Joustava PCB kutsutaan myös joustavaksi piirilevyksi, joustava piiri tai joustava johdotuslevy. Kuten nimi osoittaa, se on eräänlainen piirilevy, joka taipuu. Se voi taittaa, rullata, venyttää ja liikkua kolmiulotteisesti. Taipuisat piirilevyt valmistetaan ohuesta kalvosta, kuten polyimidistä tai polyesteristä. Ne ovat erittäin luotettavia ja joustavia.

Joustavat painetut piirit (FPC) ovat peräisin 1950-luvulta., kun yhdysvaltalaiset tutkijat kehittivät tekniikoita litteiden johtimien tulostamiseksi ja syövyttämiseksi joustaville alustoille vaihtoehtona perinteisille johdinsarjoille.. Valmistajat käyttivät pohjana polyesteri- tai polyimidikalvoa. Nämä kalvot tekevät levystä vahvan ja taipuisan. Upottamalla piirit ohuille muovilevyille voidaan pinota monia pieniä osia ahtaisiin tiloihin. Tuloksena on piiri, joka voi taipua, taittua ja mahtua pieneen muotoon. Taipuisat piirit ovat kevyitä, vievät vähän tilaa, jäähtyvät hyvin ja ne on helppo asentaa. Ne ratkaisivat vanhojen liitäntätapojen rajoitukset.

Joustavassa piirissä on kolme päämateriaaliryhmää. Ensimmäinen on eristävä kalvo. Toinen on johdin. Kolmas on liima. Nämä osat toimivat yhdessä, jotta voidaan vastata pienempien ja liikkuvampien elektroniikkalaitteiden tarpeeseen. Joustavat piirit mahdollistavat sen, että laitteista tulee tiheämpiä, pienempiä ja luotettavampia.

Joustavassa PCB:ssä käytetyt materiaalit

1. Eristävä kalvo

Eristekalvo muodostaa piirin pääasiallisen pohjakerroksen. Kuparifolio liimataan eristekalvoon liimalla. Monikerroksisissa flex-malleissa kalvoa käytetään myös sisempien kerrosten liimaamiseen.

Eristekalvo suojaa piiriä pölyltä ja kosteudelta. Se myös vähentää jännitystä, kun levy taipuu. Johtokerros on valmistettu kuparifoliosta.

Joissakin joustopiireissä käytetään alumiinista tai ruostumattomasta teräksestä valmistettuja jäykkiä osia. Nämä jäykät osat takaavat mittojen vakauden. Ne antavat fyysisen tuen osille ja johdoille. Ne myös vähentävät jännitystä. Liima kiinnittää jäykät osat taipuisaan piiriin.

Toinen yleinen materiaali on liimakerros, joka päällystää eristyskalvon molemmat puolet. Tämä sidoskerros antaa eristävyyttä ja auttaa yhdistämään kerrokset. Se voi poistaa joidenkin kalvokerrosten tarpeen ja antaa valmistajille mahdollisuuden liittää useita kerroksia vähemmillä osilla.

Eristekalvotyyppejä on monia. Käytetyimmät ovat polyimidi ja polyesteri. Noin kahdeksankymmentä prosenttia Yhdysvaltojen joustavien piirien valmistajista käyttää polyimidikalvoa. Noin kaksikymmentä prosenttia käyttää polyesterikalvoa.

Polyimidi ei ole helppo polttaa. Se säilyttää muotonsa, kestää repeämistä ja kestää juotoslämpöä. Polyesteri, jota kutsutaan myös PET:ksi (polyeteenitereftalaatti), on fyysisiltä ominaisuuksiltaan lähellä polyimidiä. Sen dielektrisyysvakio on pienempi ja se imee vähemmän kosteutta. Se ei kuitenkaan kestä yhtä hyvin kuumuutta. Polyesteri sulaa noin 250 °C:ssa, ja sen lasittumislämpötila (Tg) on noin 80 °C. Tämä rajoittaa sen käyttöä tuotteissa, joissa tarvitaan raskaita levyn reunajuotoksia. Matalissa lämpötiloissa polyesteri voi toimia jäykästi. Polyesteri on silti hyvä puhelimissa ja muissa tuotteissa, jotka eivät joudu koviin olosuhteisiin.

Polyimidikalvot yhdistetään usein polyimidi- tai akryyliliimoihin. Polyesterikalvot yhdistetään yleensä polyesteriliimoihin.

