Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Computer Controls
Proszę, dodaj wyjątek dla www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje

ghost666 02 Sie 2019 12:53 1680 5
  • Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    W poprzednich częściach omawialiśmy proces projektowania, dokumentowania i produkcji laminatów elastycznych typu flex-rigid. W poniższej, ostatniej części poświęconej elastycznym płytkom drukowanym, zaprezentujemy szereg przykładowych aplikacji tego typu laminatów i przy okazji wskażemy na szereg przydatnych i nie zawsze oczywistych "sztuczek", z jakich korzystać można podczas projektowania naszych własnych systemów wykorzystujących laminat typu flex.

    Im więcej wiemy na temat laminatów typu rigid-flex, tym więcej ciekawych aplikacji może nam przychodzić do głowy. W ciągu ostatnich lat tego rodzaju rozwiązania są coraz popularniejsze i szybko rośnie liczba firm, które są w stanie produkować tego typu płytki drukowane. Dlatego dobrze jest poznać co z elastycznego laminatu robią inni i – co ważniejsze – jak to robią.

    W poniższym artykule przedstawimy kilka przykładów realizacji laminatów flex-rigid z podziałem na dwie kategorie – aplikacje dynamiczne i statyczne. Taki podział jest niezwykle istotny, ponieważ istotnie wpływa na to, w jaki sposób projektowane powinny być płytki drukowane.

    Aplikacje dynamiczne

    Istnieją dwa podstawowe powody, dla których można wykorzystać PCB typue flex w swoim produkcie: budowa kompaktowego i wydajnie montowanego urządzenie lub możliwość, by jakiś obwód był zintegrowany z mechaniczną funkcją produktu. Można oczywiście przyjąć oba te uzasadnienia do zastosowania obwodów elastycznych. W tej kategorii przyjrzyjmy się kilku przykładom i problemom, które przychodzą na myśl przy projektowaniu obwodów elastycznych do zastosowań w aplikacjach dynamicznych.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Brama w systemie mechatronicznym

    Jest to bardzo typowa aplikacja dla elastycznego laminatu – łatwo wyobrazić sobie taki laminat w drukarce 3D lub obrabiarce numerycznej. Jak widzimy laminat umocowany jest na zorientowanej w osi X bramie obrabiarki, na której w osi Z porusza się narzędzie. To pozwala nam na ruch układu w dwóch osiach, a trzecia oś – w tym przypadku Y – realizowana jest ruchem samej bramy.

    Całkowita długość taśmy flex wynika z maksymalnej odległości, na jaką wysunąć może się narzędzie plus długość potrzebna do wygięcia laminatu w sposób pokazany na obrazku.

    Narożnik, który znajduje się za poruszającym się w osi Z narzędziem powinien być przyklejony do elementu bramy poruszającego się po osi X, który jeździ po bramie na np. szynach lub łożyskach liniowych. Jeden koniec laminatu wyposażony jest dodatkowo w usztywnienie i otwory montażowe, które pozwalają na jego zakotwiczenie do mechanizmu bramy.

    W takiej aplikacji najlepiej sprawi się jednowarstwowy laminat ze ścieżkami z walcowanej na zimno i wyżarzanej miedzi. Zakręt ścieżek powinien mieć maksymalny dopuszczalny w danej aplikacji promień. Pozwoli to zapewnić produktowi maksymalny czas pracy i wysoką niezawodność. Dodatkowo, jeśli wymagana jest wyższa wytrzymałość i dłuższy czas życia urządzenia, rozważyć można ścieżki wykonane z stali nierdzewnej.

    Powyższy przykład jest bardzo jasny i czytelny. Przyjrzyjmy się jednak jednej istotnej kwestii – panelizacji tego rodzaju laminatów. Jest to istotne z punktu widzenia optymalizacji kosztów produkcji takiego laminatu.

    Jeśli wykorzystamy taśmy w kształcie litery L, to w jednym panelu jesteśmy w stanie upakować np. sześć płytek drukowanych, tak jak pokazano na rysunku poniżej. Z uwagi na kształt PCB wykorzystanie panelu nie jest zbyt wielkie – marnujemy około 50% jego powierzchni.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Przykładowy panel z elastycznym laminatem w kształcie litery L.


