Что такое гибкая печатная плата? Исчерпывающее руководство

Введение

Гибкие печатные платы (ПП), обычно называемые гибкими схемами, обладают уникальными возможностями, превосходящими традиционные технологии жестких ПП. Гибкая конструкция позволяет им динамически изгибаться, складываться и деформироваться в процессе эксплуатации, что делает их незаменимыми в современных электронных устройствах и изделиях в связи с растущей миниатюризацией и инновациями в электронике.

Понимание основ технологии гибких печатных плат поможет вам определить эффективное применение гибких схем в ваших электронных изделиях и конструкциях. Вы можете обратиться в компанию PCBPit - надежный Предприятие по производству печатных плат для решений в области гибких печатных плат.

 

Что такое гибкая печатная плата?

гибкая печатная плата

Гибкая печатная плата Используется диэлектрический базовый слой из гибкого полимерного материала, такого как полиимид или полиэстер. На гибкий базовый слой ламинируются токопроводящие медные дорожки, образуя тонкую, изгибаемую печатную плату. Отсутствие жесткого стекловолоконного армирования позволяет гибкой печатной плате динамически изгибаться и деформироваться в процессе эксплуатации.

Общие названия, используемые для обозначения гибких ПХБ:

  • Гибкие цепи
  • Гибкие схемы
  • Гибкие печатные платы
  • Гибкие отпечатки

Ключевыми свойствами, отличающими гибкие печатные платы, являются гибкость, легкость, динамичность, долговечность, интеграция с компонентами, компактность и настраиваемость. Эти возможности позволяют гибким печатным платам удовлетворять сложным физическим и электрическим требованиям, предъявляемым к компактным портативным электронным устройствам.

 

Материалы и конструкция гибких печатных плат

Уникальные материалы и конструкция гибких печатных плат обеспечивают их особые возможности. Основными компонентами конструкции гибкой печатной платы являются:

Диэлектрическая гибкая подложка

Базовый диэлектрический слой является основой, на которую наносятся проводящие дорожки. Выбор подходящего материала гибкой подложки имеет решающее значение.

Распространенными вариантами являются полиимид (Kapton), полиэстер (PET), полиамид, фторполимеры (PTFE) и жидкокристаллический полимер (LCP). Полиимид является наиболее распространенным материалом для гибких подложек благодаря высокой прочности, тепловым свойствам и соотношению цены и качества.

Медная фольга

На базовую подложку ламинируется сверхтонкая прокатанная отожженная медная фольга. Типичная толщина фольги в гибких печатных платах составляет от 12 до 35 мкм (от 0,5 до 1 унции).

Проводники

На медную фольгу с помощью литографических процессов наносятся рисунки для создания необходимых проводящих дорожек или трасс.

Coverlay

Для обеспечения изоляции и защиты поверх проводникового слоя можно ламинировать тонкий гибкий диэлектрический покровный слой.

Адгезив для склеивания

Для склеивания базовой подложки с медной фольгой и покровного слоя с проводниками используются клеевые пленки на акриловой или эпоксидной основе.

Ребра жесткости

В многослойных конструкциях могут быть добавлены дополнительные диэлектрические жесткие слои для минимизации смятия или прогиба печатной платы под действием тепловых напряжений.

Отделка и покрытия

Для изоляции и защиты от окисления на проводники наносится паяльная маска. На открытые площадки может быть нанесено выравнивающее покрытие горячим воздушным припоем (HASL) или другие виды отделки поверхности.

Основные свойства гибких печатных плат

Материалы и методы изготовления придают гибким схемам характерные свойства, включая общую толщину, радиус изгиба, термостойкость, химическую стойкость и легкость. Благодаря этим свойствам гибкие печатные платы хорошо подходят для широкого спектра электронных приложений.

Характеристики гибких печатных плат

  • Высокочастотные свойства - Короткие пути прохождения сигнала и тонкие диэлектрические материалы способствуют отличным высокочастотным характеристикам. Такие подложки, как LCP, обладают превосходными ВЧ-свойствами, что делает их пригодными для использования в высокочастотных приложениях.
  • Текущие рейтинги - Токопроводящая способность гибких печатных плат ограничивается толщиной меди, при этом типичные значения непрерывного тока составляют примерно от 0,5 А до 5 А для распространенных конструкций гибких печатных плат.
    Тщательный выбор материалов и соблюдение правил проектирования позволяют адаптировать свойства гибких печатных плат к требованиям конкретных приложений.

