Гибкие печатные платы. Преимущества и применение

Гибкие печатные платы разнообразны в своих конструкциях и применениях. Тенденция к дальнейшему расширению их использования обусловливается большими преимуществами, которые они создают в технике межсоединений. Сейчас они стали очень привлекательным способом обеспечения межсоединений в современной электронной аппаратуре.

Преимущества гибких печатных плат

В таблице 1 приведены примеры использования гибких печатных плат в различных отраслях приборостроения [1].

 

Таблица 1. Примеры использования гибких печатных плат

Существует много причин использования гибких печатных плат в качестве средства межсоединений в электронных устройствах. В некоторых случаях, когда необходима устойчивость гибких печатных плат к динамическим нагрузкам, использование гибких печатных плат очевидно. По крайней мере, в этом они не имеют альтернативы. Намного больше других областей использования гибких печатных плат, в которых они помогают решить проблемы уплотнения компоновки аппаратуры [1–3].

Уменьшение габаритов

Гибкие печатные платы используют самое тонкое диэлектрическое основание из всех доступных сегодня материалов, предназначенных для создания межсоединений. В некоторых случаях из этих материалов можно изготовить гибкие печатные платы, имеющие полную толщину меньше 50 мкм, включая защитный слой. Для справки: жесткие монтажные подложки с той же функциональностью оказываются в два раза толще.

Мало того, что малая толщина гибких печатных плат привлекательна сама по себе, возможность ее складывать за счет гибкости также позволяет сокращать объемы и габариты электронных устройств.

Уменьшение массы

Дополнительное преимущество малой толщины гибких печатных плат — малая масса. Сами по себе они легче аналогичных жестких печатных плат на 75%.

Малая масса межсоединений, реализуемая гибкими печатными платами, оказалась настолько привлекательной в аэрокосмической аппаратуре, что эта область их использования стала конкурировать по объемам производства с портативной электроникой.

Уменьшение времени и стоимости сборки

Гибкие печатные платы олицетворяют простую и быструю технологию создания межсоединений для узлов и блоков электронной аппаратуры. Альтернатива гибким печатным платам — проводной монтаж и гибкие кабели — связаны с необходимостью прокладки проводов по намеченным трассам соединений и их закрепления, зачистки и пайки каждого провода по отдельности. Жгутовой проводной монтаж требует еще и дополнительных трудозатрат на обозначение адресов связей.

Гибкие печатные платы дают возможность использования групповых методов сборки и монтажа изделий. Кроме того, само их изготовление намного дешевле благодаря использованию групповых технологий изготовления и маркировки.

Уменьшение ошибок сборки

В то время как проводной монтаж неизбежно связан с человеческим фактором — источником ошибок, гибкие печатные платы не имеют источников ошибок человеческой природы. Ручной монтаж — постоянный риск возникновения ошибок.

Гибкие печатные платы проектируются в составе системы межсоединений и затем воспроизводятся машинными методами, предотвращающими влияние человеческого фактора. В результате, за исключением неизбежных ошибок производства, гибкие печатные платы не позволяют создать соединения, не соответствующие спроектированной схеме.

Увеличенная системная надежность

Специалисты по надежности всегда при поиске источников отказов электронной аппаратуры ищут дефекты межсоединений. Академик Берг в свое время заявил: «Наука о надежности — это наука о контактах. Чем их больше, тем менее надежна система». Гибкие печатные платы — идеальное средство для уменьшения контактов. Когда они сконструированы должным образом и рационально применяются в электронной компоновке, они способствуют увеличению надежности, сокращая количество межсоединений в пределах электронного модуля или блока.

Замена проводного монтажа

В среде специалистов по гибким схемам бытует правило, по которому гибкие платы рентабельно использовать, когда нужно иметь больше 25 межсоединений от точки к точке. Это число несколько произвольно, но основная концепция верна.

Для выбора решения нужно сопоставлять стоимость проводного и печатного гибкого монтажа с учетом объема и других факторов производства. Некоторые проектировщики изделий находят гибкие печатные платы более рентабельными уже начиная с двух или трех связей. Тем не менее, в ряде случаев существует обоснованность использования жгутового монтажа в противовес гибким печатным платам. К примеру, на рис. 1 показан жгутовой проводной монтаж силовых цепей, не подлежащий замене на гибкие печатные платы.

