PCB flex i rigid-flex: kiedy warto i jak projektować obwody giętkie

Obwód drukowany nie musi być sztywną płytką z laminatu FR-4. PCB flex to obwody na cienkiej folii, najczęściej poliimidowej, które można zginać. Rigid-flex łączy sztywne sekcje z elementami i giętkie odcinki połączeniowe w jeden spójny obwód. W urządzeniach czujnikowych oba rozwiązania pojawiają się coraz częściej.

Kiedy flex lub rigid-flex ma sens

• Brak miejsca: elektronikę trzeba złożyć w obudowie o nietypowym kształcie albo „owinąć” wokół elementu.
• Ruch: połączenie musi wytrzymać wielokrotne zginanie, np. w zawiasie, klipsie albo ruchomym ramieniu.
• Masa: w urządzeniach noszonych i czujnikach montowanych na delikatnych obiektach liczy się każdy gram.
• Niezawodność: rigid-flex eliminuje kable i złącza między płytkami, czyli najczęstsze miejsca awarii w środowisku z drganiami i wilgocią.
• Kontakt z powierzchnią: giętki obwód może się dopasować do mierzonego obiektu i pełnić funkcję elektrody czujnika.

Kiedy lepiej zostać przy FR-4

Flex jest droższy od sztywnej płytki o tej samej powierzchni, a rigid-flex jeszcze droższy. Jeśli zwykła płytka i dobre złącze rozwiązują problem, a urządzenie nie pracuje w ruchu ani w drganiach, klasyczne rozwiązanie jest zwykle tańsze. Często dobrym kompromisem jest sztywna płytka z jednym tasiemkowym obwodem flex zamiast kabla.

Zasady projektowania

Strefa gięcia

• Określ, czy obwód będzie zgięty raz przy montażu (statycznie), czy zginany wielokrotnie (dynamicznie). Od tego zależy minimalny promień gięcia i dobór miedzi. Do zastosowań dynamicznych zaleca się miedź walcowaną.
• Minimalny promień gięcia wyraża się jako wielokrotność grubości obwodu. W wytycznych IPC-2223 dla zastosowań dynamicznych jest on wielokrotnie większy niż dla statycznych.
• W strefie gięcia prowadź ścieżki prostopadle do linii gięcia, bez ostrych załamań, i rozkładaj je równomiernie.
• Nie umieszczaj w strefie gięcia przelotek ani padów. Na przejściu między sekcją sztywną a giętką stosuj łagodne zakończenia i wzmocnienia.
• W obwodach wielowarstwowych przesuwaj ścieżki na sąsiednich warstwach względem siebie (tzw. staggering), żeby nie tworzyć sztywnej „belki”.

Usztywnienia i elementy

Elementy montuje się na sekcjach sztywnych albo na fragmentach flex wzmocnionych usztywnieniami (np. FR-4, poliimid lub stal). Usztywnienie jest też potrzebne pod złączem ZIF, żeby uzyskać właściwą grubość wsuwanej końcówki.

Ekranowanie i impedancja

Pełna płaszczyzna miedzi usztywnia obwód. W strefach giętkich stosuje się więc siatkę zamiast pełnej warstwy albo folie ekranujące, a impedancję ścieżek liczy się z uwzględnieniem tej siatki.

Flex jako część czujnika

W urządzeniach czujnikowych giętki obwód bywa nie tylko połączeniem, ale i elementem pomiarowym. Elektrody grzebieniowe do pomiarów pojemnościowych, pola dotykowe czy nośnik termistora przyklejanego do powierzchni można wykonać bezpośrednio na folii. Trzeba wtedy uwzględnić wpływ pokrycia ochronnego (coverlay) na sprzężenie elektrody z obiektem, chłonność wilgoci przez poliimid i odporność wykończenia powierzchni (np. ENIG) na środowisko pracy.

Źródła

1. IPC-2223. Sectional Design Standard for Flexible/Rigid-Flexible Printed Boards.
2. IPC-6013. Qualification and Performance Specification for Flexible/Rigid-Flexible Printed Boards.
3. Deepnest. Elektronika drukowana i elastyczna: jak powstają czujniki na folii.

• PCB
• czujniki elastyczne
• prototypy