Lås op for nye ideer: Min rejse ind i verdenen af fleksible PCB'er

I årevis har jeg brugt de pålidelige, almindelige grønne plader, der er kendt som stive printkort. De har været grundlaget for mange elektroniske enheder, jeg har hjulpet med at skabe. Men efterhånden som teknologien udviklede sig og krævede mindre, lettere og mere komplekse designs, stødte jeg på et problem. Stivheden af det traditionelle printkort var ved at blive et reelt problem. Det var der, jeg begyndte at lære alt om fleksible PCB'er, og det ændrede fuldstændig mit syn på, hvad du kan gøre inden for elektronikdesign.

Denne artikel er for alle, der ønsker at gå ud over normal elektronik, ligesom jeg gjorde. Vi vil se på detaljerne i det fleksible printkort (FPC), en teknologi, der lader kredsløb bøje, dreje og folde. Du vil lære om de materialer, der gør dem specielle, de forskellige typer, du kan bruge, og de fantastiske fordele, de giver. Jeg vil dele det, jeg har lært, for at vise dig, hvorfor det nu er vigtigt for alle, der er seriøse omkring moderne elektronik, at kende til flex PCB.

Hvad er et fleksibelt printkort helt præcist?

Jeg kan stadig huske første gang, jeg så et fleksibelt printkort. Det virkede mindre som hardware og mere som et futuristisk bånd. En fleksibel PCB er grundlæggende et layout af elektriske baner på et tyndt, bøjeligt basismateriale. Forestil dig et printkort, der kan bøje og dreje uden at beskadige forbindelserne. I modsætning til de stive er disse kredsløb lavet til at passe til formen på det produkt, de er indeni. Denne hovedfunktion er det, der gør det fleksible kredsløb til en vigtig del af moderne, lille elektronik.

Et fleksibelt printkort gør det samme som ethvert PCB: det forbinder og holder elektroniske dele. Men den måde, det er bygget på et fleksibelt substrat, normalt en polymerfilm, er det, der gør det anderledes. Dette gør det muligt at bruge et flex-kredsløb, hvor et stift printkort ikke kan, f.eks. til at forbinde dele, der bevæger sig, eller til at passe ind i underligt formede områder. Teknologien har eksisteret i et stykke tid, men den er vokset meget hurtigt på grund af behovet for mindre og mere bærbare elektroniske enheder.

Hvordan adskiller fleksible PCB'er sig fra stive PCB'er?

Da jeg begyndte at undersøge fleksibel elektronik, var den tydeligste forskel naturligvis, at den kunne bøje. Men efterhånden som jeg lærte mere, så jeg, at forskellene er meget mere end bare at være bøjelig. En stiv PCB bruger en solid, stiv base, ofte FR-4, som er en type glasfibermateriale. Dette gør den stærk og stabil. En fleksibel PCB bruger dog et bøjeligt basismateriale som polyimid, som lader den bøje og flexe. Denne grundlæggende forskel i materialer afgør, hvordan de bruges; stive PCB'er er gode til store produkter som stationære computere, mens fleksible PCB'er er afgørende for små enheder som smartphones og wearables.

Den måde, de er lavet på, har også vigtige forskelle. For eksempel bruger et flex-kredsløb normalt en "coverlay" i stedet for en loddemaske, som er en bøjelig beskyttelsesfilm til kredsløbet. Omkostninger er en anden stor faktor. I starten koster et flex-kredsløb ofte mere at lave end et stift printkort. Men fordi det kan gøre produkterne mindre og fjerne behovet for stik og ledninger, kan du ende med at spare penge på monteringsomkostninger og materialer. Jeg har set, at disse "skjulte besparelser" ofte gør den fleksible PCB til et smartere pengevalg for komplekse designs.

Hvilke materialer bruges til at lave et fleksibelt printkort?

Det, der gør en fleksibel PCB speciel, er de materialer, der bruges til at bygge den. De materialer, du vælger, påvirker direkte kortets evne til at bøje, hvor længe det holder, og hvordan det håndterer varme. Efter min erfaring er det meget vigtigt at forstå disse materialer for at designe et produkt, der fungerer godt og holder længe.

Her er en liste over de vigtigste materialer, der bruges:

Det basismateriale, jeg oftest har set, er polyimid (PI). Det faktum, at det kan modstå høje temperaturer, gør det meget stærkt til hårde opgaver. Lederen er næsten altid kobber, som ætses for at danne kredsløbsmønstrene. En tynd beskyttende belægning, som f.eks. ENIG (Electroless Nickel Immersion Gold), nedsænkningssølveller nedsænkningstin, påføres derefter for at stoppe rust og hjælpe med lodning.

