Zastosowania PCB elastycznych i sztywno-elastycznych

Istnieją dwa podstawowe powody, dla których warto zaprojektować obwód elastyczny w swoim produkcie: aby zbudować kompaktowe i efektywnie montowane urządzenie lub aby zintegrować obwód dynamicznie z funkcją mechaniczną produktu. Oczywiście, możesz opierać się na obu tych powodach, uzasadniając użycie obwodów elastycznych. W tym kontekście przyjrzyjmy się niektórym zastosowaniom i przykładom projektów PCB sztywno-elastycznych, aby zobaczyć problemy, które nasuwają się podczas projektowania obwodów elastycznych.

Przykłady zastosowań dynamicznych obwodów elastycznych

Mechatroniczna bramka

Typowym przykładem dynamicznego zastosowania obwodu elastycznego, jakie można znaleźć w drukarce 3D lub głowicy maszyny CNC, jest mechatroniczna bramka. W fizycznie większych systemach, gdzie komponenty elektroniczne muszą podążać za tym samym ruchem co element mechaniczny, osiągnięto by to za pomocą oddzielnych sztywnych płyt lub modułów, które byłyby połączone kablami. W mniejszych, bardziej eleganckich pakietach, taśma elastyczna ma większy sens, ponieważ zapewnia niskoprofilowy montaż oraz wymaganą ruchomość.

Oczywiście, poniższy przykład byłby umieszczony wzdłuż osi X bramki, a głowica narzędziowa na osi Z poruszałaby się wzdłuż niej. Poniższy przykład pokazuje tylko dwie osie ruchu, a sama bramka poruszałaby się w osi Y.

Całkowita długość taśmy elastycznej to największa wymagana odległość końcowa plus narożniki i zakręty. Narożnik, który znajduje się za poruszającą się głowicą narzędziową osi z, przylegałby do suwaka osi x, który porusza się wzdłuż bramy (prawdopodobnie na łożyskach ślizgowych). Końce miałyby dodane usztywnienie, aby zakończyć sekcję taśmy elastycznej. W tego typu zastosowaniach najlepiej jest trzymać się pojedynczej warstwy miedzi walcowanej na zimno i utrzymywać jak największe promienie zgięcia, na ile to praktycznie możliwe. Pomoże to maksymalizować żywotność, ponieważ obszar zginania jest walcowany wzdłuż długości taśmy elastycznej.

Przykład projektu elastycznej bramy.

Rozważania dotyczące fabrykacji bramy: Panelizacja

Przykład powyżej stawia dobre pytanie dotyczące fabrykacji i kosztów. Używając prawokątnego obwodu w kształcie litery L, moglibyśmy, dla argumentu, umieścić sześć identycznych taśm elastycznych na panelu fabrykacyjnym. Skutkowałoby to mniej więcej 50% stratą przestrzeni panelu, a jeśli komponenty miałyby być montowane na tym konkretnym obwodzie elastycznym, również zwiększyłoby to koszty i czas narzędziowania. Przykład panelu wykonanego z tego konkretnego obwodu elastycznego w zintegrowanej tablicy płytek jest pokazany poniżej.

Panelizacja zintegrowanej tablicy płytek obwodu elastycznego CNC.

Dobrą stroną zastosowania technologii flex jest to, że jeśli użyjemy odpowiednich materiałów i odpowiednio zaplanujemy cały montaż, możemy również stworzyć zagięcia o małym promieniu. Umieszczenie statycznej sekcji flex z trwałym zagięciem jest dobrą alternatywą dla użycia zakrzywionych obwodów flex, jak pokazano na panelu powyżej, ale tylko w niektórych okolicznościach. Poniższy rysunek pokazuje tę samą konstrukcję gantry, ale z zagięciem pod kątem 45° zamiast pokazanego wcześniej narożnika 90°.

Gantry flex przeprojektowane ze stałym zagięciem.

