Projektowanie elastycznych obwodów drukowanych

Elastyczne obwody drukowane, określane najczęściej jako "fleksy" lub po prostu FCB (Flexible Circuit Boards) pod wieloma względami projektowane są w identyczny sposób co ich sztywne odpowiedniki. Największa różnica polega na konieczności uwzględnienia czynników mechanicznych związanych z możliwością zginania oraz odkształcania tego typu obwodów. Błędne oszacowanie tego typu aspektów skutkować może trwałym uszkodzeniem układu, np. poprzez jego rozerwanie lub pęknięcie. Bardzo duże znaczenie ma zatem opracowanie mechanicznego modelu płytki PCB oraz poddanie go odpowiednim testom, co powinno zostać wykonane jeszcze przed rozpoczęciem tworzenia części elektrycznej projektu.

Typy elastycznych obwodów drukowanych

W zależności od potrzeb konkretnego zastosowania, skorzystać można z jednego z kilku rodzajów elastycznych PCB. Zalicza się do nich klasyczne płytki elastyczne, obwody sztywno giętkie oraz tzw. elastyczne płytki typu HDI, czyli charakteryzujące się większą gęstością upakowania komponentów oraz elementów mozaiki ścieżek.

Płytki elastyczne (Flexible PCB). Płytki elastyczne typu FCP (lub Flex PCB) stanowią giętką wersję tradycyjnych sztywnych obwodów. Ze względu na swoje właściwości charakteryzują się m.in. wyższą odpornością na drgania oraz wysokie temperatury. Często stosowane jako zamiennik przewodów połączeniowych lub samodzielny moduł przeznaczony do montażu w nietypowych, zazwyczaj niewielkich obudowach.

Sztywno-giętkie PCB (Rigid-Flex PCB). Tego typu rozwiązania stanowią hybrydę płytki elastycznej oraz klasycznych sztywnych PCB, połączonych ze sobą. Z praktycznego punktu widzenia płytki sztywno-giętkie nie muszą zostać połączone już na etapie laminacji, zamiast tego można wykorzystać w tym celu złącza oraz proces lutowania – trzy możliwe sposoby łączenia płytek sztywno giętkich przedstawiono na rysunku 1.

 

Rys. 1. Różne rodzaje płytek sztywno-giętkich. Po lewej stronie przedstawiono dwie sztywne płytki połączone z obszarem elastycznym za pomocą połączenia lutowanego. Środkowy obrazek przedstawia te same płytki umieszczone na jednym stosie warstw i laminowane razem już na etapie produkcji. Ilustracja po prawej pokazuje połączenie części elastycznej z jedną ze sztywnych płytek za pomocą złącza

Sztywne elementy tego typu konstrukcji wykorzystuje się zazwyczaj jako punkty montażowe, służące do umieszczenia układu w obudowie. Elastyczne fragmenty zapewniają możliwość dynamicznej zmiany kształtu oraz dużą swobodę przy projektowaniu końcowego wyglądu urządzenia.

Elastyczne PCB typu HDI. Płytki typu HDI (High Density Interconnect) charakteryzują się większą gęstością upakowania elementów oraz podwyższonymi możliwościami projektowymi, obejmującymi m.in. zdolność do umieszczania mikro przelotek. Pozwala to na montaż oraz rozprowadzenie ścieżek sygnałowych komponentów o bardzo małym rastrze, np. wykonanych w technologii BGA, na płytce o mniejszej liczbie warstw niż w przypadku rozwiązań klasycznych. Tego typu konstrukcje wytwarzane są niekiedy z wykorzystaniem laminatów/folii o mniejszej grubości, zachowujących jednak wysokie parametry niezawodnościowe.

Zalety obwodów elastycznych

Jednym z podstawowych zastosowań obwodów elastycznych jest łączenie klasycznych sztywnych płytek PCB, będące alternatywą dla połączeń kablowych. Znacząco upraszcza to proces montażu oraz może eliminować konieczność opracowania oraz produkcji dedykowanych przewodów lub wiązek kablowych.

