Co jsou flexibilní PCB, jak je dělat kompaktnější, odolnější a tvarově přizpůsobivější?
Využívání flexibilních Desek Plošných Spojů (česky DPS, anglicky PCB – dále jen PCB) se stává více a více populárním přístupem. Zejména v mechanicky namáhaných aplikacích nabízí tento způsob propojení součástek širší možnosti a vyšší odolnost návrhu. Označují se také jako flexibilní elektronika, flexibilní obvody, flexibilní tištěné spoje (FPC) nebo flex obvody. Vodivé cesty jsou vytvořeny na pružném plastovém substrátu — obvykle z polyamidu, PEEK nebo polyesteru —součástky jsou pak připájeny na odkryté měděné plošky.
Flexibilní PCB mohou mít jednu, dvě nebo více vrstev vodivých měděných spojů. Díky flexibilnímu substrátu mají oproti pevným deskám výhody zejména při integraci do zařízení.
Trh s flexibilními PCB dosáhl v roce 2023 hodnoty 21,8 miliardy dolarů, což představuje 30 % z celkových tržeb na trhu s PCB (73 miliard dolarů). Flex obvody podporují stejné elektronické součástky jako rigidní desky a podobně jako u nich určují konfiguraci výrobní procesy, materiály a způsob zapouzdření.
Hlavním rozdílem je ohebnost substrátu. Těmto faktorům je třeba porozumět, aby se dalo předejít problémům a využít výhody tohoto flexibilního způsobu návrhu a realizace obvodů.
Struktura flexibilních PCB
Flexibilní PCB se skládají z vrstev materiálů sloužících k vedení proudu, izolaci nebo spojování. Podle počtu vodivých vrstev se dělí na jednovrstvé, dvouvrstvé a vícevrstvé.
Vrstvená struktura sestává zpravidla z krycí izolační vrstvy, odkrytých pájecích plošek a prokovených otvorů, které slouží k mezivrstvým propojům.
Jednovrstvá konstrukce
Skládá se z:
- flexibilního dielektrického substrátu,
- lepicí vrstvy,
- vodivé vrstvy,
- další lepicí vrstvy,
- krycí dielektrické vrstvy.
Dvouvrstvá konstrukce
Obsahuje vrstvy lepidla, vodiče a dielektrika na obou stranách základního substrátu. Propojení zajišťují prokovené otvory (via).
Vícevrstvá konstrukce
Jedná se o vrstvení více těchto struktur nad sebe. Propojení může být průchozí nebo slepé. Flexibilní PCB lze také kombinovat s rigidními deskami – vzniká tzv. rigid-flex PCB. Ta umožňuje využít výhody obou řešení nebo propojit více rigidních desek bez kabeláže.
Flexibilní PCB se často kombinují s technologiemi vysoké hustoty propojení (HDI), které umožňují:
- kompaktnější návrh,
- tenčí vrstvy,
- mikropropoje (tzv. microvia).
To je ideální pro aplikace s omezeným prostorem.
Hlavní vrstvy flexibilní PCB
- Flexibilní dielektrikum - Základní materiál určující mechanické a tepelné vlastnosti. Nejčastěji polyimid (PI), případně polyester (PET). Tloušťka bývá 12–125 µm.
- Lepicí vrstva - Zajišťuje spojení mezi vrstvami. Důležitá je pevnost a tepelná odolnost.
- Vodivá vrstva - Obvykle měď (válcovaná nebo galvanicky nanesená), případně vodivé inkousty.
- Prokovení (vias) - Otvor vyplněný mědí pro propojení vrstev.
- Povrchová úprava - Chrání měď proti oxidaci a zlepšuje pájení (např. ENIG, OSP, stříbro, cín).
- Výztuhy (stiffeners) - Používají se pro zvýšení mechanické pevnosti (např. FR4 nebo silnější polyamid).