2. Johdin

Kuparifolio sopii hyvin joustaviin piireihin. Kuparifolio voidaan valmistaa elektrodepositiolla (ED) tai valssaamalla ja hehkuttamalla (RA). ED-kuparin toinen puoli on kiiltävä. Toisella puolella on matta prosessipinta. ED-kupari on taivutettavaa, ja sitä voidaan valmistaa monin eri paksuuksin ja leveyksin. ED-kuparin mattapintaiselle puolelle tehdään usein erityiskäsittely, jotta se pysyy paremmin kiinni.

RA-kupari on sekä joustavaa että sileää. Se voi olla vahvempaa. RA-kupari on käyttökelpoinen malleissa, joissa tarvitaan toistuvaa taivutusta tai dynaamista taipumista.

3. Liima

Liimat eivät ainoastaan liimaa eristyskalvoa johtimeen. Ne voivat toimia peitekerroksina, suojapinnoitteina tai päällekkäiskerroksina. Suurin ero on siinä, miten kerros levitetään. Peitekerros kiinnittyy eristekalvoon ja muodostaa laminoidun rakenteen.

Seulapainatusta käytetään liiman peittämiseen ja pinnoittamiseen. Kaikissa laminoiduissa rakenteissa ei käytetä liimoja. Liimattomissa laminaateissa saadaan aikaan ohuempia ja joustavampia piirejä. Ne tarjoavat myös paremman lämmönsiirron kuin liimapohjaiset laminaatit. Koska lämpöä estävää liimakerrosta ei ole, lämpö siirtyy piirin läpi paremmin. Tämän ansiosta liimattomat joustolaminaatit voivat toimia olosuhteissa, joissa liimapohjaiset joustolaminaatit saattaisivat pettää.

FPC:n juotosvaiheet (FPC-juotosprosessi)

Alla on käytännön ohjeita PQFP-sirun ja tavallisten SMD-osien juottamiseen käsin joustavilla piireillä. Käytä näitä vaiheita selkeänä ohjeena. Noudata myös turvallisuus- ja ESD-sääntöjä.

1. Ennen juottamista levitä juoksevaa ainetta tyynyihin. Käsittele tyynyt rautaa käyttäen. Näin vältetään huono tinaus tai tyynyjen hapettuminen. Sirut eivät yleensä tarvitse esikäsittelyä.

2. Aseta PQFP-siru varovasti pinseteillä piirilevylle. Tee näin, jotta vältät johtojen taivuttamisen tai katkeamisen. Kohdista siru tyynyjen kanssa. Varmista, että siru osoittaa oikeaan suuntaan. Kuumenna silitysrauta yli 300 °C:n lämpötilaan. Laita hieman juotetta silitysraudan kärkeen. Paina kohdistettua sirua alaspäin työkalulla. Lisää pieni määrä juotetta kahteen viistoon tappiin. Pidä sirusta kiinni ja juota kaksi diagonaalista nastaa. Tämä kiinnittää sirun paikalleen. Kun nämä kaksi nastaa on juotettu, tarkista kohdistus. Tarvittaessa siirrä tai poista ja aseta siru uudelleen paikalleen.

3. Kun aloitat kaikkien nastojen juottamisen, lisää juotetta raudan kärkeen. Levitä juotetta kaikkiin nastoihin, jotta ne pysyvät kosteina. Kosketa silitysraudan kärkeä jokaisen tapin päähän, kunnes näet juotteen virtaavan tappiin. Pidä silitysraudan kärki samansuuntaisena nastojen kanssa juottamisen aikana. Tämä auttaa estämään nastojen siltojen muodostumisen liian suuren juotoksen vuoksi.

4. Kun olet juottanut kaikki nastat, kostuta kaikki nastat ja puhdista juotos. Poista ylimääräinen juote oikosulkujen ja siltojen poistamiseksi. Tarkasta lopuksi pinseteillä, onko juotosliitoksia huonosti. Kun olet valmis, puhdista levy. Käytä alkoholia ja jäykkää harjaa ja pyyhi sitten nastojen suuntaa pitkin, kunnes juotosjäämät ovat poissa.

5. SMD-vastukset ja kondensaattorit ovat helpompia. Aseta osa alustalle. Aseta sitten toinen pää tyynyn päälle ja pidä siitä kiinni pinseteillä. Juota toinen pää ensin. Tarkista sijoitus. Jos se on kohdallaan, juota toinen pää.