Materiał, z którego wykonuje się obwody elastyczne charakteryzuje się bardzo dobrą wytrzymałością oraz odpornością na zmiany starzeniowe i zmęczeniowe, dzięki czemu konstrukcje te przetrwać mogą długie okresy zginania oraz odkształcania, liczone w milionach cykli.

W porównaniu do klasycznych PCB, rozwiązania te charakteryzują się znacznie mniejszą masą, co pomaga im lepiej znosić wibracje oraz drgania. Naprężenia generowane na połączeniach lutowniczych na elastycznym podłożu są dużo mniejsze od analogicznych sił oddziałujących na komponenty umieszczone na sztywnym laminacie dla tych samych warunków pracy.

Zastosowanie obwodów elastycznych

Właściwości plastyczne pozwalają znacznie łatwiej dopasować obwody elastyczne do kształtów obudowy urządzenia, otwierając dla producentów sprzętu nowe możliwości pod względem designu swoich produktów. Tego typu rozwiązanie nie jest tylko alternatywnym dla wiązki kablowej sposobem na zapewnienie połączenia elektrycznego – łączy w sobie dodatkowo wszystkie cechy obwodów drukowanych związane z ich niezawodnością, dużą precyzją wykonania oraz wysokim poziomem kontroli jakości podczas procesu produkcyjnego.

Zastąpienie przewodów połączeniowych płytką FCB może w ogólnym rozrachunku obniżyć koszty projektu oraz znacząco skrócić czas produkcji – osiągnięcie tego możliwe jest poprzez eliminację dodatkowych, koszto- oraz czasochłonnych kroków niezbędnych do wykonania na etapie montażu, obejmujących zarówno samą produkcję wiązki kablowej jak i jej połączenie z obwodem drukowanym.

Zalety obwodów sztywno-giętkich

Jedną z największych korzyści ze stosowania sztywno-giętkich PCB jest minimalizacja liczby modułów wchodzących w skład projektu. W obrębie jednego projektu umieścić można kilka różnych podsystemów, połączonych w całość za pomocą elastycznych fragmentów. Tego typu rozwiązanie zapewnia najlepszy i najbardziej trwały sposób połączenia poszczególnych elementów (płytek sztywnych oraz elastycznych), ponieważ zazwyczaj po prostu współdzielą one wybrane warstwy płytki. Daje to najwyższą odporność na wibracje oraz drgania, jest również rekomendowane w przypadku montażu komponentów o dużej masie.

Definicja stosu warstw PCB

 

Rys. 2. Przykładowa budowa jedno-, dwu- oraz wielowarstwowej płytki elastycznej

Jednym z najważniejszych aspektów w początkowej fazie projektowania wielowarstwowej płytki PCB jest właściwa definicja stosu warstw. Jest to szczególnie istotne dla dużych projektów, zawierających komponenty o bardzo małym rastrze i dużej liczbie wyprowadzeń, np. w obudowach BGA. Technologia HDI umożliwia gęstsze upakowanie ścieżek, pinów oraz przelotek (mikroprzelotki), przez co pozwala zazwyczaj na zredukowanie wymaganej liczby warstw płytki. Przykładowo, w dobrze zaprojektowanej 4-warstwowej płytce HDI można osiągnąć porównywalną lub lepszą funkcjonalność niż w standardowej 8-warstwowej płytce PCB. Bardziej skomplikowane elementy, jak np. mikroprzelotki, zwiększają wprawdzie koszty wykonania płytki, jednak poprawnie wykonany z ich pomocą projekt PCB, dzięki zredukowanej liczbie warstw i mniejszemu zużyciu materiału, obniża w rezultacie koszty produkcji i przynosi oszczędności.

