Ohebná deska plošných spojů se také nazývá ohebná deska s plošnými spoji, ohebný obvod nebo ohebná elektroinstalační deska. Jak již název napovídá, jedná se o druh desky plošných spojů, která se ohýbá. Může se skládat, rolovat, natahovat a pohybovat ve třech rozměrech. Ohebné desky s plošnými spoji jsou vyrobeny na tenkém filmu, jako je polyimid nebo polyester. Poskytují vysokou spolehlivost a velmi dobrou ohebnost.

Pružné tištěné spoje (FPC) mají svůj původ v 50. letech 20. století., kdy výzkumníci ve Spojených státech vyvinuli techniku tisku a leptání plochých vodičů na ohebné substráty jako alternativu k tradičním kabelovým svazkům.. Výrobci používali jako základ polyesterovou nebo polyimidovou fólii. Díky těmto fóliím je deska pevná a ohebná. Vložením obvodů na tenké plastové fólie lze do stísněného prostoru poskládat mnoho malých součástek. Výsledkem je obvod, který se může ohýbat, skládat a vejít se do kompaktních tvarů. Ohebné obvody jsou lehké, zabírají málo místa, dobře se chladí a snadno se montují. Vyřešily omezení starých způsobů zapojení.

Pružný obvod má tři hlavní skupiny materiálů. První je izolační fólie. Druhou je vodič. Třetí je lepidlo. Tyto části spolupracují, aby splňovaly požadavky na menší a mobilní elektronická zařízení. Ohebné obvody umožňují, aby zařízení byla hustší, menší a spolehlivější.

Materiály používané v pružných deskách plošných spojů

1. Izolační fólie

Izolační fólie tvoří hlavní základní vrstvu obvodu. K lepení měděné fólie na izolační vrstvu se používá lepidlo. U vícevrstvých flex konstrukcí se fólie používá také k lepení vnitřních vrstev.

Izolační fólie chrání obvod před prachem a vlhkostí. Snižuje také napětí při ohýbání desky. Vrstva vodiče je vyrobena z měděné fólie.

Některé flexiobvody používají pevné části z hliníku nebo nerezové oceli. Tyto pevné části zajišťují rozměrovou stabilitu. Poskytují fyzickou oporu součástem a vodičům. Snižují také napětí. Lepidlo spojuje pevné části s ohebným obvodem.

Dalším běžným materiálem je spojovací vrstva, která pokrývá obě strany izolační fólie. Tato spojovací vrstva poskytuje izolaci a pomáhá spojovat vrstvy. Může odstranit potřebu některých vrstev fólie a umožňuje výrobcům spojovat mnoho vrstev s menším počtem dílů.

Existuje mnoho typů izolačních fólií. Nejpoužívanější jsou polyimidové a polyesterové. Přibližně osmdesát procent výrobců flexibilních obvodů v USA používá polyimidovou fólii. Asi dvacet procent používá polyesterovou fólii.

Polyimid není snadné spálit. Udržuje si svůj tvar, odolává trhání a snese pájecí žár. Polyester, nazývaný také PET (polyethylentereftalát), má fyzikální vlastnosti blízké polyimidu. Má nižší dielektrickou konstantu a méně absorbuje vlhkost. Neodolává však tak dobře vysokým teplotám. Polyester taje při teplotě kolem 250 °C a má teplotu skelného přechodu (Tg) přibližně 80 °C. To omezuje jeho použití ve výrobcích, které vyžadují náročné pájení na okrajích desek. Při použití při nízkých teplotách může polyester působit ztuha. Přesto je polyester vhodný pro telefony a další výrobky, které nejsou vystaveny náročným podmínkám.

Polyimidové fólie jsou často spojovány s polyimidovými nebo akrylovými lepidly. Polyesterové fólie se obvykle spojují s polyesterovými lepidly.

2. Vodič

Měděná fólie je vhodná pro flexibilní obvody. Měděnou fólii lze vyrobit elektrodepozicí (ED) nebo válcováním a žíháním (RA). Jedna strana ED mědi je lesklá. Druhá strana má matný procesní povrch. ED měď je ohýbatelná a může být v mnoha tloušťkách a šířkách. Matná strana ED mědi se často speciálně upravuje, aby lépe držela.

Měď RA je pružná a hladká. Může být pevnější. Měď RA je užitečná v konstrukcích, které vyžadují opakované ohýbání nebo dynamický ohyb.

3. Lepidlo

Lepidla dělají víc než jen to, že lepí izolační fólii k vodiči. Mohou fungovat jako krycí vrstvy, ochranné povlaky nebo překryvné vrstvy. Hlavní rozdíl je ve způsobu nanášení vrstvy. Krycí vrstva se spojí s izolační fólií a vytvoří vrstvenou strukturu.

