Zginanie zasad: Projektowanie elastycznych obwodów dla dynamicznych aplikacji

Układy elastyczne umożliwiają kompaktowe, lekkie i elastyczne projekty, których sztywne PCB nie są w stanie osiągnąć. Od urządzeń noszonych po systemy robotyczne, elastyczne PCB doskonale sprawdzają się w aplikacjach wymagających ciągłego ruchu. Jednak te dynamiczne środowiska stawiają przed projektowaniem obwodów unikalne wyzwania, wymagające połączenia wiedzy technicznej i strategicznego planowania.

W tym blogu przyjrzymy się projektowaniu elastycznych obwodów dla dynamicznych aplikacji. Od zrozumienia nauki o materiałach po radzenie sobie z powszechnymi wyzwaniami, ten blog wyposaży projektantów PCB w wglądy, których potrzebują, aby tworzyć trwałe i niezawodne elastyczne płytki obwodów.

Co sprawia, że elastyczne obwody są niezbędne dla dynamicznych aplikacji?

Elastyczne PCB wyróżniają się dzięki swojej zdolności do dopasowywania się do ciasnych przestrzeni oraz wytrzymywania powtarzającego się zginania i skręcania. Sprawia to, że są one użyteczne w aplikacjach, gdzie sztywne PCB by zawiodły, takich jak:

• Elektronika noszona, jak monitory aktywności i smartwatche.
• Robotyka, gdzie obwody muszą radzić sobie z ciągłym ruchem w ramionach i stawach robotów.
• Systemy motoryzacyjne, w tym poduszki powietrzne, czujniki i oświetlenie wnętrza.
• Skladane i rolowane wyświetlacze w nowoczesnych smartfonach i urządzeniach przenośnych.

Te dynamiczne aplikacje wymagają projektów, które mogą wytrzymać stres mechaniczny i powtarzający się ruch bez kompromisu dla wydajności. 

Nauka o materiałach

Materiały, które wybierasz do wykonania elastycznego obwodu, znacząco wpływają na jego wydajność w dynamicznych aplikacjach. Przeanalizujmy kluczowe materiały i ich role:

Podstawowe materiały

• Polimid (PI): Najczęściej używany materiał do elastycznych obwodów ze względu na jego doskonałą wytrzymałość mechaniczną, elastyczność i odporność na ciepło.
• Polimer kryształów ciekłych (LCP): Idealny do aplikacji wymagających niskiej absorpcji wilgoci i wyjątkowej wydajności w wysokich częstotliwościach.

Typy miedzi

• Walcowana miedź wyżarzana (RA): Preferowana w dynamicznych aplikacjach ze względu na jej gładką powierzchnię i wysoką plastyczność. Miedź RA jest mniej podatna na pękanie pod wpływem powtarzającego się stresu w porównaniu do miedzi elektrolitycznej (ED).
• Laminaty bezklejowe:  Konstrukcje bezklejowe eliminują potencjalne słabe punkty, takie jak delaminacja, i oferują zmniejszoną grubość materiału, poprawiając zdolność obwodu do wytrzymywania powtarzającego się zginania.

Przykład sztywno-elastycznego układu warstwowego z konstrukcją typu bookbinder jest pokazany poniżej. Przeczytaj więcej o podejściu do projektowania tych układów warstwowych w tym artykule.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Explore Solutions

Testowanie dla sukcesu: Dynamiczne testy zginania i cykli elastyczności

Projektowanie dla dynamicznych środowisk wymaga rygorystycznych testów w celu walidacji trwałości obwodu. Testowanie symuluje warunki rzeczywiste, aby przewidzieć żywotność i niezawodność elastycznego PCB.

Kluczowe metody testowania

• Testowanie cyklu gięcia: Określa, ile zgięć obwód może wytrzymać, zanim nastąpi zmęczenie przewodnika.
• Testowanie skręcania: Ocenia zdolność obwodu do radzenia sobie z naprężeniem skrętnym, kluczowym czynnikiem w aplikacjach robotycznych i motoryzacyjnych.
• Testowanie obciążenia środowiskowego: Obejmuje testy cyklu termicznego i odporności na wilgoć, aby symulować trudne warunki eksploatacji.

Wskazówki projektowe dla elastycznych obwodów w dynamicznych aplikacjach

Projektując elastyczne PCB do użytku dynamicznego, każdy szczegół ma znaczenie. Małe niedopatrzenie może prowadzić do pęknięć przewodnika, delaminacji lub przedwczesnej awarii. Oto kilka istotnych wskazówek:

Optymalizacja trasowania ścieżek

• Gładkie krzywe zamiast ostrych narożników: Ostre narożniki koncentrują naprężenie i mogą prowadzić do pęknięć. Jeśli ścieżki muszą być prowadzone przez region zginania, użyj zakrzywionych ścieżek, aby rozłożyć naprężenie równomiernie, zamiast umieszczać narożnik 45° w regionie zginania.
• Orientacja ścieżek równoległa: Projektując ścieżki w pobliżu regionu zginania, rozważ prowadzenie ścieżek równolegle do osi zginania, aby zmniejszyć naprężenie mechaniczne podczas gięcia. Umieść wystarczającą przestrzeń między ścieżkami, aby nie znajdowały się one zbyt blisko obszaru zginania.

Przesunięcie via, aby zmniejszyć koncentrację naprężeń

• Unikaj ustawiania via w prostej linii, ponieważ tworzy to skupienie naprężeń wzdłuż linii via. Zamiast tego, rozłóż via szachowo, aby równomiernie rozłożyć naprężenie na całym obwodzie.

