połączeń kablowych.

Kolejnym przykładem jest zabudowanie w strukturze obwodu drukowanego transformatorów planarnych. W odróżnieniu od typowego transformatora, uzwojenia wykonane są na warstwie miedzi w postaci płaskich cewek. Wewnątrz nich wykonane są otwory, przez które przechodzą rdzenie.

Tego typu struktury charakteryzują się małymi wymiarami, niskim profilem oraz dobrymi parametrami pracy (bardzo dobre parametry termiczne, niska indukcyjność rozproszeniowa, stałe parametry pracy). Mogą one być konstruowane jako elementy zintegrowane z obwodem drukowanym (rys. 3a) lub samodzielne komponenty o wielowarstwowej strukturze (rys. 3b).

Rys. 3. Przykład budowy transformatora planarnego (po lewej) oraz widok gotowego modułu transformatora (po prawej)

Na mozaikach obwodów drukowanych można również projektować różnego rodzaju anteny, tzw. anteny mikropaskowe o promiennikach w formie ścieżek lub w kształcie prostokąta. Pierwszym, wyróżnionym typem jest tzw. zintegrowana antena meandrowa (rys. 4), będąca elementem składowym obwodu drukowanego (struktura jest wytworzona na wydzielonym obszarze obwodu). Jej zaletą jest niższy koszt w porównaniu do anteny montowanej jako zewnętrzny moduł, ponieważ jej cena zawiera się w zasadzie w cenie płytki.

Eliminuje się w ten sposób konieczność przeprowadzania dodatkowego montażu. Dzięki łatwości oraz precyzji wykonania, np. metodą wytrawiania, można indywidualnie zestroić jej parametry pracy, np. impedancję, współczynnik fali stojącej i przez to ograniczyć straty sygnałowe. Taką technologię wykorzystuje się do budowania anten panelowych, kierunkowych typu Yagi-Uda, typu odwrócone F oraz helikalnych, np. na pasmo 2,4 GHz (Wi-Fi, Bluetooth).

Rys. 4. Przykład projektu z anteną zintegrowaną

Antenę można również wykonać jako osobny element o powierzchni całego obwodu drukowanego. Jednak bez względu na sposób wykonania oraz stopień zintegrowania ważne jest aby materiał, na którym wykonana jest antena, zapewniał jej prawidłową pracę. Najczęściej anteny zintegrowane z uwagi na rozmiary mozaik, i grubości laminatów pracują głównie w paśmie od setek MHz do pojedynczych GHz.

Ścieżki miedziane na płaszczyźnie obwodu drukowanego można również uformować w taki sposób, aby pełniły funkcję grzałki (grzałka rezystancyjna, rys. 5).

Może ona podgrzewać ciecz w sposób bezpośredni poprzez zanurzenie lub pośredni - postawienie naczynia na grzałce, np. podgrzewacz do kubka. Tego typu grzałki stosuje się również w celu podgrzewania podłoża (stół grzewczy) w drukarkach 3D lub jako element stabilizacji temperatury wzorców.

Elementy mechaniczne

Rys. 5. Przykład grzałki rezystancyjnej

Warto zauważyć, że laminat bazowy wykorzystywany do produkcji PCB doskonale nadaje się do wykonania maskownic lub płyt czołowych urządzeń produkowanych małoseryjnie. Zazwyczaj stosowany jest materiał o podłożu epoksydowo-szklanym FR4, a więc mający dość dobre właściwości mechaniczne oraz izolacyjne. Ponadto, charakteryzuje się on stosunkowo łatwą obróbką mechaniczną.

Wykorzystanie laminatu jako płyty czołowej może być atrakcyjne przede wszystkim z uwagi na: szerokie spektrum dostępnych grubości dielektryka, możliwość wycięcia niemal dowolnie skomplikowanego kształtu oraz wykonania wycięć wewnątrz płyty, również na głębokość. Możliwe jest ponadto nałożenie warstwy wykończeniowej o odpowiednim kolorze oraz warstwy opisowej w kolorze kontrastowym (opisy, logo, nazwa itd.).

Paleta dostępnych barw jest ograniczona i należy ją dobierać zgodnie z kolorystyką dostępną u producenta obwodów. Ograniczenie co do liczby nakładanych kolorów na stronę płytki należy skonsultować z producentem. Nałożenie kilku jest technologicznie możliwe, ale z punktu widzenia produkcji - kłopotliwe i czasochłonne. Nie jest więc dostępne w standardowej ofercie.