    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Bardzo ważną cechą elastycznych laminatów jest fakt, że przy wykorzystaniu odpowiednich materiałów i rozplanowaniu laminatów, możliwe jest wygięcie PCB z bardzo małym promieniem gięcia. Jest to niezwykle ciekawa alternatywa dla pokazanego powyżej projektu z PCB w kształcie litery L. Po prawej stronie widzimy alternatywną propozycję – zamiast narożnika z wygiętymi o 90° ścieżkami, widzimy tam dwa złożone na sobie załamania laminatu pod kątem 45°. Tworzą one taki sam narożnik, ale z płytki o innym kształcie.

    Takie wygięcie jest tutaj możliwe do realizacji, ponieważ miejsce ostrego zgięcia PCB nie będzie dynamicznie obciążone – laminat będzie sztywno zamocowany tu do ramy urządzenia, dlatego też, pomimo ostrego kąta załamania płytki drukowanej, metalowe ścieżki nie są narażone na nadmierne naprężenia.

    Dzięki takiej zmianie w projekcie możemy stworzyć PCB, które będzie o wiele prostsze w produkcji, a przy okazji możemy ekonomiczniej rozplanować rozkrój panelu. Na rysunku poniżej zaprezentowano optymalne rozłożenie płytek drukowanych na panelu. Dzięki tej prostej zmianie udało nam się dwukrotnie zwiększyć wykorzystanie panelu i co za tym idzie - poważnie zmniejszyć koszt produkcji tych elastycznych PCB.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Planowanie warstw PCB

    W projekcie wykonanym tylko z laminatu typu flex rozplanowanie poszczególnych warstw jest dosyć proste, aczkolwiek nadal potrzebujemy pamiętać o dodaniu punktów mocowania do panelu, a także bardzo często usztywnień itp. szczególnie, jeżeli na PCB montowane mają być elementy elektroniczne. Na obrazku poniżej pokazano przykładowy stos warstw dla laminatu typu flex. Pokazano to na przykładzie PCB do powyżej opisanej bramy układu mechatronicznego. Miejsca, gdzie znaleźć ma się element usztywniający, zamodelowano jako fragmenty laminatu typu rigid, co ułatwia jego edycję w programie 3D.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Układy obrotowe

    Na obrazku po lewej stronie widzimy przykładowy projekt laminatu flex. Program EDA pomaga nam, pozwalając na obrysowanie ścieżek na laminacie obrysem płytki, dzięki czemu krawędź idealnie podąża za ścieżkami, minimalizując szerokość PCB. Edytor pozwala także na dodanie linii gięcia itp., co jest bardzo przydatne w symulacjach i do tworzenia modelu 3D projektowanego układu.

    W kolejnym przykładzie projektujemy płytkę drukowaną, która zainstalowana ma być na silniku w taki sposób, że jego oś pozostaje nieruchoma, a obraca się cały silnik. Płytka ma za zadanie sterować silnikiem i jest połączona z układami na zewnątrz elastycznymi taśmami, zwiniętymi w cylinder wokół silnika tak, że ma on zapewnianą swobodę ruchów w szerokim zakresie.

    Na rysunkach poniżej widzimy modele 3D przedstawiające płytkę zamontowaną na silniku:

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Im dłuższe są pokazane tutaj wyprowadzenia, tym silnik ma większy zakres ruchów. Z łatwością uzyskać można kąty obrotu większe niż 360°

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Na rysunku powyżej widzimy miejsca zaczepu taśm do zewnętrznych układów. Tego typu złożenie idealnie nadaje się do zastosowania jako sensor obrotowy lub do sterowania silnikiem krokowym, który wykonuje jedynie obrót o skończony kąt.