Użyj Kształtu Łezki na Padach i Via

• Pad-y w kształcie łezki redukują skupienie naprężeń w miejscach połączenia ścieżki z pad-em, zapobiegając mechanicznemu uszkodzeniu podczas zginania. Dowiedz się więcej o stosowaniu łezek na pad-ach i via.

Wzmocnij Obszary Wysokiego Naprężenia

Regiony złączy i punkty lutownicze są szczególnie narażone na naprężenia. Jeśli w tych obszarach występuje nadmierne zginanie lub powtarzające się zginanie, pady miedziane mogą się odkleić lub złącza lutownicze mogą pęknąć. Rozważ wzmocnienie tych obszarów za pomocą usztywniaczy z poliimidu, grubszych warstw miedzi lub dodaj otwory montażowe, aby zamocować obwód elastyczny do obudowy.

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

Wybierz Elastyczną Maskę Lutowniczą

Standardowa maska lutownicza może pęknąć pod wpływem powtarzającego się zginania. Istnieją jednak elastyczne opcje maski lutowniczej (znane jako poliimidowa nakładka ochronna), które chronią ścieżki miedziane, jednocześnie pozwalając na dynamiczne ruchy.

Adresowanie Wspólnych Wyzwań w Dynamicznych Obwodach Elastycznych

Dynamiczne aplikacje stawiają unikalne wyzwania, ale proaktywne strategie projektowe mogą złagodzić te ryzyka.

Zmęczenie Przewodnika

Powtarzające się zginanie może prowadzić do mikropęknięć w przewodnikach miedzianych.
Rozwiązanie: Użyj walcowanej miedzi wyżarzanej i projektuj z odpowiednim promieniem zgięcia, aby zmniejszyć naprężenie.

Delaminacja

Elastyczne obwody z warstwami klejowymi mogą ulec delaminacji pod wpływem stresu lub wysokiej wilgotności.
Rozwiązanie: Wybierz laminaty bezklejowe lub kleje o wysokiej sile wiązania.

Problemy z rozszerzalnością cieplną

Różne współczynniki rozszerzalności materiałów mogą powodować naprężenia mechaniczne w środowiskach z wahaniem temperatur.
Rozwiązanie: Wybierz materiały zgodne pod względem współczynników rozszerzalności cieplnej (CTE), aby zminimalizować to ryzyko.

Awaria wywołana wibracjami

W aplikacjach motoryzacyjnych i lotniczych ciągłe wibracje mogą pogarszać integralność obwodów.
Rozwiązanie: Użyj wzmocnionych usztywniaczy i materiałów tłumiących wibracje.

Ekscytujące zastosowania dynamicznych obwodów elastycznych

Elastyczne obwody napędzają niektóre z najbardziej innowacyjnych technologii naszych czasów. Oto kilka przykładów:

Elektronika noszona

Smartwatche i monitory aktywności fizycznej polegają na elastycznych obwodach, aby utrzymać funkcjonalność pomimo ciągłego ruchu i bliskiego kontaktu z ciałem.

Urządzenia składane

Najnowsze smartfony i tablety mają składane konstrukcje, umożliwione przez ultracienkie elastyczne obwody, które mogą się wielokrotnie zginać bez łamania.

Systemy robotyczne

Obwody elastyczne są używane w niektórych ramionach robotów, gdzie mogą wytrzymać skręcanie i zginanie, dostarczając energię i dane do ruchomych części.

Automotive

Niektóre systemy oświetleniowe w samochodach wymagają elastycznych PCB, które mogą wytrzymać wibracje i ekstremalne temperatury.

Rozwijające się trendy w projektowaniu elastycznych PCB

Przyszłość obwodów elastycznych jest ekscytująca, z nowymi materiałami i technologiami przesuwającymi granice tego, co jest możliwe. Nowe materiały i bardziej zaawansowane materiały komercyjne, które są obecnie dostępne, oferują nową klasę urządzeń elektronicznych na elastycznych platformach.

Rozciągliwe obwody

Rozciągliwa elektronika może się zginać i rozciągać jak guma, umożliwiając nowe zastosowania w urządzeniach medycznych, e-tekstyliach i technologii noszonej.

Zastosowania wysokich częstotliwości

Pewne projekty, które implementują komponenty lub obwody wysokoczęstotliwościowe/RF na elastycznych konstrukcjach, mogą używać materiałów takich jak LCP, które oferują niższy tangens strat niż mieszanki poliimidowe.

Niektóre materiały elastycznych PCB, specjalnie polietylen (PET), są przezroczyste dla wszystkich kolorów światła widzialnego. W przeciwieństwie do tradycyjnego poliimidu, który jest przezroczysty tylko dla światła pomarańczowego.

E-tekstylia

Inteligentne tkaniny integrują elastyczne obwody bezpośrednio z tekstyliami, umożliwiając zastosowania takie jak monitorowanie zdrowia, ubrania z rozszerzoną rzeczywistością i inne.

Podsumowanie: Opanowanie sztuki projektowania dynamicznych obwodów elastycznych

Projektowanie elastycznych obwodów dla dynamicznych aplikacji to zarówno sztuka, jak i nauka. Sukces zależy od wyboru odpowiednich materiałów, rygorystycznego testowania pod kątem trwałości oraz stosowania najlepszych praktyk w celu złagodzenia naprężeń mechanicznych.

Od urządzeń noszonych i robotyki po motoryzację i urządzenia składane, elastyczne PCB są na czele nowoczesnej innowacji. Poprzez proaktywne adresowanie wyzwań i wykorzystywanie pojawiających się trendów, projektanci PCB mogą tworzyć solidne obwody, które sprostają wymaganiom nawet najbardziej dynamicznych środowisk.