 

 



Рис. 1. Пример раскладки жгутового проводного монтажа автомобиля, где гибкие печатные платы уступают по техническим возможностям

 

На выставке Productronica-2001 [2] были показаны примеры гибких печатных плат длиной до 8 м, способных обеспечить требования по применению в автомобильном транспорте.

Динамическая гибкость

Устойчивость к многократным динамическим изгибам — одно из важнейших свойств гибких печатных плат. Другие решения для гибких межсоединений, типа плоского ленточного кабеля, тоже можно удовлетворительно использовать в подобных случаях, но гибкие печатные платы превосходят их как стандартный метод создания надежной взаимосвязи между перемещающимися частями (рис. 2). Малая толщина материалов оснований, в сочетании с очень тонкой медной фольгой, дает гибким платам значительные преимущества в создании динамически устойчивых межсоединений.

 

Рис. 2. Гибкие печатные платы в приводе дисковода

 

Управляемое волновое сопротивление линий связи

Почти все материалы оснований гибких печатных плат имеют электрические характеристики, благоприятно сказывающиеся на формировании линий передач: однородность материалов и электрические свойства на высокой частоте. Благодаря этому относительно просто реализовывать гибкие схемы с высоким быстродействием линий передач.

При наличии однородности материалов единственное требование производства — обеспечить адекватную однородность проводников на всей их длине, то есть точно воспроизводить их геометрию, чтобы достичь требуемого значения характеристик линии связи. Обычно используют линии с волновым сопротивлением 50 Ом — для гибких печатных плат это достигается без затруднений. Более высокие значения волнового сопротивления обеспечиваются большей толщиной гибкой печатной платы, из-за чего она теряет в гибкости. Чтобы решить эту проблему без увеличения толщины, приходится выполнять линию передачи весьма тонкими проводниками, а это может повлечь за собой потерю точности воспроизведения ширины проводника и сокращение выхода годной продукции.

К счастью, для быстродействующих линий передач уменьшение сечения проводника мало сказывается на их работоспособности, поскольку на больших частотах довлеет явление скин-эффекта — вытеснение тока на поверхность проводника, за счет чего эффективно используемое сечение проводника уменьшается в большей мере, чем площадь его физического сечения.

Улучшенное тепловое рассеивание

Плоские проводники имеют намного бульшую поверхностность, чем круглый провод, за счет чего более эффективно рассеивается тепло. Это первое преимущество. Далее, если сравнивать гибкие и жесткие платы, очевидно, что путь теплопередачи из жесткой печатной платы больше, чем из тонкого гибкого основания. Мало того, рассеивание тепла из гибкой печатной платы идет на обе стороны, что намного увеличивает эффективность теплоотвода. Тем не менее, следует учесть, что в жестких печатных платах, в отличие от гибких, можно использовать толстый внутренний слой теплоотвода.

Объемная компоновка

Преимущества проектирования трехмерных структур межсоединений очевидны [2]. Особенно эффективны они в пространственных компоновках кристаллов микросхем (рис. 3). В более ранние времена, начиная с конца 1970-х годов, такие же компоновки использовали для стапелирования многослойных жестких печатных плат.

Рис. 3. Пример использования гибких оснований для стапелирования кристаллов микросхем

 

Уменьшенное сопротивление охлаждающему потоку воздуха

Однородная плоская конструкция гибких печатных плат позволяет разместить их в корпусе прибора так, чтобы не создавать большого сопротивления потоку воздушного охлаждения. В противовес этому массивные переплетения проводов действуют как барьеры воздушному потоку, препятствуя эффективному охлаждению блока.

Податливость материалов оснований гибких печатных плат для поверхностного монтажа

Технология поверхностного монтажа на первых этапах ее освоения наталкивалась на ряд затруднений, связанных с несоответствием температурных коэффициентов расширения компонентов и монтажной подложки. Это несоответствие создавало большие термомеханические напряжения в соединениях выводов компонентов с контактными площадками монтажных оснований, которые становились причиной многочисленных отказов.

Разработки новых базовых материалов с лучшей размерной устойчивостью и новые инженерные решения в конструкциях монтажных изделий обеспечили решение большинства проблем. Но одно из решений, которое оказалось наиболее эффективным, заключается в использовании гибких материалов оснований. Они, как правило, обладают меньшим коэффициентом температурного расширения и более податливы для возникающих термомеханических напряжений без разрушения соединений.

