Elastyczna vs sztywna płytka PCB. Jak gibkie jest Twoje podejście do projektowania?

Po pracy nad wieloma projektami często pozbywam się stresu, biorąc udział w zajęciach sztuk walki na lokalnej siłowni. Jako nastolatek byłem całkiem gibki i nie miałem problemu z zadawaniem ciosów nogami. Obecnie jednak trafiam na wiele ograniczeń ze względu na o wiele sztywniejsze kończyny. Po prostu nie jestem już tak elastyczny, jak wcześniej. Oczywiście, elastyczność i sztywność to cechy ważne także poza sztukami walki. Weźmy za przykład projektowanie płytek PCB: to, czy zdecydujesz się na elastyczną płytkę PCB, czy na sztywną, może wpłynąć na całe Twoje podejście do projektu.

W elektronice coraz częściej przechodzi się ze sztywnych płytek PCB na te elastyczne, co jest spowodowane rozwojem inteligentnych urządzeń typu wearable i Internetem rzeczy (Internet of Things, IoT), które wymagają części elektronicznych w elastycznej formie. Bez względu na to, czy podoba Ci się to, czy nie, umiejętności projektowania elastycznych obwodów drukowanych w branży elektronicznej są coraz bardziej pożądane.

Kiedy i dlaczego należy używać elastycznych płytek PCB?

Chociaż produkcja elastycznych płytek PCB może i nie należy do najtańszych, ich elastyczność zapewnia wyższy poziom funkcjonalności niż ten, który są w stanie zapewnić sztywne płytki PCB. Możliwość wygięcia powierzchni płytki bez uszkodzenia jej ścieżek umożliwia łatwe dopasowanie elastycznych płytek PCB w inteligentnych wearables i urządzeniach o bardzo ograniczonej przestrzeni.

Elektronika z elastycznymi płytkami PCB jest też bardziej wytrzymała, ponieważ niewielka masa płytki PCB znacząco zmniejsza ryzyko jej awarii na skutek wibracji. Co więcej, elastyczne płytki PCB są wykonane z poliamidu, który potrafi tolerować nawet ekstremalne temperatury. Dzięki temu świetnie sprawdzają się one w urządzeniach działających w gorących środowiskach. Elastyczne płytki PCB, ze względu na swoje liczne i zróżnicowane zalety, stają się więc w branży elektronicznej coraz bardziej popularne. 

^{Projekt elastycznej płytki PCB: albo się wygnie, albo pęknie.}

Co należy wziąć pod uwagę w projekcie z użyciem elastycznej płytki PCB?

Podczas pracy ze sztywną płytką PCB Twoje zmartwienia sprowadzają się prawdopodobnie do tego, jak zmieścić setki komponentów na jej niewielkiej powierzchni, lub czy komponenty analogowe są odpowiednio odseparowane od cyfrowych. Wszystko opiera się wyłącznie na elektronice. Gdy przejdziesz na projektowanie z użyciem elastycznych płytek PCB, czekać będą na Ciebie jednak inne zmartwienia.

Wykorzystywane od czasów II wojny światowej elastyczne płytki PCB początkowo były projektowane w celu zastąpienia ręcznie tworzonych przewodów podatnych na ludzkie błędy. Cienkie paski miedzi w elastycznych płytkach PCB umożliwiają tworzenie połączeń o dużej gęstości. Same umiejętności z zakresu elektroniki nie wystarczą jednak, aby stworzyć elastyczną płytkę drukowaną. Potrzeba jeszcze trochę wiedzy mechanicznej, ponieważ ścieżki miedziane i komponenty podlegają naprężeniu mechanicznemu ze względu na charakter elastycznych płytek PCB.

Ważnym kryterium podczas projektowania przy użyciu elastycznych płytek PCB jest współczynnik zgięcia, który nie może być poniżej progu minimalnego. Jeśli będzie miał on wartość niższą od wymaganej, obwód stanie się podatny na uszkodzenia mechaniczne. Co więcej, obszar zgięcia elastycznej płytki PCB jest szczególnie wrażliwy na zmiany szerokości lub kierunku miedzi. Za wszelką cenę należy również unikać otworów na powierzchni zgięcia.

Oprócz powyższych wskazówek, jest jeszcze kilka innych istotnych rzeczy, które warto wziąć pod uwagę podczas projektowania z użyciem elastycznych płytek PCB, aby zminimalizować ryzyko pojawienia się wad produkcyjnych.

Unikaj układania dwuteowników w stos: w przypadku sztywnych płytek PCB możesz bez najmniejszych problemów równolegle układać na sobie górne i dolne warstwy. Jeżeli chodzi jednak o projektowanie elastycznych płytek PCB, nie należy układać na sobie ścieżek, gdyż może to zmniejszyć elastyczność obwodu. 

Trasowanie narożników na obszarze zgięcia: podczas trasowania narożników na sztywnej płytce PCB, musisz zadbać o to, aby te o kącie prostym nie powodowały zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), ani nie generowały punktów cieplnych w obwodzie wysokoprądowym. Kształt ścieżek w obrębie obszarów zgięć może z łatwością wzmocnić lub złamać Twoją elastyczną płytkę PCB. Zawsze zaleca się, aby unikać zmiany kierunku trasowania w obrębie obszarów zgięć. Jeśli zmiana jest nieunikniona, zdecydowanie lepiej jest zastosować miękki narożnik zamiast typowego narożnika o kącie ostrym 45° w sztywnej płytce PCB.   

Kompresja vs. rozciąganie: w przypadku sztywnych płytek PCB zazwyczaj nie ma ścisłych zasad co do trasowania przewodów mniejszych niż 7 mils. Jeśli jednak chodzi o elastyczne płytki PCB, pod uwagę należy wziąć skutki kompresji i rozciągania. Trasowanie małych przewodów po wewnętrznej stronie wygiętego obszaru może zmniejszyć prawdopodobieństwo uszkodzenia ścieżki, ponieważ mniejsze przewody lepiej tolerują kompresję niż naprężenie. Przede wszystkim, szerokość ścieżki powinna być przynajmniej pięć razy większa niż grubość folii miedzianej na elastycznej płytce PCB. Należy zastosować tę zasadę dla wszystkich ścieżek, jedynie z wyjątkiem sytuacji, w których muszą one przecisnąć się przez niewielkie odstępy między padami.

^{Uzbrój się w odpowiednie okablowanie i routing, które dobrze sprawdzi się w Twoim projekcie.}

Praca nad elastycznymi płytkami może stać się o wiele łatwiejsza dzięki oprogramowaniu do projektowania PCB stworzonemu w celu zwiększenia elastyczności bez dodatkowych ograniczeń. Tryb planowania płytki w Altium Designer^® umożliwia łatwe określenie linii i promienia zgięcia podczas organizacji warstw. Jeśli chcesz skutecznie pracować z układem swojej płytki, wykorzystaj do tego oprogramowanie do projektowania, które wykona za Ciebie ciężką pracę z zakresu wizualizacji projektu.

Potrzebujesz pomocy z projektem Twojej elastycznej płytki PCB? Skontaktuj się z ekspertem Altium.