    Aplikacje statyczne

    Planarne układy magnetyczne

    Wykorzystując elastyczny laminat, możliwe jest wytwarzanie integrowanych komponentów magnetycznych, takich jak cewki itp. Tego rodzaju rozwiązania są coraz chętniej i częściej wykorzystywane w produktach komercyjnych, np. jako transformatory w przetwornicach DC-DC w sprzęcie RTV.

    Tego typu rozwiązanie ma szereg zalet: poliimidowy film jest dosyć gruby, co oferuje wysoki poziom izolacji uzwojeń a także wysoką stabilność termiczną, jako że laminat odporny jest na temperaturę – do tego stopnia, iż gotowy transformator zalewać można na gorąco. Dodatkowo, stosowanie płaskich i cienkich ścieżek, jako uzwojeń transformatora, redukuje straty, ponieważ efekt naskórkowy jest pomijalny dla tak cienkiej folii.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Przykładowa elastyczna płytka drukowana, która po zwinięciu staje się uzwojeniem solenoidu.


    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Tego rodzaju laminat, po złożeniu uzupełnić można rdzeniem, który istotnie poprawia działanie transformatora. Dodatkowo, można złożyć laminat, by zwiększyć liczbę zwojów bez zwiększania ilości warstw laminatu. Można zaprojektować elastyczne PCB tak, że zwiększa się ilość uzwojeń składając dwuwarstwowy laminat na siebie, uzyskując więcej warstw.

    W poniższym przykładzie zaprojektowano transformator wokół wymiarów rdzenia w rozmiarze E18. Jedyne co ogranicza ilość warstw powstałych po złożeniu są wymiary – grubość – powstałego tworu, którą uwzględnić trzeba projektując PCB.

    W PCB przewidziano wycięcia w które wkłada się rdzeń uzwojenia, dzięki czemu strumień magnetyczny jest odpowiednio ukierunkowany i w wydajny sposób przechodzi od jednego do drugiego uzwojenia, przenosząc ze sobą energię.

    Jak pokazano na obrazku poniżej, możliwe jest takie zaprojektowanie laminatu, aby dało się go złożyć w celu uzyskania większej ilości zwojów przy jedynie dwóch warstwach PCB. W tym przypadku z dwóch warstw laminatu, po złożeniu, udało uzyskać się ich aż osiemnaście, co daje 18 zwojów dla jednego uzwojenia i 108 dla drugiego.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Projektowanie tego rodzaju laminatu nie jest trywialne i czasami może być dosyć trudno wyobrazić sobie kierunek biegu uzwojeń w płytce drukowanej po złożeniu. Ważne jest oczywiście, by wszystkie zwoje biegły w tych samych kierunkach.

    Aby ułatwić sobie projektowanie, można dodać warstwę, w której oznaczymy sobie kierunek przepływu prądu w danym zwoje. Pomoże to nam w poprowadzeniu ścieżek w danym miejscu. Takie oznaczenia zaprezentowano na rysunku poniżej.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Finalny montaż układu polega na złożeniu laminatu tak, by uzyskać odpowiedni kształt, a następnie zapięciu na nim rdzenia. Warto pamiętać, że realizując taki układ na płytce rigid-flex, możemy w sztywnej części PCB także wykonać nacięcia pod rdzeń, a elastycznym PCB poprowadzić dodatkowe zwoje. Na obrazku poniżej pokazano, jak wygląda gotowa płytka po złożeniu laminatu i założeniu rdzenia.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Wielowarstwowe laminaty rigid-flex

    Bardzo ważnym aspektem, jest projektowanie kompaktowych i niezawodnych systemów elektronicznych, szczególnie w dziedzinach takich jak przemysł kosmiczny, lotniczy czy wojskowy. Projektując systemy, które znaleźć mają się w różnych, często nietypowych i ciasnych obudowach, nie można uniknąć stosowania elastycznych laminatach w miejscu zgięcia PCB. Często jednocześnie istnieje konieczność prowadzenia nimi wielu sygnałów, w tym czułych sygnałów analogowych czy radiowych. Oznacza to, że laminaty te mają szczególne wymagania, np. co do ilości warstw. Przekłada się to na problemy projektowe, gdyż realizacja więcej niż dwóch warstw na laminacie elastycznym staje się problematyczna z przyczyn mechanicznych.

