Flexibilné PCB po svojom zmenili viaceré priemyselné odvetvia, najmä oblasť zdravotníctva, pokiaľ ide o biometrické a monitorovacie náplasti. Aká technológia sa však skrýva za týmito čoraz dôležitejšími zariadeniami?

Väčšina dnešných zariadení a elektronických prístrojov je vybavená doskou s plošnými spojmi (PCB) vrátane smartfónov, televízorov a ďalších.. Dosky pločných spojov sú vo svojej podstate laminované štruktúry z vodivých a  izolaťných vrstiev, ktoré zabezpečujú dve rôzne funkcie: umiestnenie elektronických komponentov v určených oblastiach na vonkajších vrstvách a zabezpečenie spoľahlivých elektrických spojení medzi vývodmi komponentov a vodivými spojmi.

Tieto elektronické komponenty - rezistory, kondenzátory, mikrokontroléry, rozhrania atď. - sú elektronicky prepojené prostredníctvom spojov, plôch a iných prvkov vytváraných pomocou procesu chemického leptania, pri ktorom sa medené vrstvy odleptávajú z laminovanej dosky nevodivého substrátu.

Vývoj PCB

DPS boli vyvinuté začiatkom 20. storočia a hoci sa s nástupom nových technológií naďalej vyvíjali, ich základná konštrukcia zostala v podstate nezmenená - pevná doska osadená elektronickými komponentmi. Pokrok a široké prijatie technológie v oblasti PCB sa vyvíjali paralelne s rýchlym pokrokom v technológii púzdier polovodičov, čo umožnilo odborníkom v priemysle investovať do menšej a efektívnejšej elektroniky. To viedlo k vývoju nositeľných technológií, ako sú napríklad okuliare AR/VR, inteligentné hodinky a dokonca aj interaktívne oblečenie.

Okrem iného nastolili znamenali aj významný posun vo vývoji zdravotníckych zariadení schopných monitorovať zdravie používateľa prostredníctvom priameho kontaktu s pokožkou alebo smartfónov využívajúcich skladacie displeje. Na realizáciu týchto zariadení bolo potrebné vyvinúť nový typ dosky plošných spojov, ktorá by sa mohla rozťahovať a deformovať mimo pravých uhlov. Inžinieri sa chopili tejto výzvy a vytvorili ohybné dosky plošných spojov pomocou rôznych techník a materiálov vrátane polyamidov, priehľadného polyesteru a ďalších (obr. 1).

1. Ultratenké, flexibilné obvody umožňujú mnohé aplikácie.

Typy flexibilných PCB

Výrobcovia prijali dva základné typy dosiek pre dnešné zariadenia: ohybné a tuhé dosky plošných spojov. Ohybné dosky plošných spojov alebo ohybné dosky s plošnými spojmi (FCB) fungujú podobne ako ich tuhé náprotivky, pričom elektronika je umiestnená na ohybnom substráte, a nie na tuhej platforme. To umožňuje vytvárať elektroniku v rôznych tvaroch a konfiguráciách namiesto rovinného povrchu. Na základe vrstvy a konfigurácie ich možno rozdeliť na dva najbežnejšie typy uvedené vyššie.

Pevné a ohybné dosky plošných spojov sú hybridy, dosky, ktoré sú pevné aj ohybné na umiestnenie usporiadania SMD (povrchovo montovaných zariadení, tzv. elektroniky) a konektorov. V tejto konfigurácii sú SMD namontované na pružnom substráte, zatiaľ čo konektory sa nachádzajú na pevnom povrchu, aby sa zachovalo stabilné spojenie a zmiernilo sa akékoľvek možné poškodenie pri opakovanom používaní. Konfigurácia s pevným a pružným povrchom umožňuje aj zvýšenie kapacity SMD, pretože koncovky pripojenia sú umiestnené na pevnom povrchu.

DPS s vysokou hustotou prepojenia (HDI) ponúkajú vyššiu hustotu zapojenia v porovnaní s ich tuhými náprotivkami a poskytujú oveľa jemnejšie línie a priestory, menšie priechody a záchytné podložky a vyššiu hustotu spojovacích podložiek. Tieto PCB sú výhodné pri použití s pružnými substrátmi, pretože môžu využívať výhody tenších vrstiev alebo v niektorých prípadoch eliminovať potrebu mnohých vrstiev v návrhu PCB.

Klasifikáciu FCB možno rozdeliť podľa počtu vrstiev. Napríklad jednovrstvové dosky sa vytvárajú pomocou jedného polyimidového substrátu a tenkej medenej vrstvy, ku ktorej je prístup z jednej strany dosky. Existujú aj jednostranné FCB s dvojitým prístupom, obojstranné FCB, ktoré majú elektricky vodivú meď na oboch stranách substrátu, a viacvrstvové FCB s funkciami viacstranného a jednostranného prístupu.

Flexibilný dizajn PCB

Pri navrhovaní ohybnej DPS (obr. 2) sa vynára mnoho otázok, pričom najdôležitejšie je, koľkokrát sa ohne a do akej miery sa ohne. Počet ohybov určuje, či bude doska statická alebo dynamická.