Keskeiset erot jäykän piirilevyn ja joustavan piirin välillä

Jäykät piirilevyt ovat sitä, mitä ihmiset yleensä ajattelevat piirilevyiksi. Niissä käytetään johtimia ja muita osia johtamattomalla levyllä. Johtamaton levy sisältää usein lasia. Lasi tekee levystä vahvan ja jäykän. Jäykät piirilevyt antavat hyvän tuen osille ja hyvän lämmönkestävyyden.

Joustavissa piirilevyissä on myös johtavia jälkiä ei-johtavalla pohjalla. Mutta pohja on joustava, kuten polyimidi. Joustavan pohjan ansiosta piiri taipuu, kestää tärinää, jäähtyy hyvin ja taittuu moneen muotoon. Näiden muotojen ansiosta joustopiirit ovat nykyään yleisiä kompakteissa ja uusissa elektroniikkasuunnitelmissa.

Perusmateriaalin ja jäykkyyden lisäksi muita suuria eroja ovat:

• Kapellimestarin valinta: Kovan ED-kuparin sijasta käytetään usein pehmeämpää RA-kuparia. Tämä auttaa, jos piirin on taivuttava halkeilematta.

• Valmistus: Flex-valmistajat eivät käytä juotosmaskia kuten jäykät PCB:t. He käyttävät coverlay- tai covercoat-menetelmää suojaamaan paljaita jälkiä.

• Kustannukset: Flex-piirit maksavat yleensä enemmän kuin jäykät levyt. Joustolevyn avulla insinöörit voivat kuitenkin kutistaa tuotetta. Tämä voi alentaa tuotteen kokonaiskustannuksia, koska pienemmän tuotteen valmistaminen tai toimittaminen voi maksaa vähemmän.

Miten valita jäykän ja joustavan piirilevyn välillä?

Molemmat tyypit voivat toimia monissa tuotteissa. Joissakin käyttötarkoituksissa jompikumpi tyyppi on hyödyllisempi. Esimerkiksi jäykät piirilevyt ovat järkeviä suuremmissa tuotteissa, kuten televisioissa ja pöytätietokoneissa. Kompakteissa tuotteissa, kuten puhelimissa ja puettavissa laitteissa, tarvitaan usein joustopiirejä.

Kun valitset, mieti:

• Mitä tuotteesi on tehtävä.

• Mitä teollisuus yleensä käyttää samankaltaisista tuotteista.

• Miten yhden tyypin käyttö voi muuttaa kustannuksia tai kokoonpanoa.

Jos laitteesi tarvitsee taittaa, taivuttaa tai säästää tilaa, valitse flex. Jos tarvitset edullisia kustannuksia ja suurta kiinnityslujuutta suurille osille, valitse jäykkä.

Joustavien piirilevyjen jäykisteet

Jäykisteitä kutsutaan myös vahvistuslevyiksi, tukilevyiksi tai vahvistuskylkiluiksi. Niitä käytetään elektroniikassa taipumisen hallintaan. Jäykisteet ratkaisevat ongelman, että joustavat levyt voivat taipua liikaa. Ne tekevät liitäntäalueista vahvempia ja helpottavat kokoonpanoa.

Yleiset jäykisteen tyypit:

• Ruostumattomasta teräksestä valmistetut jäykisteet

• Alumiiniset jäykisteet

• Polyesteristä valmistetut jäykisteet

• Polyimidijäykisteet

• Lasikuitujäykisteet

• PTFE (teflon) -jäykisteet

• Polykarbonaattijäykisteet

Polyimidijäykisteiden (PI) käsittelysäännöt:

1. Paista PI-jäykisteitä 80 °C:ssa 30 minuuttia ennen käyttöä.

2. Työskentele puhtaassa huoneessa noin 25 °C:n lämpötilassa ja 65%:n suhteellisessa kosteudessa, jos se on mahdollista.

3. Käytä pian tuoreita PI-jäykisteitä. Jos ne seisovat yli yhden päivän, sulje ne hyvin.

4. Puhdista rajapinta, jossa FPC kohtaa jäykisteen, ennen liimausta.

5. Käytä oikeita liimaus- ja puristusolosuhteita, kun käytät eri puristimia.

6. Kovettumisen jälkeen odota, että jigi jäähtyy, ennen kuin avaat ja irrotat osan.

7. Älä jäähdytä PI-jäykisteitä nopeasti laminoinnin jälkeen. Siirrä osa tarvittaessa hitaasti lämpenevälle alustalle, kuten lasikuitukankaalle. Jos käytät levypuristinta, odota, että tuote jäähtyy huoneenlämpöiseksi.