Соображения по проектированию гибких печатных плат

Разработка надежной гибкой печатной платы требует особого внимания к аспектам динамического изгиба. Ниже приведены основные рекомендации, которые необходимо учитывать:

  • Ширина и расстояние между трассами - Более узкие трассы требуют увеличения расстояния между гибкими элементами для предотвращения образования трещин. Для динамических областей рекомендуется соотношение расстояния между гибкими элементами и ширины трассы 2:1.
  • Радиус изгиба - Важно прокладывать трассы перпендикулярно оси изгиба. Важно выдерживать радиус изгиба не менее 3X толщины основания для статических участков и 10X для динамических участков изгиба.
  • Пустоты в покрытии - Для предотвращения износа следует минимизировать пустоты в покрытии в местах, где трассы подвергаются воздействию. В зонах динамического изгиба следует предусмотреть стратегическое размещение пустот.
  • Арматура - В многослойных областях могут потребоваться дополнительные ребра жесткости для предотвращения смятия и деформации при изгибе.
  • Клеи - Используйте высокоэффективные эластичные клеи, предназначенные для динамического изгиба. Акриловые клеи известны своей долговечностью.
  • Vias - Для предотвращения распространения трещин от краев отверстий следует использовать проходные отверстия в форме капли с соответствующими кольцевыми кольцами.
  • Уголки - Скругление острых углов трассы с большим радиусом позволяет снизить концентрацию напряжений. Рекомендуется избегать трассировки под углом на углах.
  • Колодки - Применяйте накладки в форме округлого прямоугольника или круга. Прокладки в местах изгиба должны быть термически разгружены с помощью вырезов.
  • Экранирование - Гибкие экранирующие пленки или проводящие слои обеспечивают защиту от ЭМИ/ЭУР. Также могут быть встроены специальные экранирующие дорожки.

Соблюдение этих специальных рекомендаций позволяет создавать гибкие печатные платы, выдерживающие миллионы циклов изгиба и имеющие длительный срок службы.

 

Распространенные типы и области применения гибких печатных плат

Гибкие микросхемы могут использоваться в различных конфигурациях для межсоединений и упаковки:

  • Гибкие межсоединения - Для соединения печатных плат, дисплеев и других модулей при динамических перемещениях на гибких подложках используются простые проводниковые трассы или схемы проводов.
  • Гибкие кабели - Использование параллельных трасс проводников на рулонных гибких подложках позволяет создавать ленточные кабели высокой плотности для передачи сигналов, данных и силовых соединений.
  • Мембранные переключатели - Интеграция проводниковых трасс, разделителей и гибких накладок позволяет создавать сверхтонкие сенсорные переключатели управления.
  • Жесткие плиты Flex - Включение жестких плат в гибкие секции позволяет создавать компактные складные гибридные печатные платы со сложными жесткими участками.
  • Гибкие нагреватели - Нанесение резистивных нагревательных элементов на гибкие подложки для создания тонких нагревательных подушек и одеял, способных прилегать к поверхности.

Среди распространенных областей применения гибких печатных плат - медицинские приборы, носимые устройства, робототехника и промышленное оборудование, бытовая электроника, автомобильная электроника, аэрокосмические и военные системы. Гибкость, малый вес и динамические характеристики гибких печатных плат открывают возможности для инновационного проектирования.

 

Преимущества гибких печатных плат

Технология гибких печатных плат обладает рядом ключевых преимуществ:

  • Динамический изгиб - Выдерживает миллионы циклов перемещений, позволяя сворачивать, разворачивать и складывать печатные платы, что невозможно при использовании жестких печатных плат.
  • Соответствует форме - В отличие от жестких плат может плотно прилегать к контурам и корпусам изделий.
  • Легкий - Обладает чрезвычайно низкой массой по сравнению с жесткими ламинатами, что делает его пригодным для использования в портативных и носимых устройствах.
  • Тонкий форм-фактор - Позволяет создавать компактные, низкопрофильные схемы, занимающие мало места и способствующие созданию более тонких изделий.
  • Прочный - Устойчивость к вибрациям и механическим ударам благодаря гибкой конструкции.
  • Высокая плотность - Интеграция межсоединений, исключающая необходимость использования внешних кабелей и разъемов.
  • Пользовательские формы - Возможно изготовление неограниченного количества 2D-форм и контуров.
  • Мягкие и податливые - Позволяет интегрировать в ткани полноценные электронные системы.
  • Надежность - При правильном проектировании обеспечивает стабильную работу в течение всего срока службы.
  • Экономия затрат - Упрощает сборку, уменьшает потребность в соединителях и снижает общую стоимость изделия.
 