2. Rôzne materiály poskytujú zvýšenú alebo zníženú úroveň flexibility a označujú ich prevádzkové prostredie.

Statická doska sa považuje za ohnutú na inštaláciu a počas svojej životnosti sa ohne menej ako 100-krát. Konštrukcia dynamickej dosky musí byť robustnejšia, pretože ohýbanie sa bude vykonávať pravidelne a v závislosti od aplikácie môže byť potrebné, aby vydržala desaťtisíce ohnutí. Samozrejme, do hry vstupuje aj polomer ohybu - minimálna veľkosť zakrivenia ohybovej oblasti -, ktorý sa musí vhodne určiť už na začiatku návrhu. Tým sa zabezpečí, že konštrukcia vydrží potrebné množstvo ohybov bez poškodenia medi.

Vo fáze návrhu sa musia zvážiť aj spájkovacie masky a iné materiály, ktoré pokrývajú vodivé vrstvy FCB, ako aj prípadná výstuha, ktorá sa používa na podporu rôznych častí obvodu a môže sa použiť na oboch stranách dosky. Je dôležité si uvedomiť, že množstvo použitej výstuže zvýši tuhosť konštrukcie, čím sa zníži ohyb v niektorých alebo vo všetkých oblastiach.

Rovnako ako tradičné PCB, aj FCB majú vrstvenú konštrukciu, takže vo fáze návrhu sa musí zvážiť aj použitý materiál. Napríklad vrstva fólie dodáva nosný vodič a v obvode pôsobí ako izolant, ale musí byť aj pružná. Polyimid a PET (polyester) fungujú dobre ako izolátory a zvyčajne sa používajú na tieto druhy substrátov. Využíva sa aj PEN (polyetylénftalát), PTFE a aramid.

Polyimidové ohybné jadrá fungujú aj v konštrukciách FCB. Sú opláštené buď elektrolýzou, alebo valcovanou žíhanou meďou, ktorá je veľmi tenká a vhodná na dynamické a statické aplikácie.

Pri FCB sa využívajú dva typy materiálov: na báze lepidla, kde je meď prilepená k polyimidu akrylovým lepidlom, a bez lepidla, pri ktorom sa meď odlieva priamo na polyimidový substrát. Lepiace materiály majú samozrejme aj svoje nevýhody, vrátane toho, že pri pôsobení tepla vznikajú trhliny. Okrem toho spôsobujú, že medený laminát je hrubší a má tendenciu absorbovať vlhkosť, čo bráni ich použitiu v niektorých prostrediach.

Tu prichádzajú na rad materiály bez lepidla. Zvládajú náročné prostredia a poskytujú ďalšie výhody vrátane menšej hrúbky ohybu, lepšej flexibility a lepších teplotných parametrov.

Flexibilné stohované PCB

Stohované PCB sú usporiadaním vrstiev medi a izolátorov, ktoré tvoria PCB pred návrhom konečného rozloženia dosky (obr. 3). Zatiaľ čo úroveň stohovania umožňuje zostaviť viacero elektronických obvodov na jednej doske prostredníctvom jej rôznych vrstiev, štruktúra návrhu stohovania PCB poskytuje mnoho ďalších výhod vrátane zmiernenia vonkajšieho šumu, zlepšenia elektromagnetickej kompatibility a zníženia výrobných nákladov. Použitie viacerých vrstiev zvyšuje schopnosť dosky distribuovať energiu, znižuje vzájomné rušenie, eliminuje elektromagnetické rušenie a podporuje vysokorýchlostné signály.

3. Jednovrstvová flexibilná doska s plošnými spojmi vyzerá podobne ako bežná doska s plošnými spojmi, ale s rôznymi materiálovými vrstvami.

Rovnako ako pri tradičných PCB, aj FCB môžu byť navrhnuté s použitím jednej alebo viacerých vrstiev a označovať počet medených stôp, lepidla, laminátov a polyimidových materiálov. Tieto počty sa zvyšujú v závislosti od počtu vrstiev. Napríklad štvorvrstvový obvod bude mať štyri medené stopy, štyri vrstvy lepidiel (alebo nelepidiel), laminátov a príslušných materiálov substrátu. Mnohí výrobcovia umiestnia ohybný materiál do stredu zásobníka, aby sa zachovala pružnosť a zmiernilo sa prípadné poškodenie počas prevádzky.

Pri rozhodovaní o počte vrstiev je nevyhnutné zvážiť niekoľko faktorov predtým, ako sa zaviažete k návrhu, vrátane počtu signálov obvodu, ktoré je potrebné viesť, prevádzkových frekvencií, či potrebuje dodatočné tienenie a ďalších ukazovateľov. Tie pomôžu označiť presný počet potrebných vrstiev a zabezpečiť, aby FCB fungoval tak, ako má.

Záver

Flexibilné dosky s plošnými spojmi sa budú naďalej vyvíjať, pretože budú k dispozícii nové technológie. Predstavte si, že by ste mohli čistiť lekárske monitorovacie zariadenie v práčke alebo nosiť biometrickú náplasť pri potápaní sa v oceáne bez obáv z jej možného poškodenia.

Už teraz môžu zariadenia zachytávať údaje z ľudského tela, ktoré sa spoliehajú na flexibilnú elektroniku, takže bude zaujímavé sledovať, kde všade sa táto technológia uplatní. Dôležité je tiež poznamenať, že toto je len základný úvod do problematiky flexibilných dosiek plošných spojov, ktorý poskytuje prehľad materiálov a procesov používaných na ich vytvorenie a určite časom budú pribúdať ďalšie články na túto tématiku.