Výhody flexibilních PCB
Efektivní využití prostoru
- Tenké
- Tvarovatelné
- Možnost ohýbání
Odolnost v náročných podmínkách
- Chemická odolnost
- Vyšší tepelná odolnost
- Efektivnější odvod tepla
Vyšší životnost
Odolnost proti vibracím a nárazům
Nižší hmotnost
Jednodušší montáž
- Nahrazení kabeláže
- Nižší náklady
Nevýhody flexibilních BCB
Vyšší cena
Materiálově i technologicky nákladnější výroba než u konvenčních PCB
Namáhání při ohybu
- Zatížení pájených spojů
- Potřeba výztuh v kritických místech
Problémy se signálovou integritou
- Vyšší riziko vazebních mechanismů a tedy i signálových interferencí
- Změny impedance při ohybu
Typické aplikace
- Spotřební elektronika (telefony, wearables)
- Automotive (náhrada kabelových svazků)
- Průmyslové senzory
- Zdravotnická zařízení
Budoucnost flexibilních PCB
Trend směřuje k menším a výkonnějším zařízením, flexibilním displejům, elektromobilitě. To povede k širšímu využití, snížení výrobních nákladů, optimalizaci výrobních procesů.
Flexibilní PCB budou hrát stále důležitější roli v moderní elektronice. Zejména tam, kde je potřeba kombinace kompaktnosti, odolnosti a tvarové přizpůsobivosti.
Jak jít naproti rychlejšímu vývoji?
Naplnění této vize o budoucnosti flexibliních PCB bude vyžadovat, aby návrhy sestav s flexibilními a rigid-flex PCB dokázaly vyvážit často protichůdné požadavky. Mezi nejčastěji používané nástroje Ansys pro podporu návrhu flexibilních PCB patří:
1. Ansys Sherlock
Sherlock umožňuje import široké škály formátů flexibilních PCB a nabízí možnosti optimalizace návrhu s ohledem na předdefinované parametry. Nejčastěji jde o vlastnosti materiálů, součástek a o uvažované geometrii. Běžným scénářem je export upraveného souboru flexibilního PCB ze Sherlocku do Ansys Mechanical pro detailní termomechanickou analýzu.
2. Ansys Mechanical
Společně s Ansys Sherlock poskytuje robustní řešení pro analýzu spolehlivosti a termomechanických vlastností flexibilních PCB.
Pojďte se s námi podívat na technologie a postupy, které vám pomohou, pokud řešíte životnost desek plošných spojů. Vibrace a teplotní cykly dnes zásadně zvyšují riziko porušení pouzdra integrovaného obvodu, únavy pájených spojů, delaminace vrstev PCB, mikrotrhliny i selhávání těžkých komponent. Testování hotového prototypu často odhalí problém příliš pozdě – kdy změna designu znamená měsíce zpoždění. Tyto problémy lze výrazně omezit ještě předtím, než se promění v nákladné komplikace.
3. Ansys Maxwell
Zlatý standard pro simulaci nízkofrekvenčních elektromagnetických dějů. Návrháři PCB a vývojáři spotřební elektroniky používají software Maxwell k řešení problémů, jako jsou indukčně vyvolané mechanické vibrace nebo související EMI/EMC.
4. Ansys HFSS
Zlatý standard pro simulaci vysokofrekvenčních jevů. Inženýři používají HFSS pro návrh cenově efektivních, vysoce výkonných rozložení obvodů a antén na flexibilních PCB.
5. Ansys SIwave
Specializovaný nástroj pro elektromagnetickou simulaci PCB. SIwave poskytuje rychlý a výkonný způsob importu geometrie a modelování signálové a napájecí integrity, elektromagnetického rušení (EMI), impedance a přeslechů.
6. Ansys Icepak
Průmyslový standard pro tepelnou simulaci PCB a návrh chlazení. Obsahuje špičkové multifyzikální řešiče v uživatelském rozhraní vytvořeném speciálně pro simulace PCB.
Není náhodou, že řada nejnáročnějších návrhů flexibilních PCB vzniká právě s využitím simulací Ansys. Zajímá vás téma více do hloubky? Podívejte se na na naše bezplatné webináře nebo nám rovnou napište či zavolejte na +420 543 254 554.