Findes der forskellige typer af fleksible printkort?

Ligesom stive kort findes fleksible PCB'er i et par forskellige typer, og hver er god til forskellige ting. Jeg har lært, at det er meget vigtigt at vælge den rigtige type fleksibelt kredsløb for, hvor godt det endelige produkt fungerer, og hvor meget det koster. De er normalt sorteret efter, hvor mange lederlag de har.

Her er de almindelige typer fleksible kredsløb, jeg bruger meget:

• Enkeltsidede fleksible kredsløb: Disse er den mest grundlæggende type flex PCB. De har et lederlag på en enkelt side af en fleksibel dielektrisk film. Jeg synes, de er gode til simple anvendelser, hvor kortet kun bøjes én gang, når det er installeret. Du finder ofte disse i ting som en lommeregner eller en printers bevægelige hoved.
• Dobbeltsidede fleksible kredsløb: Disse kort har to lederlag, et på hver side af basen. Gennemgående huller (PTH) bruges til at forbinde de to lag. Dette design giver dig mulighed for at have mere komplekse og tætte kredsløb, hvilket gør det til en populær mulighed for ting som digitale kameraer og mobiltelefoner.
• Flerlags flex-kredsløb: Til virkelig komplicerede opgaver er flerlags flex-kredsløb vejen at gå. Disse kombinerer et par enkelte eller dobbeltsidede kredsløb limet sammen, med forbindelser lavet gennem gennemgående huller eller mikro-vias. Jeg har brugt disse i produkter på topniveau som medicinsk udstyr og GPS-enheder, hvor du har brug for mange forbindelser på et lille rum.
• Stive-Flex PCB'er: Dette er en blanding, der kombinerer det bedste fra begge slags. En stiv-flex PCB sætter stive printkort og fleksible kredsløb sammen til en sammenhængende enhed. Dette fjerner behovet for stik mellem stive kort, hvilket gør det mere pålideligt og lettere at samle.

Der er også specielle slags som HDI (High-Density Interconnect) fleksible PCB'er. Disse bruger meget tynde materialer og mikro-vias til produkter, der har brug for den bedste ydeevne og den mindste størrelse.

Hvad er de reelle fordele ved at bruge Flex i den virkelige verden?

Da jeg først begyndte at bruge fleksible PCB'er til nogle af mine projekter, var fordelene tydelige med det samme. Det handlede ikke kun om at kunne bøje; det var en grundlæggende ændring i designfrihed og hvor godt tingene fungerede. De mange fordele ved et fleksibelt printkort kan være en stor ting for at lave nye produkter.

Her er nogle af de vigtigste fordele, jeg selv har set:

• Mindre plads og vægt: Dette er ofte den mest omtalte fordel. Flex-kredsløb er meget tynde og lette. Jeg har set produkter blive op til 75% lettere sammenlignet med at bruge gammeldags stive kort og ledningsopsætninger. Dette er meget vigtigt i områder som rumfart og til fremstilling af lette wearables.
• Mere pålidelig og holder længere: Ved at fjerne stik, som ofte forårsager problemer, forbedrer flex- og stiv-flex-designs i høj grad, hvor pålideligt systemet er. Polyimidmaterialet kan også håndtere rystelser og ekstrem varme bedre end stive kortmaterialer.
• Designfrihed og bøjning: Et flex-kredsløb kan bøjes, foldes og formes i 3D. Dette har ladet mig designe elektronik, der kan gå ind i små og underligt formede produkter, hvilket ville være umuligt med et stift printkort.
• Bedre varmeafledning: Fordi fleksible PCB'er er så tynde, gør de ofte et bedre stykke arbejde med at håndtere og fjerne varme end deres tykkere, stive fætre.
• Lavere monteringsomkostninger og tid: Selvom en flex PCB måske koster mere i starten, kan det spare dig for mange penge over tid. Ved at erstatte tykke ledningsopsætninger bruger du mindre materiale, har brug for mindre arbejde og har færre chancer for fejl under monteringen.

Hvordan fremstilles fleksible printkort?

Processen for at lave et fleksibelt printkort ligner på nogle måder at lave en stiv PCB, men med vigtige forskelle, fordi materialerne er bøjelige. At kende disse grundlæggende trin har hjulpet mig med at designe fleksible kredsløb, der er lettere og billigere at lave.