Sítotisk se používá pro pokrytí a potažení lepidlem. Ne všechny laminované konstrukce používají lepidla. Lamináty bez lepidla vytvářejí tenčí a pružnější obvody. Nabízejí také lepší přenos tepla než lamináty na bázi lepidla. Protože neexistuje žádná vrstva lepidla, která by blokovala teplo, teplo se obvodem lépe pohybuje. Díky tomu může flex bez lepidla fungovat v podmínkách, kde by flex na bázi lepidla mohl selhat.

Kroky pájení pro FPC (proces pájení FPC)

Níže jsou uvedeny praktické kroky pro ruční pájení čipu PQFP a běžných součástek SMD na flexibilních obvodech. Tyto kroky použijte jako přehledné vodítko. Dodržujte také bezpečnostní a ESD pravidla.

1. Před pájením naneste na plošky tavidlo. K ošetření plošek použijte žehličku. Předejdete tak špatnému cínování nebo oxidaci podložek. Čipy obvykle není třeba předem opracovávat.

2. Pomocí pinzety opatrně umístěte čip PQFP na desku plošných spojů. Postupujte tak, abyste předešli ohnutí nebo zlomení vodičů. Zarovnejte čip s podložkami. Ujistěte se, že čip směřuje správným směrem. Zahřejte žehličku na teplotu vyšší než 300 °C. Na špičku žehličky naneste trochu pájky. Zarovnaný čip přitlačte nástrojem. Přidejte malé množství pájky na dva šikmé kolíky. Přidržte čip a připájejte dva diagonální kolíky. Tím se čip zafixuje na místě. Po připájení těchto dvou pinů zkontrolujte zarovnání. V případě potřeby čip přesuňte nebo vyjměte a znovu umístěte.

3. Když začnete pájet všechny vývody, přidejte na hrot žehličky pájku. Na všechny vývody naneste tavidlo, aby zůstaly vlhké. Dotýkejte se hrotem žehličky konce každého kolíku, dokud neuvidíte, že pájka teče do kolíku. Během pájení udržujte hrot žehličky rovnoběžně s kolíky. Tím zabráníte přemostění vývodů v důsledku přílišného množství pájky.

4. Po připájení všech vývodů navlhčete všechny vývody tavidlem a očistěte pájku. Odstraňte přebytečnou pájku, abyste odstranili zkraty a můstky. Nakonec pomocí pinzety zkontrolujte, zda nejsou špatné pájecí spoje. Po dokončení desku očistěte. Použijte alkohol a tuhý kartáč a otírejte podél směru vývodů, dokud nezmizí zbytky pájky.

5. SMD rezistory a kondenzátory jsou jednodušší. Umístěte součástku na podložku. Poté položte jeden konec na podložku a přidržte jej pinzetou. Nejprve připájejte jeden konec. Zkontrolujte umístění. Pokud je zarovnán, připájejte druhý konec.

Hlavní rozdíly mezi pevnou deskou plošných spojů a flexibilním obvodem

Pod pojmem desky plošných spojů si lidé obvykle představují tuhé desky plošných spojů. Používají vodiče a další součásti na nevodivé desce. Nevodivá deska často obsahuje sklo. Díky sklu je deska pevná a tuhá. Tuhé desky plošných spojů poskytují dobrou oporu součástkám a dobrou tepelnou odolnost.

Pružné desky plošných spojů mají také vodivé stopy na nevodivém podkladu. Základna je však pružná, například z polyimidu. Pružná základna umožňuje obvod ohýbat, zvládat vibrace, dobře se chladit a skládat do různých tvarů. Díky těmto tvarům jsou nyní flexibilní obvody běžné v kompaktních a nových elektronických konstrukcích.

Kromě základního materiálu a tuhosti jsou další velké rozdíly:

• Výběr dirigenta: Flex často používá měkčí měď RA místo tvrdé mědi ED. To pomáhá, pokud se obvod musí ohýbat bez praskání.

• Výroba: Výrobci flexibilních desek nepoužívají pájecí masku jako u pevných desek plošných spojů. K ochraně holých stop používají krycí vrstvu nebo krycí nátěr.

• Náklady: Flex obvody jsou obvykle dražší než pevné desky. Flexi deska však může konstruktérům umožnit zmenšení výrobku. To může snížit celkové náklady na výrobek, protože výroba nebo doprava menšího výrobku může stát méně.

Jak si vybrat mezi pevnými a ohebnými deskami plošných spojů

Oba typy mohou fungovat v mnoha produktech. Pro některá použití je výhodnější jeden typ. Například pevné desky plošných spojů mají smysl ve větších výrobcích, jako jsou televizory a stolní počítače. Kompaktní výrobky, jako jsou telefony a nositelná zařízení, často potřebují flexibilní obvody.