Kuinka estää lommojen ja halkeamien syntyminen joustavissa PCB-piireissä?

Taivutuspiirin neutraali taivutusakseli ei välttämättä ole keskellä pinoa. Asianmukainen käsittely auttaa estämään kolhut ja halkeamat.

Joustavat piirilevyt ovat sekä mekaanisia että sähköisiä osia. Jäljen asettelun on tehtävä koko piiristä vahva. Toisin kuin jäykkä piirilevy, taipuisa piirilevy voi taipua, kiertyä ja taittua, jotta se mahtuu lopullisen tuotteen sisään. Jos taivutus ylittää tietyn pisteen, kupari joutuu voimakkaan jännityksen alaiseksi. Tämä voi rikkoa tai tehdä lommoja.

Flex antaa suunnittelijoille vaihtoehtoja, joita jäykät levyt eivät tarjoa. Vaikka flex olisi oikea ratkaisu, se ei tarkoita, että kuparijäljet eivät koskaan vioituisi. Myös kuparilla on rajansa sen kestokyvylle.

Sinun on tarkkailtava monia asioita, erityisesti silloin, kun tuote taipuu dynaamisesti (taipuu käytön aikana) tai kun se on taitettava pieneen kotelotilaan. Tarkkuus on tärkeää halkeamien välttämiseksi.

Suunnitteluun liittyvät näkökohdat

taipuminen ja taivutus

Alla on selkeitä suunnitteluideoita käyttöiän ja luotettavuuden lisäämiseksi.

Tunne jännityskohdat ja taivutussäde

Tunne taivutuksen, taittamisen ja vääntämisen rajat. Yksipuolisessa taivutuksessa kupari halkeaa, jos venytys tai puristus ylittää taivutussäteen tai jännityspisteen. Työskentele aina näiden rajojen sisällä.

Neutraali akseli

Dynaamisessa joustokäytössä yksipuoliset joustomallit ovat parhaita. Yksipuolinen antaa kuparille tilaa istua lähellä rakenteen keskikohtaa. Tässä asettelussa kuparia ei puristeta tai venytetä voimakkaasti dynaamisen taivutuksen aikana.

Ohuempi on parempi

Ohuemmat pinot taipuvat helpommin. Niiden sisäinen taivutussäde on pienempi ja ulkokerrokseen kohdistuu vähemmän rasitusta. Käytä paljon taipuvissa osissa ohuempaa kuparia ja ohuempia dielektrisiä kerroksia.

I-palkin asettelu

I-palkki tarkoittaa, että kupari- tai dielektriset kerrokset ovat päällekkäin suoraan molemmin puolin. Tämä tekee taitosalueesta vahvemman. Koska sisempi kerros puristuu, ulompi kerros venyy enemmän. Voit vähentää tätä siirtämällä jäljet vastakkaisille puolille.

Terävät taipumat tai taittumat

Monet joustolevyt on suunniteltu taitettaviksi. Hyvin tehty lauta kestää ensimmäisen taittumisen tai vääntymisen. Rypistyneen alueen toistuva taittaminen ei kuitenkaan ole hyvä asia. Kupari rikkoutuu ajan myötä. Sitä ei suositella. Käytä suunnittelutemppuja, kuten pyöristettyjä kulmaraitoja taitosalueella.

Muita vinkkejä halkeilun välttämiseksi:

• Käytä juotettuja tai tinattuja jäljityspolkuja.

• Käytä RA-kuparia tai ED-kuparia, jonka raesuunta on hallittu.

• Käytä peittävää polyimidikalvoa taivutusalueella.

• Käytä pohjassa jäykistäviä kylkiluita ja yläosassa peitekerrosta.

Muut käytännön suunnittelua ja prosessia koskevat huomautukset

• Kun lataat osia, pidä jäljet kaukana rei'istä ja terävistä reunoista. Tämä vähentää rikkoutumisriskiä.

• Käytä pyöreitä tyynyn muotoja ja lisää fileitä jälkiin mutkien lähellä.

• Pidä läpiviennit poissa voimakkaasti kuormitetuilta taivutusalueilta. Jos läpivientejä on pakko sijoittaa, käytä vahvistusta.