Processen omfatter normalt disse hovedtrin:

1. Gøre materialer klar: Processen begynder med at vælge det rigtige fleksible substrat (som f.eks. polyimid) og kobberfolie. De er ofte allerede limet sammen. Materialet skæres derefter til den rigtige størrelse til produktionsarket.
2. Boring: Huller til dele og vias bores i materialet. Til tætte designs bruges lasere ofte til at lave små mikro-vias.
3. Kobberbelægning: Et lag kobber lægges i de borede huller (dette kaldes plating through holes) for at skabe elektriske forbindelser mellem lag på dobbeltsidede og flerlags kort.
4. Kredsløbsbilleddannelse og ætsning: Et lysfølsomt materiale lægges på kobberet. En maske med kredsløbsmønsteret bruges til at skinne UV-lys på det. De dele, der ikke blev udsat for lys, og kobberet nedenunder vaskes derefter væk med kemikalier, hvilket efterlader de nødvendige elektriske stier i kredsløbsdesignet.
5. Coverlay-påføring: I stedet for en loddemaske lægges en coverlay (et lag polyimid med lim) på kortet for at beskytte kobberkredsløbene mod fugt og skader. Der efterlades åbninger til komponentpuderne.
6. Overfladefinish: For at beskytte de åbne kobberpuder mod rust og gøre dem klar til lodning, lægges en overfladefinish på. Almindelige typer omfatter ENIG, OSP (Organic Solderability Preservative), nedsænkningssølveller nedsænkningstin.
7. Afstiverpåføring: Hvis designet har brug for det, fastgøres afstivere lavet af materialer som FR-4 eller tykkere polyimid til visse steder for at understøtte komponenter.
8. Test og skæring: De færdige kort testes elektrisk for at sikre, at der ikke er brud eller kortslutninger. De skæres derefter ud fra hovedproduktionsarket.

Hvad er et stift-fleksibelt printkort, og hvornår bør jeg bruge et?

Jeg bliver ofte spurgt om stiv-flex PCB'er, og det giver mening. De er et kraftfuldt skridt fremad inden for printkortteknologi. En stiv-flex PCB er et hybridkort, der har de bedste funktioner fra både stive og fleksible kredsløb. Det er lavet af stive printkortdele, der er jævnt forbundet med indbyggede fleksible kredsløb. Dette giver et enkelt PCB, der kan bøjes eller foldes for at passe til formen på det endelige produkt.

Den største fordel ved en Stiv-flex PCB er, at den fjerner behovet for standardstik, kabler og de loddesamlinger, der normalt forbinder separate stive kort. Dette sparer ikke kun en enorm mængde plads, men gør også systemet meget mere pålideligt ved at fjerne steder, der kan fejle. Jeg har fundet ud af, at stiv-flex-designs er gode til komplekse produkter med høje indsatser, hvor pladsen er trang, og det skal være meget holdbart.

Så hvornår er det en god idé at vælge et stiv-flex-design? Jeg foreslår dem til komplekse opgaver, der skal være meget pålidelige, hvor pladsen er begrænset, og robusthed er nøglen. Eksempler omfatter militært udstyr, rumfartssystemer og avanceret medicinsk udstyr som pacemakere. Selvom det i starten er sværere at lave dem og koster mere end en standard flex- eller stiv PCB, gør den lettere samling, lettere vægt, mindre størrelse og bedre pålidelighed ofte de ekstra omkostninger det værd.

Hvad er de mest almindelige anvendelser af fleksible printkort?

Brugen af fleksible PCB'er er vokset meget hurtigt i de sidste ti år. Deres særlige evne til at spare plads, være lettere og håndtere rystelser har gjort dem essentielle i næsten alle dele af elektronikindustrien. Jeg har haft mulighed for at se dem brugt i en lang række produkter.

Her er nogle af de mest almindelige områder, hvor fleksible printkort bruges:

• Forbrugerelektronik: Dette er sandsynligvis det største marked. Fleksible kredsløb er en vigtig del af moderne smartphones, tablets, digitale kameraer og wearables. De forbinder skærme, kameradele og andre komponenter i disse meget overfyldte enheder. Den velkendte foldbare smartphone er et godt eksempel på fleksibel elektronik i aktion.
• Biler: Bilindustrien bruger flex-kredsløb mere og mere til ting som instrumentbrætpaneler, ABS-kontrolsystemer og kredsløb placeret i tagbeklædningen i en bil. Fordi de modstår rystelser, er de perfekte til de hårde forhold under motorhjelmen.
• Medicinsk udstyr: Inden for medicin er det vigtigste at være pålidelig. Fleksible og stiv-flex PCB'er bruges i alle mulige ting, fra høreapparater og pacemakere til medicinske billeddannende maskiner. Det faktum, at de er sikre for kroppen og kan passe ind i små, komfortable designs, er vigtige fordele for medicinske implantater og wearables.
• Rumfart og militær: Inden for disse vigtige områder er den lette vægt og styrke af fleksible PCB'er afgørende. De bruges i satellitter, flyelektronik og GPS-systemer, hvor de skal være robuste nok til at håndtere ekstrem varme og rystelser.