Разнообразие конструкций линий передач

В дополнение к преимуществам применения гибких печатных плат в конструкциях линий передач необходимо отметить их свойство меньше искажать цифровые сигналы при больших длинах линий связи. Относительно малые значения диэлектрической проницаемости и диэлектрических потерь — только один из факторов меньшего ослабления сигнала, чем в других конструкциях линий, использующих жесткие диэлектрики.

Кроме того, что гибкие печатные платы обеспечивают переход от одного устройства к другому без разъемов, создающих неоднородности в линии связи, их гибкость позволяет проектировать без ограничений такие экзотические конструкции, которые невозможно выполнить с использованием жестких материалов. Пример одной из таких конструкций показан на рис. 4.

Рис. 4. Гибкие печатные платы предоставляют возможность создания необычных конструкций линий связи

 

SMT и гибко-жесткие печатные платы

Увеличение плотности компоновки обеспечивается сочетанием поверхностного монтажа на жесткое основание монтажной подложки с выводом связей на гибком основании, как показано на рис. 5.

Рис. 5. Пример использования гибких печатных плат в сочетании с поверхностным монтажом

 

Выполненный на гибкой подложке SMT-монтаж отличается хорошим сочетанием температурных расширений материалов компонентов и гибкого слоя, наклеенного на жесткое основание. Кроме того, низкий модуль упругости гибкого материала компенсирует небольшое несоответствие температурных коэффициентов.

Многослойные гибкие печатные платы могут сами служить основанием для монтажа выводов в отверстия и для поверхностного монтажа (рис. 6).

Рис. 6. Многослойная гибкая печатная плата (8 слоев)

 

Еще больший выигрыш в компоновке блоков создают гибко-жесткие печатные платы (рис. 7), полностью вытесняющие объемный проводной монтаж [4]. Можно представить, какой была бы конструкция миниатюрного блока с разъемами, если бы не использовалась гибко-жесткая печатная плата, показанная на рис. 8. Преимущество таких конструкций заключается в повышенной их надежности за счет отсутствия разъемных или паяных соединений.

Рис. 7. Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на двух стенках электронного блока
Рис. 8. Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на трех стенках миниатюрного электронного устройства (4 жестких слоя, 2 — гибких)

 

Технология «кристалл-на-гибкой печатной плате» (Chip-on-Flex — COF)

В противовес технологии «кристалл-на-плате» (Chip-on-Board — COB) технология COF позволяет обеспечить большую плотность компоновки, а значит, меньшую массу и габариты. К тому же, COF-технология лишена многих недостатков COB-технологий, связанных опять-таки с разными коэффициентами термического расширения кристалла и подложки. В связи с этим COF-технология успешно используется в аэрокосмической аппаратуре. В сочетании с возможностью складывать монтаж на гибкой печатной плате в стопки COF-технология имеет значительные преимущества особенно там, где кристалл микросхемы не требуется герметизировать.

Еще один пример практического использования COF-технологии — монтаж кристаллов на ленте (ТАВ-технология), на ее основе создаются всевозможные конструкции с плотной упаковкой компонентов (рис. 9).

Рис. 9. Примеры монтажа кристаллов микросхем на гибкую подложку

 

Гибкие печатные платы в тонких конструкциях

Возможность перфораций в тонких основаниях гибких печатных плат позволяет осуществлять межсоединения непосредственно с кристалла микросхемы на периферию электронных устройств, как это показано для примера на рис. 10. Эта технология, которая стала весьма популярной за последние 10 лет, используется для упаковки микросхем в SIM-картах, всевозможных картах памяти (SD, MMC, MS, MS Pro, CF, Flash Memory Card) и т. п., которые требуют внешних выводов. Массовость производства этих устройств по существу обеспечена применением миниатюрных гибких печатных плат. Этот упаковочный формат теперь широко известен как монтаж ?BGA по CSP-технологии (Chip-Scale Package — CSP). Эта технология монтажа сегодня доминирует в микроминиатюрных, карманных и портативных устройствах.