• Käytä säteittäisiä kulmia jälkien ja tyynyjen kohdalla. Suorakulmaiset kulmat keskittävät jännityksen ja voivat aiheuttaa halkeamia.

• Kun reitität jälkiä taitteen poikki, yritä mahdollisuuksien mukaan reitittää ne kohtisuoraan taitteen akselia vastaan. Tämä vähentää vetojännitystä.

• Toistuvia liikkeitä varten yritä käyttää joustavaa siirtymää levylle, joka pitää taivutuksen vapaalla alueella ilman osia tai läpivientejä.

Kokoonpanon käsittelyä ja ympäristöä koskevat huomautukset

• Säilytä polyimidi ja muut materiaalit kuivissa, suljetuissa pusseissa. Kosteus voi vahingoittaa liimoja ja aiheuttaa delaminaatiota.

• Pidä työskentelyalueet puhtaina. Pöly ja öljyt vahingoittavat liimausta.

• Noudata reflow-juottamisessa materiaalin aika-lämpötilarajoja. Polyimidi kestää korkeaa kuumuutta, mutta polyesteri ei.

• Kun käytät liimoja, noudata kovettumiskäyriä ja jäähdytysvaiheita. Liian nopea jäähtyminen voi aiheuttaa jännitystä ja vääntymistä.

• Käytä ESD-suojausta käsitellessäsi joustopiirejä. Joissakin piireissä on herkkiä IC-piirejä.

Joustavien piirilevyjen yleiset sovellukset

Joustavat piirit ovat suosittuja monissa tuotteissa:

• Matkapuhelimet ja tabletit

• Kamerat

• Puettavat laitteet

• Lääkinnälliset laitteet ja anturit

• Autojen anturit ja kojelaudan osat

• Ilmailu- ja avaruustekniikka sekä sotilaselektroniikka

• LED-valaistus ja näytöt

• Liittimet ja kaapelikokoonpanot

Niiden tärkeimpiä etuja ovat pieni koko, keveys ja kyky sovittaa ne parittomiin muotoihin.

Joustopiirien edut ja rajoitukset

Edut:

• Säästä tilaa ja vähennä painoa.

• Salli liikkuvat tai taittuvat osat.

• Vähemmän liitäntätarpeita, koska flex voidaan kytkeä levyjen väliin.

• Hyvä lämpötehokkuus, kun se suunnitellaan oikein.

• Parempi luotettavuus monissa dynaamisissa käyttötarkoituksissa.

Rajoitukset:

• Kustannukset ovat korkeammat kuin yksinkertaisilla jäykillä piirilevyillä.

• Käsittely vaatii enemmän varovaisuutta.

• Jotkin materiaalit eivät kestä suurta juotoslämpöä.

• Dynaaminen taivutus lyhytikäinen riski, jos suunnittelu on väärä.

Testaus ja laadunvalvonta

Luotettavuuden varmistamiseksi:

• Käytä taivutustestausta dynaamisen taivutuksen keston tarkistamiseen.

• Testaa lämpötilan muutoksen kestävyyttä lämpökierron avulla.

• Tarkasta röntgenkuvauksella tai mikroskoopilla piilossa olevien halkeamien varalta.

• Käytä vetokokeita liimatuille jäykisteille ja liittimille pitovoiman tarkistamiseksi.

• Tarkista signaalijohtojen impedanssi ja jatkuvuus.

Loppuhuomautukset ja pikavinkit

• Valitse polyimidi, jos haluat enemmän lämpöä ja luotettavuutta. Valitse polyesteri, kun alhaisemmat kustannukset ja alhaisempi lämpö ovat kunnossa.

• Käytä dynaamiseen joustoon yksipuolisia ohuita pinoja ja RA-kuparia.

• Lisää jäykisteitä liitäntäalueille kokoonpanon helpottamiseksi.

• Pidä taivutussäteet suurina, kun se on mahdollista. Suuremmat säteet pidentävät käyttöikää.

• Jos havaitset kolhuja tai halkeamia varhaisessa vaiheessa, tarkista taivutuskohta ja pino. Vaihda kuparin tyyppiä, paksuutta tai lisää peitekerros.

• Varmista, että kokoonpanovaiheet vastaavat materiaalin rajoja. Älä esimerkiksi käytä korkean lämpötilan juotosprosesseja polyesteripohjaiseen joustoon.