    Aby uzyskać maksymalnie elastyczny laminat, konieczna jest minimalna liczba warstw sztywnej miedzi w PCB. Zazwyczaj są to dwie warstwy miedzianej folii rozdzielone poliimidowym substratem i przykryte folią z tego samego materiału. Co jednak zrobić, jeżeli w naszym systemie istnieje konieczność wykorzystania większej ilości warstw?

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Problem ten często rozwiązuje się, układając jeden na drugim kilka niezależnych dwuwarstwowych laminatów typu flex, jak pokazano na zdjęciu po lewej stronie. Jednakże doprowadzić może to do sytuacji takiej, jak widzimy na zdjęciu – niektóre z warstw mogą być poddawane sporym naprężeniom, jeżeli nie dobierzemy odpowiednio długości każdej z sekcji flex-PCB.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje
    Każdy szanujący się producent laminatów, zaznajomiony z nasza aplikacją, zasugeruje zastosowanie tak zwanej konstrukcji skoroszytowej (pokazanej po prawej stronie) do kompensacji długości poszczególnych segmentów płytki drukowanej.

    Oczywiście taka konstrukcja nie jest pozbawiona wad – jest droższa niż równej szerokości odcinki flexa i jest problematyczna w projektowaniu. Często istnieją lepsze alternatywy, na przykład taka jak pokazana poniżej, gdzie poszczególne sekcje laminatu elastycznego nie znajdują się na sobie, tylko obok siebie:

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Jeśli jednak musimy wyginać laminat pod ostrym kątem, warstwa nad warstwą, to istnieje szereg sztuczek, z których możemy skorzystać. Opierają się one generalnie na zastosowaniu różnego rodzaju serpentyn, ze ścieżek, co nadaje im większej elastyczności, także w płaszczyźnie laminatu.

    Na zdjęciu poniżej pokazano maleńką płytkę drukowaną, którą autor trzyma pomiędzy kciukiem a palcem wskazującym. Używa ona kilka fragmentów elastycznego laminatu w kształcie litery S, aby zmniejszyć minimalny promień gięcia między sekcjami, na których zamontowano komponenty. Nie jest to widoczne na tym zdjęciu, ale komponenty zostały zamontowane na odcinkach, które podklejono cienkim usztywniaczem na tylnej stronie płytki.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Ta koncepcja może oczywiście zostać rozszerzona w wielu kierunkach. Projekt przedstawiony poniżej miał być ultra-elastyczną tablicą-ekranem. Można zobaczyć na PCB wiele diod LED w matrycy na szerszych, sztywniejszych sekcjach. Cały układ był bardziej sztywny w tych sekcjach tylko z powodu ilości warstw folii miedzianej i poliimidu. Ponownie, wykorzystując zakręty w kształcie litery S pomiędzy tymi sekcjami, można całość zgiąć się w zakrzywiony ekran. Wierzę, że każda dioda LED była indywidualnie adresowana w matrycy, więc z pewnością na PCB jest bardzo dużo oddzielnych ścieżek.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Rozszerzmy tę koncepcję jeszcze dalej i otrzymujemy niesamowicie ciekawą aplikację, jaką pokazano na zdjęciu. Jest to BARDZO kompaktowa konstrukcja, dedykowana od produktu zaprojektowanego do noszenia w specjalistycznych ubraniach. Same sekcje układu elastycznego mają aż 8 warstw. Normalnie takie obwody typu flex nie byłyby w ogóle elastyczne, ale używając wygięć w kształcie S laminat daje się zgiąć wystarczająco, aby umożliwić montaż w obudowie, nawet z setkami szybkich połączeń w elastycznych ścieżkach.