Проблемы и ограничения

Обладая многочисленными преимуществами, технология гибких печатных плат в то же время имеет следующие ограничения:

  • Ограниченные слои и плотность - Обычно допускается 1-6 слоев, что ограничивает сложность схем. Многослойный флекс высокой плотности находится в стадии разработки.
  • Более низкие номинальные значения тока - Толщина меди ограничивает допустимый ток, обычно не превышающий 5 А.
  • Сложная сборка - Требуются специализированные технологии SMT, пригодные для гибких подложек.
  • Склонность к износу - Неправильное расстояние между динамическими изгибами может привести к образованию трещин и разрушению проводников.
  • Требования к структуре резервирования - Для полной интеграции системы гибкие цепи должны быть смонтированы на жестких рамах или в корпусах.
  • Вопросы терморегулирования - Изолирующая полимерная подложка препятствует отводу тепла.
  • Восприимчивость к негативному воздействию окружающей среды - Требуется дополнительная защитная оболочка для уменьшения ущерба окружающей среде.

Благодаря рациональной практике проектирования и совершенствованию материалов предпринимаются постоянные усилия по устранению этих ограничений и расширению возможностей гибких печатных плат.

 

Сравнение гибких и жестких печатных плат

Хотя технология жестких печатных плат подходит для многих приложений, в некоторых случаях переход на гибкие печатные платы является преимуществом. Ниже приводится сравнение гибких и жестких печатных плат:

Параметры Гибкая печатная плата Жесткая печатная плата Состав Полимерный диэлектрик (PI, PET) Жесткий ламинат (FR4) Слои Обычно 1-6 слоев До 30+ слоев Особенности Тонкие линейные трассы, Плотность Средняя плотность Возможна очень высокая плотность Теплопроводность Плохая проводимость через полимер Хорошая теплопроводность Токопроводность Обычно < 5 А Возможны большие токи Монтаж Требуется специализированный процесс SMT Стандартный SMT монтаж Форма Можно изготовить любой 2D контур Ограничено прямоугольными платами Радиус изгиба Можно динамически изгибать Практически нет радиуса изгиба Стоимость $$ $$$$$

В то время как жесткие печатные платы используются в большинстве приложений высокой сложности, плотности и мощности, гибкие печатные платы обеспечивают механическую гибкость, необходимую в мобильных конструкциях с ограниченным пространством. Оптимальным решением часто является интеграция обоих компонентов на жестко-гибкой печатной плате, что позволяет использовать лучшие возможности обеих технологий.

 

Будущие тенденции в области гибких печатных плат

Вот некоторые ключевые тенденции, определяющие дальнейшее развитие технологии гибких печатных плат:

  • Более тонкие конструкции - Уменьшение толщины гибкого слоя до 1 мил для улучшения изгибаемости.
  • Меньшие возможности - Уменьшение ширины трасс и расстояния между ними до 2 мил для повышения степени интеграции.
  • Улучшенные материалы - Новые подложки типа LCP для улучшения электрических и высокочастотных характеристик.
  • Мелкий шаг Компоненты - Обеспечение прямого поверхностного монтажа ИС со сверхмалым шагом на гибких печатных платах.
  • Высокоплотный флекс - Разработка гибких многослойных плат с количеством проводящих слоев до 12.
  • Встраивание пассивов - Включение в гибкие слои тонких встроенных резисторов и конденсаторов.
  • Растягивающиеся микросхемы - Использование новых материалов, позволяющих гибким печатным платам растягиваться и деформироваться.
  • Аддитивная обработка - Переход от субтрактивного травления к аддитивному изготовлению с использованием процессов печати или нанесения покрытий.
  • 3D структурированные гибкие схемы - Методы изготовления внеплоскостных гибких схемных структур.
 

По мере развития материаловедения и производственных процессов технология гибких печатных плат будет открывать двери для более инновационных конструкций электроники, недостижимых ранее.

Поделиться:

Другие посты

Печатная плата

Почему печатные платы экологичны?

Почему печатные платы экологичны? Печатные платы (ПП) - это невоспетые герои современной электронной промышленности. Они играют жизненно важную роль в

ru_RUРусский