Zagięcie staje się wyraźnie użyteczne, gdy spojrzymy na panel (pokazany poniżej). Aby wykonać obwód flex z tego typu zagięciem, nie musimy projektować zgięcia na płytce. Zamiast tego możemy użyć prostej sekcji w PCB flex, dzięki czemu teraz możemy wyrównać całą serię taśm flex w jednym panelu. W ten sposób wydajność znacznie wzrasta. Całkowity koszt na płytę zmniejszy się dzięki zwiększonej wydajności na panel oraz łatwości narzędziowania do montażu typu pick-and-place. Jednakże może to zostać zniwelowane przez konieczność umieszczenia komponentów po przeciwnej stronie na jednym końcu montażu, ze względu na zagięcie.

Panel z przeprojektowaną płytą gantry.

Urządzenia obrotowe

Spójrz na układ PCB sztywno-giętki pokazany poniżej. W tym układzie, warstwy giętkie są tworzone przy użyciu zgięć, a nie stałego zagięcia. Zwróć uwagę na użycie poziomych przewodników pracy w edytorze PCB; umożliwia to dokładne projektowanie konturu płytki na podstawie zakrzywionych obwodów sekcji obwodu giętkiego na miejscu. Pozwala to również na dokładne umieszczenie linii zginania obwodu giętkiego w Trybie Planowania Płytki w edytorze PCB, co umożliwia dokładne symulacje zginania obwodu giętkiego w trybie 3D.

Układ PCB dla dynamicznego projektu giętkiego z rotacją. Taśmy giętkie mogą być przymocowane do stałej obudowy lub innego komponentu, który będzie obracał się wraz z centralną osią w zespole.

W tym przykładzie, silnik krokowy ma być zamontowany do zespołu tak, że silnik i jego drukowana płyta obwodu sterującego będą w ruchu, podczas gdy oś będzie nieruchoma. Obwody giętkie są zaprojektowane do zakończenia na skrajnych końcach do stałej bazy zespołu i złożone w kształt cylindra, cofając się, aby umożliwić ruch dwukierunkowy. Poniżej pokazano widoki 3D tego projektu.

Widok 3D obracającej się płytki sterowania silnikiem krokowym. Dłuższe „ramiona” pozwoliłyby na obrót silnika i jego płytki sterowania o więcej niż 360°.

Całkowicie złożony widok zespołu, w tym 3D korpusu silnika krokowego.

Możemy zobaczyć kierunki ruchu i zakotwiczone zakończenia elastycznych obwodów, co daje pomysł na to, jak będzie działał ten zespół. Tego rodzaju układ ułatwia osiągnięcie obrotu o więcej niż 360°. Ten przykład jest hipotetyczny i pokazuje silnik krokowy, chociaż tego rodzaju projektowanie byłoby dobrze dopasowane do zastosowań czujników obrotowych. Zakończone sekcje sztywno-elastyczne mogłyby również być montowane do niektórych komponentów na obudowie, pod warunkiem, że obudowa się obraca, dając prosty sposób na zapewnienie połączenia z powrotem do sztywnej sekcji płytki sterującej.

Przykłady zastosowań elastycznych obwodów statycznych

Planarne magnetyki (transformatory i dławiki)

Wykorzystanie obwodów giętkich i sztywno-giętkich do zintegrowanych magnetyków płaskich zyskuje na popularności. Użycie obwodów giętkich do magnetyków płaskich ma kilka wyraźnych zalet. Film poliimidowy jest dostępny w grubościach, które pozwalają na bardzo wysoką izolację uzwojeń, jak również na wysoką stabilność temperaturową, co czyni go odpowiednim do gorących procesów zalewania emalią. Z punktu widzenia strat; użycie wytrawionych ścieżek miedzianych wymaga, aby ścieżki były szersze, ale może to łatwo zmniejszyć straty prądów wirowych, ponieważ dodatkowa impedancja wynikająca z efektu naskórkowego zostanie zmniejszona.

Nierozwinięte zwoje solenoidu cewki o czterech uzwojeniach.

Poniżej pokazano interesujący sposób wejścia i wyjścia dla zwiniętej cewki powietrznej. W tym zwiniętym montażu PCB giętkiego, koniec każdego uzwojenia nakłada się na początek następnego uzwojenia. Można to zrobić, aby zwiększyć liczbę zwojów w porównaniu do posiadania po prostu wielu oddzielnych uzwojeń.

Zwinięte uzwojenia cewki.