Na rysunkach 2–3 przedstawione zostały przykładowe stosy warstw dedykowane odpowiednio dla obwodów elastycznych oraz sztywno-giętkich. W obu przypadkach możliwe jest konstruowanie zarówno płytek jedno-, dwu-, jak i wielowarstwowych.

 

Rys. 3. Różne możliwości konfiguracji stosu warstw w przypadku projektowania wielowarstwowej płytki sztywno-elastycznej

Wskazówki projektowe

Poniżej przedstawiono kilka wybranych wskazówek, którymi warto kierować się podczas projektowania elastycznych obwodów drukowanych. Są to wymagania niewystępujące w przypadku konstrukcji klasycznych płytek, dlatego inżynierowie nieposiadający wcześniejszych doświadczeń z pracą w tej technologii mogą nie być niekiedy świadomi ich istnienia.

 

Rys. 4. Przykład prawidłowego prowadzenia ścieżek na elastycznym podłożu. Gradientowa zmiana szerokości jest zdecydowanie bardziej efektywna od zmiany skokowej

Stosowanie wąskich oraz prostopadłych do osi zgięcia ścieżek. W celu uzyskania większej elastyczności obwodu należy stosować maksymalnie cienkie ścieżki biegnące prostopadle do osi potencjalnego zgięcia – im więcej powierzchni miedzianej znajduje się w tej osi, tym większa odporność układu na zginanie. Nie ma jednak przeciwwskazań do poszerzania ścieżek w obszarze statycznym, w którym nie przewiduje się zginania powierzchni płytki. Zaleca się przy tym płynną, gradientową zmianę szerokości ścieżek – ostre przejścia oraz obecność kątów prostych w mozaice ścieżek mogą stanowić potencjalnie słabe punkty podczas procesu lutowania. Ilustrację tego zjawiska przedstawiono na rysunku 4.

 

Rys. 5. Separacja pomiędzy ścieżkami położonymi na różnych warstwach polepsza właściwości plastyczne projektu

Unikanie równoległego prowadzenia ścieżek na sąsiednich warstwach. W miarę możliwości należy unikać równoległego prowadzenia ścieżek jednocześnie na dolnej oraz górnej warstwie płytki. Nakładanie ścieżek na siebie pogorszy parametry mechaniczne płytki (zwiększy jej sztywność w wybranym obszarze) oraz zwiększy ryzyko powstawania pęknięć i uszkodzeń podczas zginania. Ilustrację tego problemu pokazano na rysunku 5.

Brak litych płaszczyzn. Na elastycznych fragmentach płytki nie powinno umieszczać się zbyt dużych litych obszarów miedzi, takich jak np. płaszczyzna masy, ponieważ pogarsza to plastyczność płytki. Zamiast tego zaleca się stosowanie tzw. kreskowania, tak jak przedstawiono na rysunku 6.

 

Rys. 6. "Kreskowanie" pól miedzi jest znacznie bardziej efektywne od stosowania litych obszarów przewodnika, poprawiając elastyczność podłoża

Zaokrąglenia kątów. W obszarach, dla których dopuszcza się zginanie nie należy umieszczać żadnych kątów prostych – zarówno w przypadku mozaiki ścieżek, jak i kształtu płytki. Zamiast tego powinno się zastąpić je łukami, charakteryzującymi się znacznie większą podatnością na odkształcanie.

Podsumowanie

Rozwiązania elastyczne w wielu przypadkach mogą stanowić atrakcyjną alternatywę dla tradycyjnych sztywnych płytek PCB. Pozwalają na redukcję masy oraz rozmiarów urządzenia, uproszczenie procesu jego montażu a niekiedy nawet i obniżenie kosztów. Praca z tego typu technologią wymaga niewątpliwie większego zaangażowania ze strony konstruktora oraz ściślejszej współpracy z producentem PCB, pomyślna realizacja tego rodzaju projektu jest jednak w zasięgu możliwości każdego inżyniera elektronika.

Damian Tomaszewski