    Niuanse projektowania płytek drukowanych - część 10 - Flex-Rigid: aplikacje


    Na zdjęciu powyżej widzimy płytki z ośmioma warstwami elastycznego laminatu i dodatkowymi czterema sztywnymi warstwami PCB. Warto zwrócić uwagę na to, że wierzchnia warstwa laminatu flex jest w pełni zalana miedzią – jednolita wylewka pełni tutaj rolę ekranu dla sygnałów znajdujących się wewnątrz. Dodatkowo, warto zwrócić uwagę na miejsce styku sztywnych PCB z elastycznym laminatem i zastosowane tam dodatkowe wzmocnienia.

    Źródło: https://resources.altium.com/pcb-design-blog/blog-ruminating-rigid-flex-part-5

    Fajne! Ranking DIY
    Potrafisz napisać podobny artykuł? Wyślij do mnie a otrzymasz kartę SD 64GB.
    O autorze
    ghost666
    Tłumacz Redaktor
    Offline 
    Fizyk z wykształcenia. Po zrobieniu doktoratu i dwóch latach pracy na uczelni, przeszedł do sektora prywatnego, gdzie zajmuje się projektowaniem urządzeń elektronicznych i programowaniem. Od 2003 roku na forum Elektroda.pl, od 2008 roku członek zespołu redakcyjnego.
    ghost666 napisał 9291 postów o ocenie 6872, pomógł 157 razy. Mieszka w mieście Warszawa. Jest z nami od 2003 roku.
  • Computer Controls
  • #2
    kowal011
    Poziom 18  
    Ach te cudne taśmy :D Sam dorabiałem kiedyś taśmę wytrawiając laminat 35µm, nanosząc taśmę kaptonową i odparzając ścieżki żelazkiem :|
  • Computer Controls
  • #3
    Urgon
    Poziom 36  
    AVE...

    Mam dwa trackery sportowe Jawbone IP i bodaj UP2. Oba mają obwody rigid-flex. Część flex kończy się przyciskiem i diodą. W obu opaskach przycisk i dioda nie działają, bo od wkładania i zdejmowania opaski ścieżki popękały. Niestety, bez mikroskopu tego nie naprawię, bom za ślepy. Aha, alledrogo pełne jest tych uszkodzonych w ten sam sposób opasek, jakby kogoś ciekawiło, jak zaprojektować planową awarię...
  • #4
    kowal011
    Poziom 18  
    Otworzyć się da? Jeśli tak przyślij mogę spróbować w wolnej chwili :spoko:
    Zawodowo też na taśmy rzucam qrwami ale to niszowe hamerykańskie cuda techniki.
  • #5
    Urgon
    Poziom 36  
    AVE...

    Otwarcie zasadniczo sprowadza się do ściągnięcia silikonowego kondoma, w który toto zapakowali i odklejenia PCB, łącznie z częścią flex od płaskiej sprężyny. Mój plan to zrobić nową płytkę "nośną" z diodą LED i przyciskiem, oraz dziurką pod wymiar modułu, odciąć większość taśmy i do płytki przylutować z jednej strony, a z drugiej użyć kynaru i zalać całość żywicą, by się nie popsuło. Tylko najpierw złożę mikroskop by móc i lutować, i zrobić zdjęcia taśmy by pomierzyć wymiary. Kolejną sprawą będzie konieczność stworzenia nowej obudowy, która powinna być odporna na polewanie, choć kompletna wodoszczelność byłaby fajniejsza...

    Jak chcesz, to mogę Ci podesłać Jawbone UP, wersję bez BT, ale z tą samą usterką, byś się nim pobawił. Ewentualnie są na alledrogo za grosze, jak masz ochotę zrobić coś dla siebie...

    A, i mam jeszcze kamerkę z uszkodzonym flexem idącym do LCD i uszkodzonym gniazdem ZIF od tej taśmy. Mam też empetrójkę z twardym dyskiem, gdzie przy wymianie pękniętego LCD prawdopodobnie uszkodziła się taśma flex od dysku twardego...
  • #6
    kowal011
    Poziom 18  
    Nie oczekuję podarków. Mam mikroskop, chciałem Cię poratować ale widzę, że jesteś w trakcie więc szkoda kasy na wysyłkę. Co do zalewania obudowy (nowej z silikonu) mogę druknąć Ci formę po cenie filament+prąd+wysyłka.