18 warstw w cenie 2

Naturalnym rozszerzeniem tej koncepcji jest uwzględnienie w projekcie przetwornika kilku elastycznych warstw z zamiarem złożenia ich na siebie. W pokazanym poniżej przykładzie, przedstawiono projekt transformatora na obwodzie elastycznym o dwóch warstwach, gdzie pojedyncze rdzenie ferrytowe E18 wystają przez wycięcia w regionie zakończenia (po lewej stronie). Ta idea może być dowolnie rozszerzana (choć z praktycznymi ograniczeniami grubości końcowej złożonej płyty). Na rysunku 11, górna i dolna warstwa miedzi na dwustronnym fleksie dają 18 użytecznych warstw dla uzwojeń transformatora.

Wokół każdego z wycięć centralnej nogi rdzenia można wykonać pojedynczy obrót dla uzwojenia induktora. Prowadzenie ścieżki wokół bocznej nogi da pół obrotu, podczas gdy ścieżka powrotna zapewnia drugą połowę obrotu w uzwojeniu transformatora; razem, złożone sekcje przewodnika tworzą zestaw ułożonych pętli prądowych, które mogą generować i odbierać pole magnetyczne.

Widok z góry na transformator na obwodzie elastycznym. Na górnej warstwie pokazano pojedyncze uzwojenie na duży prąd, a na dolnej warstwie poprowadzono sześć uzwojeń na mniejszy prąd.

To może być mylące, ponieważ musisz śledzić właściwe kierunki nawijania w odniesieniu do każdej złożonej sekcji i jej relacji do geometrii rdzenia ferrytowego. Biorąc pod uwagę, że cały ten elastyczny obwód będzie składany ortogonalnie, dodałem strzałki na warstwie Mechanicznej 1 projektu, skierowane przeciwnie do każdej sąsiedniej warstwy nawijania, aby przypomnieć mi, w którą stronę układać miedź. Jest to pokazane poniżej dla jasności.

Warstwa Mechaniczna 1 pokazująca zarys płytki i strzałki kierunku nawijania dla wskazówek.

Ostateczny montaż rdzenia i elastycznego obwodu jest pokazany poniżej. Należy zauważyć, że może to być zintegrowane w ramach projektu sztywno-elastycznego, gdzie większość obwodu znajduje się na sztywnej dwuwarstwowej Płytce Drukowanej, a część elastyczna jest używana do uzyskania dodatkowych warstw potrzebnych dla wszystkich nawinięć rdzenia. Oczywiście, będzie istniał kompromis kosztowy między użyciem dużej powierzchni elastycznej a po prostu dodaniem mnóstwa warstw do projektu tylko sztywnego.

Ostateczny, całkowicie złożony transformator, z modelem 3D rdzenia magnetycznego ferrytowego Ferroxcube E18 przez wycięcia.

Wielowarstwowe Rigid-Flex

Dla wielu projektów wojskowych, lotniczych lub podobnych o wysokiej gęstości, które wymagają kompaktowych, niezawodnych zespołów w ciasnych przestrzeniach, trudno jest uniknąć użycia kilku warstw elastycznych obwodów między obszarami sztywnych płytek. Jeszcze bardziej konieczne jest to w przypadku projektów cyfrowych o wysokiej prędkości, z powodu potrzeby ekranowania lub warstw płaskich między magistralami przebiegającymi przez obszary elastyczne. Wyzwanie polega na utrzymaniu odpowiedniego stopnia elastyczności. Liczba warstw elastycznych obwodów musi być ograniczona do minimum, zazwyczaj do dwóch warstw miedzi na jednej podkładce z poliimidów z poliimidowymi pokryciami.

W “normalnych” projektach długość sekcji elastycznych obwodów jest taka sama dla nakładających się regionów elastycznych. Oznacza to, że kończysz w sytuacji pokazanej poniżej, gdzie zgięcia mogą powodować znaczną napięcie w obszarach elastycznych między sztywnymi płytkami, gdy są umieszczone w końcowej konstrukcji.

Napięcie w zewnętrznym elastycznym obwodzie oraz kompresja wewnętrznego obwodu wystąpią, gdy wiele nakładających się warstw elastycznych zostanie zaprojektowanych z tą samą długością. Zwróć uwagę na “wypchnięcie” bead w tym projekcie, dokładnie tam, gdzie elastyczny obwód wchodzi do sztywnej sekcji.