Рис. 10. Присоединение гибкой печатной платы непосредственно к микросхеме на кристалле

 

Технологии гибких печатных плат

Последовательность сборки кристаллов микросхем в трехмерную структуру

Другой подход к уплотнению компоновки микросхем в сочетании с согласованием характеристик линий связи показан в последовательности сборки на рис. 11. Ключевая особенность этой структуры — возможность создания многослойного пакета с присоединениями к микросхемам через металлизированные глухие отверстия. Этот новый подход нацелен на упрощение электронного проектирования и процессов производства.

 

Рис. 11. Пошаговая схема сборки пакета кристаллов микросхем

 

Многослойные гибкие печатные платы

Гибкие печатные платы, собранные в многослойные структуры, в некоторой степени теряют свою гибкость. Но за ними остаются значительные преимущества: близость коэффициентов термического расширения к таковому у компонентов и податливость материалов оснований, компенсирующих небольшие рассогласования в термическом расширении. Еще один неблагоприятный эффект отсутствует в многослойных гибких структурах — склонность к электрохимическим отказам. В композиционных материалах это проявляется в прорастаниях металлических мостиков вдоль слоев по капиллярам «несплошностей». В материалах гибких печатных плат отсутствуют такие неоднородности вдоль слоев, по которым могли бы проходить миграционные процессы, заканчивающиеся обычно образованием металлических дендритов — мостиков коротких замыканий.

Трехмерная монтажная подложка

Зачастую разводка кристалла не умещается в одном или даже в двух слоях. Незначительная толщина пленок, используемых в технологиях гибких печатных плат, позволяет использовать по крайней мере трехслойную структуру, позволяющую создать копланарные внешние соединения с монтажной подложкой, как показано на рис. 12. Незначительная разница в положении монтажных плоскостей компенсируется соответствующими размерами шариковых выводов.

Рис. 12. Пример разводки микросхемы на трехслойном носителе

 

Материал основания с предварительно просверленными отверстиями

Один из способов удешевления производства высокоплотных многослойных гибких печатных плат предложила компания Sheldahl (теперь Multek). Он заключается в поставках гибких пленок с множеством мелких отверстий, выполненных в узлах стандартной координатной сетки. Технологии лазерного сверления позволяют с большой производительностью (до 300 сверлений в секунду) выполнить отверстия с большой плотностью размещения (до 400 на см²) и с высокой точностью позиционирования.

Компания Sheldahl пыталась создать стандарт на размещение отверстий, чтобы проектировщики могли использовать их в своих конструкциях, и планировала пойти дальше — поставлять свои материалы с металлизированными отверстиями.

К сожалению, этот метод не был реализован по множеству причин. Но идея все еще остается интересной и может найти применение в будущем.

Технологии трансверсальных соединений

Другая область исследований формирования высокоплотных соединений в гибких структурах относится к обеспечению связей по оси Z в конструкциях многослойных печатных плат. Технология образования Z-связей в гибких основаниях заметно отличается от технологий послойного наращивания, используемых в производстве жестких многослойных печатных плат. Эти исследования проводят с целью уменьшения стоимости печатных плат высокой плотности и увеличения устойчивости металлизации отверстий к термомеханическим нагрузкам для улучшения надежности трансверсальных межсоединений.

Общая идея обеспечения надежности Z-связей одинакова для жестких и гибких печатных плат: улучшить прочность металлизации и уменьшить термомеханические нагрузки за счет сближения термического расширения металлизации и материала основания. Но материалы гибких печатных плат, как правило, создаваемые на основе полиимидов, имеют высокую температуру стеклования и, следовательно, относительно низкий коэффициент термического расширения в рабочем диапазоне температур. Кроме того, податливость материалов гибких оснований, как уже упоминалось выше, все-таки компенсирует существующую разницу в этих коэффициентах.

 

Отдельные примеры использования гибких печатных плат

Высокоскоростные длинные линии связи

Гибкие печатные платы с согласованными линиями связи представляют жизнеспособную альтернативу СВЧ-линиям на дистанции от печатной платы к плате до 75 см с производительностью вплоть до 10 Гбит/с. Преимущество гибкой печатной платы заключается еще и в возможности взаимного перемещения соединяемых печатных плат, перегибов во всех направлениях, что не свойственно другим видам высокочастотной связи (рис. 16).