Při výběru myslete na:

• Co váš produkt musí umět.

• Co se běžně používá pro podobné výrobky v oboru.

• Jak může použití jednoho typu změnit náklady nebo montáž.

Pokud potřebujete zařízení složit, ohnout nebo ušetřit místo, vyberte si flex. Pokud potřebujete nízké náklady a vysokou pevnost při montáži velkých dílů, zvolte pevnou konstrukci.

Vyztužovače pro flexibilní desky plošných spojů

Výztuhy se také nazývají výztužné desky, podpůrné desky nebo zpevňující žebra. Používají se v elektronice k regulaci ohybu. Vyztužovače řeší problém, kdy se ohýbané desky mohou příliš prohýbat. Zpevňují zásuvné oblasti a usnadňují montáž.

Běžné typy výztuh:

• Výztuhy z nerezové oceli

• Hliníkové výztuhy

• Polyesterové výztuhy

• Polyimidové výztuhy

• Výztuhy ze skleněných vláken

• PTFE (teflonové) výztuhy

• Polykarbonátové výztuhy

Pravidla pro manipulaci s polyimidovými (PI) výztuhami:

1. Tužidla PI před použitím pečte 30 minut při 80 °C.

2. Pokud můžete, pracujte v čisté místnosti při teplotě kolem 25 °C a relativní vlhkosti 65%.

3. Brzy použijte čerstvě nakrájené PI výztuhy. Pokud leží déle než jeden den, dobře je utěsněte.

4. Před lepením očistěte rozhraní, kde se FPC setkává s výztuhou.

5. Při použití různých lisů používejte správné podmínky lepení a lisování.

6. Po vytvrzení počkejte, až přípravek vychladne, a teprve poté díl otevřete a vyjměte.

7. PI výztuhy po laminování rychle nechlaďte. Pokud je to nutné, vyjměte díl na pomalu se zahřívající nosič, jako je tkanina ze skelných vláken. Pokud používáte plošný lis, počkejte, až výrobek vychladne na pokojovou teplotu.

Jak zabránit promáčknutí a prasklinám v ohebných deskách plošných spojů

Neutrální osa ohybu ohybového obvodu nemusí být ve středu stohu. Správná manipulace pomáhá zabránit promáčknutí a prasklinám.

Flexibilní desky plošných spojů jsou jako mechanické i elektrické součásti. Rozložení stop musí zajistit pevnost celého obvodu. Na rozdíl od pevné desky se ohebná deska může ohýbat, kroutit a skládat, aby se vešla do konečného výrobku. Pokud ohyb přesáhne určitý bod, je měď vystavena silnému napětí. To může flex desku zlomit nebo vytvořit promáčkliny.

Flex poskytuje konstruktérům možnosti, které pevné desky nemají. I když je flex vhodný pro danou úlohu, neznamená to, že měděné stopy nikdy nezklamou. Měď má také své limity, pokud jde o namáhání, které může snést.

Je třeba dávat pozor na mnoho věcí, zejména pokud se výrobek bude dynamicky ohýbat (ohýbání při používání) nebo pokud se musí skládat do malých prostorů skříně. Důležitá je přesnost, aby nedošlo k prasknutí.

Konstrukční hlediska pro zlepšení

ohyb a ohýbání

Níže jsou uvedeny jasné konstrukční nápady pro zvýšení životnosti a spolehlivosti.

Znáte místa namáhání a poloměr ohybu

Znáte limity pro ohýbání, skládání a kroucení. U jednostranného ohybu, pokud roztažení nebo stlačení překročí poloměr ohybu nebo bod napětí, měď praskne. Vždy pracujte uvnitř těchto mezí.

Neutrální osa

Pro dynamické použití flex jsou nejlepší jednostranné flex konstrukce. Jednostranná konstrukce poskytuje mědi prostor pro umístění v blízkosti středu konstrukce. Při tomto uspořádání není měď při dynamickém ohybu silně stlačována ani natahována.

Tenčí je lepší

Tenčí stohy se snadněji ohýbají. Mají menší vnitřní poloměr ohybu a menší namáhání vnější vrstvy. U dílů, které se hodně ohýbají, použijte tenčí měď a tenčí dielektrické vrstvy.

Uspořádání nosníku I

I-nosník znamená, že se měděné nebo dielektrické vrstvy překrývají přímo na obou stranách. Díky tomu je ohybová plocha pevnější. Protože se vnitřní vrstva stlačuje, vnější vrstva se více roztahuje. Chcete-li tento jev omezit, posunujte stopy na protilehlých stranách.