Większość specjalistycznych producentów płyt rigid-flex na tym etapie powie Ci, aby używać konstrukcji “introligatorskiej”. Konstrukcja introligatorska jest wykonalną metodą, w której promienie zgięć obwodu elastycznego są używane do określenia prawidłowej długości dla każdej kombinacji obwodu elastycznego i podkładki w stosie warstw. Przykładowa ilustracja koncepcji pokazana jest w poniższym wyciągu z IPC-2223b.

Konstrukcja książkowa [Źródło: IPC-2223B, 2008 str. 26].

Można od razu powiedzieć, że ta metoda będzie kosztować pieniądze i zwiększy wyzwanie projektowe. Często lepszą alternatywą jest użycie obwodów elastycznych o tej samej długości i promieniu, ale oddzielenie różnych warstw obwodów elastycznych, tak aby się nie nakładały. Przykład tego pokazano poniżej.

Alternatywna konstrukcja książkowa. Zazwyczaj sekcje elastyczne mogą się nakładać i wymagałyby różnych długości, aby utrzymać niskie naprężenie/kompresję. W tej alternatywie sekcje elastyczne są umieszczone w różnych regionach na krawędzi sekcji sztywnych, dzięki czemu nie muszą się już nakładać.

Ultra-ciasne zgięcia bez poświęcania liczby warstw

Dzięki niektórym kreatywnym wyborom projektowym wzdłuż regionu zginania, możliwe jest uzyskanie bardzo ciasnych zgięć bez tracenia warstw miedzi.

Poniższa miniaturowa płytka wykorzystuje wstążkę w kształcie litery "S" do definiowania zgięć i zmniejszenia minimalnego promienia zgięcia wzdłuż krawędzi wzmocnionych obszarów. Nie widać tego na tym zdjęciu, ale na sekcjach, które miały cienki usztywniacz przyklejony do tylnej strony płytki, zamontowane są komponenty.

Osiągając w zasadzie promień zgięcia 180° z wieloma warstwami miedzi.

Ten koncept można rozszerzyć w wielu kierunkach. Poniżej przedstawiony projekt PCB to ultra-elastyczna płyta wyświetlacza PCB. Można zobaczyć wiele diod LED w macierzy na szerszych, sztywniejszych sekcjach. Cały zespół jest sztywny w tych sekcjach tylko dzięki dużej liczbie warstw miedzi i folii PI laminowanych razem. Ponownie, używanie zgięć w kształcie litery S pomiędzy tymi obszarami matrycy LED pozwala temu zespołowi łatwiej zgiąć się do zakrzywionej obudowy.

Flex array z zgięciami X-Y w kształcie litery S.

Weź pod uwagę ten koncept jeszcze dalej, a otrzymasz bardzo kompaktową konstrukcję pokazaną poniżej. Sekcje elastycznego obwodu w tym przykładzie zawierają 8 warstw. Takie elastyczne obwody zwykle nie byłyby elastyczne, gdyby były umieszczone jako bezpośrednie wstęgi między sztywnymi sekcjami. Jednakże, używając mnóstwa zagięć w kształcie litery S (zauważ, że górne warstwy elastycznego materiału to całe miedziane powłoki do ekranowania!) pozwala to na wystarczające zgięcie, aby umieścić w ostatecznej obudowie mechanicznej, nawet z setkami szybkich połączeń pamięci i wyświetlacza.

8 warstw elastyczności, plus 4 dodatkowe sztywne warstwy PCB. Zwróć uwagę, że górna warstwa elastyczności to całkowicie miedziane zalanie dla ekranowania. Zauważ również ochronny klej dookoła krawędzi interfejsów sztywno-elastycznych.

Projektowanie dla dowolnej aplikacji PCB sztywno-elastycznej jest łatwe z kompletnym zestawem funkcji projektowania i produkcji PCB w Altium Designer®. Gdy będziesz gotowy, aby udostępnić dane swojego projektu producentowi, możesz łatwo dzielić się nimi i współpracować nad swoimi projektami za pośrednictwem platformy Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, można znaleźć w jednym pakiecie oprogramowania.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową wersję próbną Altium Designer + Altium 365 już dziś.