Ograniczając się do typowej kolorystyki masek antylutowniczych oraz unikając wielokolorowych opisów można uzyskać stosunkowo niskim kosztem płyty czołowe o dobrych walorach wizualnych. Należy pamiętać, że wraz ze wzrostem liczby sztuk, rośnie całkowity koszt obróbki mechanicznej frezowaniem. Dla większych serii, finalne kształty płyt korzystniej jest uzyskiwać poprzez zastosowanie wykrojników.

Obwód drukowany może być także wykorzystywany jako główny element konstrukcyjny urządzenia, tj. element mechaniczny, scalający wszystkie jego podzespoły, pełniący jednocześnie funkcje elektryczne. Stanowi on wówczas płytę główną, do której mocuje się moduły składowe, a układ ścieżek na płycie zapewnia prawidłową i zwartą komutację sygnałów oraz zasilania.

Jako przykłady zastosowań, wymienić można systemy pomiarowe wkładane na głowę wykorzystywane m.in. w medycynie, lotnictwie czy różnego rodzaju symulatorach. Stosuje się je w podobnym celu w instrumentach elektrycznych, np. przystawkach, w zabawkach, np. elektronicznych kostkach do gry lub robotach edukacyjnych.

Zdarza się również, że konstruktorzy wykorzystują laminaty w całkowicie zaskakujący sposób np. do wygłuszania pomieszczeń. Ponadto, strawiony laminat, czyli warstwa dielektryka pozbawiona folii miedzianych, stosowany jest często jako różnego rodzaju podstawki dystansowe o regulowanej grubości, składające się z kilku elementów o tym samym kształcie. Mogą one być wykorzystywane np. jako dodatkowe izolatory w układach pracujących z wysokimi napięciami.

Narzędzia dla montażystów układów elektronicznych

Rys. 6. Przykład adaptera do montażu cienkich obwodów

Montaż elementów elektronicznych na obwodach wykonanych na cienkich laminatach, o grubości 0,5 mm i mniejszej, może być utrudniony. Problemem staje się uginanie laminatu pod ciężarem elementów oraz wyginanie/skręcanie pod wpływem wysokiej temperatury występującej podczas procesu montażu. W celu usztywnienia panelu można zastosować tzw. fiksturę montażową lub adapter, którego przykładowy projekt został przedstawiony na rysunku 6. Adapter ułatwia proces montażu elementów poprzez zwiększenie sztywności obwodów.

Jest to laminat bez miedzi o grubości większej niż grubość montowanego obwodu - najczęściej 1,55 ÷ 2 mm, mający wyfrezowany na głębokość kształt (żółty obszar), w którym umieszczany jest pakiet montażowy. Na rysunku widoczne są również półkoliste wycięcia (kolor niebieski), też frezowane na głębokość, które ułatwiają operatorowi wyciąganie pakietu z adaptera (podfrezowania na palce).

Inny typem adapterów są tzw. maskownice do testowania, które są elementami składowymi adapterów do przeprowadzenia testu funkcjonalnego zmontowanych pakietów. Zdarza się, że tego typu elementy zamawiane są w komplecie z obwodem drukowanym. Jest to najczęściej sam laminat bez miedzi z wywierconymi otworami montażowymi oraz otworami pod punkty testowe. Dodatkowo, na górnej warstwie naniesiona jest warstwa opisowa, która zawiera nazwy poszczególnych punktów testowych oraz dodatkowe elementy identyfikacyjne (nazwa fikstury, logo, rewizja itd.).

Montażyści wykorzystują również inne typy adapterów/narzędzi, które ułatwiają im montaż nietypowych zleceń. Używane są różnego rodzaju dystanse, podkładki czy kształtowniki, ułatwiające wykonanie nietypowych połączeń, np. trwałego zespolenia dwóch zmontowanych obwodów drukowanych.

Podsumowanie

W artykule przedstawiono nietypowe techniki rozszerzające funkcjonalność tradycyjnych obwodów drukowanych, m.in. transformatory oraz anteny planarne. Omówiono także przykłady nietypowego wykorzystania laminatów, niepełniących funkcji elektronicznych. Stosuje się je głównie jako pomocnicze elementy mechaniczne o pożądanej grubości i kształcie. Jak widać, zastosowania obwodów drukowanych oraz laminatów mogą być bardzo różnorodne. Ograniczeniem jest jedynie pomysłowość konstruktora oraz umiejętność wykorzystania przez niego dostępnych technologii wytwarzania obwodów drukowanych.

Łukasz Romik
Specjalista Wsparcia CAM
TS PCB Techno-Service S.A.
www.pcb-technoservice.eu