Er der særlige designregler for et fleksibelt printkort?

At lave et design til et fleksibelt printkort er anderledes end at lave et til et stift kort. Jeg fandt ud af dette på den hårde måde på et af mine første projekter. For at sikre, at det er pålideligt, især for dele, der bøjer meget, er der visse designregler, du skal følge. Hvis du ignorerer disse, kan de elektriske stier revne og fejle tidligt.

Her er et par meget vigtige regler, jeg altid følger, når jeg laver printkortdesigns med bøjelige dele:

• Brug glatte bøjninger: Skarpe hjørner forårsager stress. Brug altid buede spor med en stor bøjningsradius i stedet for skarpe 90-graders sving. En god guide er at gøre bøjningsradius mindst 10 gange tykkere end det fleksible materiale.
• Forskyd spor: På dobbeltsidede eller flerlags flex-kredsløb skal du ikke placere spor lige oven på hinanden i det område, der bøjer. At placere dem på modsatte sider på en forskudt måde spreder stressen bedre.
• Før ledere på tværs af bøjningen: Lederlinjerne skal løbe lige over bøjningslinjen, når du kan. Dette lægger mindre stress på kobbersporene, når de flexer.
• Lav glatte overgange: Foretag ikke pludselige ændringer i, hvor bredt et spor er. Hvis du har brug for at gøre et spor mindre, skal du bruge en blid hældning i stedet for et skarpt trin.
• Hold vias ude af bøjningsområder: Gennemgående huller og vias er stive dele. At placere dem på et sted, der skal bøjes, vil forårsage store problemer. Hold dem i de flade, ikke-bøjende dele af kortet eller på de stive sektioner af et stiv-flex-design.

At tale med din producent er også meget vigtigt. De kan give dig specifikke DFM-regler (Design for Manufacturability) baseret på, hvordan de laver ting, og de materialer, de bruger.

Hvorfor bliver fleksible printkort mere populære?

Du kan ikke benægte tendensen: fleksible PCB'er er ikke en speciel teknologi længere; de er en almindelig løsning. Fra hvor jeg står i elektronikindustrien, er grundene til, at de er blevet så populære, åbenlyse. Det er en kombination af, hvad markedet ønsker, og forbedringer i teknologien. Det konstante pres for mindre, lettere og mere kraftfuld elektronik er hovedårsagen. En normal stiv PCB med sine store stik kan simpelthen ikke passe ind i de små rum og opfylde vægtgrænserne for nutidens wearables, nye smartphones og IoT-sensorer.

Pålideligheden af et fleksibelt kredsløb er også blevet bevist på de hårdeste steder, fra inde i en persons krop til det ydre rum. Efterhånden som industrier som biler og medicinsk udstyr bruger mere avanceret teknologi, er behovet for stærke og pålidelige forbindelser, der kan håndtere rystelser og konstant bevægelse, vokset meget. Evnen til at skabe komplekse 3D-printkortdesigns har også startet en ny bølge af nye ideer, der lader ingeniører og PCB-designere være mere kreative.

Endelig, selvom materialerne måske koster mere, er de samlede omkostninger ved at eje dem ofte lavere. At bruge færre dele (som kabler og stik) og gøre monteringsprocessen lettere betyder lavere monteringsomkostninger og færre chancer for fejl. Efterhånden som måderne at lave dem på bliver bedre og lettere at få adgang til, tror jeg, at vi vil se brugen af fleksible og stiv-flex PCB'er vokse endnu mere og forme fremtiden for avancerede elektroniske produkter.

Vigtige pointer at huske:

• En fleksibel PCB er lavet på et bøjeligt basismateriale, normalt polyimid, som lader den bøje og folde.
• De giver store fordele ved at reducere vægt og størrelse, have bedre pålidelighedog tillade mere designfrihed end et stift printkort.
• De vigtigste typer er enkeltsidet, dobbeltsidet, flerlags og stiv-flex PCB'er, som blander stiv og fleksibel teknologi.
• Særlige designregler, som f.eks. at bruge glatte bøjninger og forskydningsspor, er afgørende for den lange levetid af en flex-kredsløb.
• Det stigende behov for mindre, lettere og mere kreativ Elektronik i alle industrier gør fleksible printkort mere populære.