Ostré ohyby nebo záhyby

Mnohé desky flex jsou navrženy tak, aby se daly složit. Dobře vyrobené prkno vydrží první přeložení nebo zkroucení. Opakované skládání zmačkaného místa však není dobré. Měď se časem zlomí. To se nedoporučuje. Používejte konstrukční triky, jako jsou zaoblené rohové stopy v oblasti ohybu.

Další tipy, jak se vyhnout praskání:

• Používejte pájené nebo pocínované dráhy.

• Použijte měď RA nebo měď ED s kontrolovaným směrem vláken.

• V oblasti ohybu použijte krycí polyimidovou fólii.

• Na spodní straně použijte ztužující žebra a na horní straně krycí vrstvu.

Další praktické poznámky k designu a procesům

• Při vkládání dílů udržujte stopy mimo otvory a ostré hrany. Snížíte tak riziko rozbití.

• Použijte kulaté tvary podložek a na stopy v blízkosti ohybů přidejte kružnice.

• Udržujte průchodky mimo vysoce namáhané ohybové zóny. Pokud musíte umístit průchodky, použijte výztuhu.

• Na stopách a podložkách používejte zaoblené rohy. Pravé úhly koncentrují napětí a mohou způsobit praskliny.

• Při trasování stop přes ohyb se je snažte vést pokud možno kolmo na osu ohybu. Tím se sníží tahové napětí.

• Při opakovaném pohybu se snažte použít přechod mezi flexem a deskou, který udržuje ohyb ve volné oblasti bez dílů nebo průchodek.

Poznámky k manipulaci s montáží a k životnímu prostředí

• Skladujte polyimid a další materiály v suchých, uzavřených sáčcích. Vlhkost může poškodit lepidla a způsobit delaminaci.

• Udržujte pracovní prostory v čistotě. Prach a oleje poškozují lepení.

• Při pájení přetavením dodržujte časové a teplotní limity materiálu. Polyimid zvládá vysoké teploty, ale polyester ne.

• Při použití lepidel dodržujte křivky vytvrzování a kroky chlazení. Příliš rychlé ochlazení může způsobit pnutí a deformace.

• Při manipulaci s pružnými obvody používejte ochranu proti elektrostatickému výboji. Některé obvody obsahují citlivé integrované obvody.

Běžné aplikace flexibilních desek plošných spojů

Ohebné obvody jsou oblíbené v mnoha výrobcích:

• Mobilní telefony a tablety

• Fotoaparáty

• Nositelná zařízení

• Zdravotnické přístroje a senzory

• Automobilové senzory a díly přístrojové desky

• Letecká a vojenská elektronika

• LED osvětlení a displeje

• Konektory a kabelové soubory

Jejich hlavními výhodami jsou malé rozměry, nízká hmotnost a schopnost přizpůsobit se zvláštním tvarům.

Výhody a omezení flexibilních obvodů

Výhody:

• Úspora místa a snížení hmotnosti.

• Povolte pohyblivé nebo skládací části.

• Nižší potřeba konektorů, protože flex lze zapojit mezi desky.

• Dobrý tepelný výkon, pokud je správně navržen.

• Vyšší spolehlivost při mnoha dynamických použitích.

Limity:

• Náklady jsou vyšší než u jednoduchých pevných desek plošných spojů.

• Manipulace s nimi vyžaduje větší opatrnost.

• Některé materiály nevydrží vysoké pájecí teplo.

• Dynamické ohýbání s krátkou životností při špatném návrhu.

Testování a kontroly kvality

Zajištění spolehlivosti:

• Ke kontrole dynamické životnosti v ohybu použijte zkoušku ohybu.

• Pomocí tepelného cyklování otestujte odolnost vůči změnám teploty.

• Zkontrolujte rentgenem nebo mikroskopem, zda nejsou skryté praskliny.

• Pomocí tahových zkoušek na lepených výztuhách a spojovacích prvcích zkontrolujte pevnost držení.

• Zkontrolujte impedanci a spojitost signálových vedení.

Závěrečné poznámky a krátké tipy

• Pro vyšší teplotu a spolehlivost zvolte polyimid. Polyester volte, pokud vám vyhovuje nižší cena a nižší teplota.

• Pro dynamický ohyb použijte jednostranné tenké stohovací kabely a měděné RA.

• V místech spojů přidejte výztuhy, které usnadní montáž.

• Pokud můžete, udržujte velké poloměry ohybu. Větší poloměry zaručují delší životnost.

• Pokud si všimnete promáčklin nebo prasklin již na začátku, zkontrolujte místo ohybu a stoh. Změňte typ a tloušťku mědi nebo přidejte krycí vrstvu.

• Ujistěte se, že montážní kroky odpovídají materiálovým limitům. Například nepoužívejte vysokoteplotní pájecí procesy u flex na bázi polyesteru.