Рис. 16. Длинная линия высокоскоростной связи, выполненная гибким шлейфом

 

Слуховые аппараты

Малый вес слуховых аппаратов, размещение их позади уха стали возможны после изобретения транзистора. И они стали первыми электронными изделиями на транзисторах, получившими массовое распространение.

До этого использовались аппараты на миниатюрных радиолампах. Они были тяжелы и дороги. В их работу приходилось постоянно вмешиваться из-за большого энергопотребления и необходимости замены батареи. С изобретением транзистора слуховые аппараты стали меньше, дешевле, эффективнее и намного экономичнее по сравнению с ламповыми приборами. Слуховые аппараты сегодня размещаются почти незримо в ухе пользователя (рис. 17). Во многом миниатюризация технологии слухового аппарата была обеспечена применением гибких печатных плат, которые позволяют схеме быть свернутой в малом объеме аппарата.

Рис. 17. Слуховой аппарат, вживляемый в ухо. Рядом показаны используемые в нем монтажные изделия на гибких печатных платах.

 

Микрокатушки

Микрокатушки наиболее часто используются в сенсорных датчиках. На рис. 18 показано изображение микрокатушки, полученное на электронном микроскопе. Здесь ширина проводников 10 микрон, а их высота25 микрон. Зазоры между проводниками — также 10 микрон. Размерная точность — меньше чем один микрон.

Рис. 18. Фрагмент микрокатушки под электронным микроскопом

 

Электроника в эндоскопии

Медицинская электроника — истинно современное чудо, и часто гибкие печатные платы — непременный элемент конструкции таких изделий. Гибкие печатные платы доказали свою незаменимость в разнообразных приборах медицинской диагностики и терапии, в физиологических исследованиях, в дистанционном мониторинге состояния здоровья пациентов с использованием телеметрии. На рис. 19 показана модель прибора, используемого для многостороннего исследования сердца.

Рис. 19. Пример использования гибких печатных плат в зонде, внедренном в модель сердца

 

Ультразвуковые преобразователи

Возможно, одно из наиболее успешных их применений технологии гибких печатных плат было связано с пьезоэлектрическими головками ультразвуковых преобразователей. Гибкие печатные платы используются в них для связи с пьезокерамическим приемопередатчиком ультразвуковых акустических волн, позволяя создать на мониторе изображение, полученное с помощью отраженного звука. Из всех медицинских приложений это самая известная технология интроскопии. Впоследствии его применение перешло на техническую диагностику производственных процессов из-за его способности обнаруживать поры и каверны в объемах изделий.

Пример использования гибких печатных плат в ультразвуковой головке показан на рис. 20.

Рис. 20. Гибкая печатная плата используется в датчике, с помощью которого формируется акустическое изображение объекта диагностики

 

Панель автомобиля

Гибкие печатные платы имеют длинную историю применения в автомобильной промышленности. Самое давнее применение связано с электрической приборной панелью автомобиля (рис. 21). За прошедшее время функциональность приборной панели автомобиля возросла, и значимость межсоединений с помощью гибких печатных плат пропорционально увеличилась.

Рис. 21. Приборная панель автомобиля с монтажом с помощью гибких плат

 

Гибкие печатные платы имеют значительные преимущества в использовании технологий межсоединений в автомобильной электронике. Они сочетают в себе возможности реализации силовых цепей и тонких высокоплотных межсоединений электронных компонентов. На рис. 22 показан фрагмент гибкой печатной платы панели приборов, предназначенный для монтажа BGA-компонента.

Рис. 22. Фрагмент монтажного поля для BGA-компонента

 

Высокопроизводительные линии связи между микросхемами

Непосредственная связь между микросхемами типа «чип-чип» — довольно новое применение гибких печатных плат, которое было обусловлено необходимостью обеспечения быстродействия и функциональности электронных устройств. Один из прежних способов реализации таких связей — выделение быстродействующих линий и формирование их как согласованных линий связи в многослойных структурах. В многослойных печатных платах формирование таких быстродействующих линий встречает затруднения из-за неизбежных неоднородностей в их составе: выводы корпуса микросхемы, металлизированные отверстия. Эти неоднородности искажают сигнал и уменьшают скорость передачи за счет увеличения времени успокоения переходных процессов, обусловленных отражениями от неоднородностей. Альтернатива этому — использование линий связи на основе гибких печатных плат (рис. 23).