Flexibilní elektronika - Flexible electronics

Obrázek flexibilních tištěných obvodů Miraco před de-panelizací.
Fotoaparát Olympus Stylus bez pouzdra zobrazující sestavu flex obvodu.

Flexibilní elektronika , také známá jako flex obvody , je technologie pro sestavování elektronických obvodů montáží elektronických zařízení na flexibilní plastové podklady , jako je polyimid , PEEK nebo transparentní vodivá polyesterová fólie. Flexibilní obvody mohou být navíc potištěny stříbrnými obvody na polyesteru . Flexibilní elektronické sestavy mohou být vyráběny s použitím identických komponent používaných pro pevné desky plošných spojů , což umožňuje, aby se deska přizpůsobila požadovanému tvaru nebo se během používání ohýbala.

Výrobní

Flexibilní tištěné obvody (FPC) jsou vyrobeny fotolitografickou technologií. Alternativním způsobem výroby flexibilních fóliových obvodů nebo flexibilních plochých kabelů (FFC) je laminování velmi tenkých (0,07 mm) měděných pásů mezi dvě vrstvy PET . Tyto PET vrstvy, obvykle 0,05 mm silné, jsou potaženy lepidlem, které je termosetové , a budou aktivovány během procesu laminace. FPC a FFC mají v mnoha aplikacích několik výhod:

  • Úzce sestavené elektronické obaly, kde je vyžadováno elektrické připojení ve 3 osách, jako jsou kamery (statická aplikace).
  • Elektrická připojení, u nichž se vyžaduje, aby se sestava při běžném používání ohýbala, jako jsou skládací mobilní telefony (dynamická aplikace).
  • Elektrická spojení mezi podsestavami za účelem nahrazení kabelových svazků, které jsou těžší a objemnější, například v automobilech, raketách a satelitech .
  • Elektrická připojení, kde jsou hnacími faktory tloušťka desky nebo prostorová omezení.

Výhoda FPC

  • Možnost výměny více pevných desek nebo konektorů
  • Jednostranné obvody jsou ideální pro dynamické nebo vysoce flexibilní aplikace
  • Skládané FPC v různých konfiguracích

Nevýhody FPC

  • Zvýšení nákladů oproti tuhým PCB
  • Zvýšené riziko poškození při manipulaci nebo používání
  • Složitější proces montáže
  • Opravy a přepracování jsou obtížné nebo nemožné
  • Obecně horší využití panelu, což má za následek zvýšení nákladů

Aplikace

Flexibilní obvody se často používají jako konektory v různých aplikacích, kde flexibilita, úspora místa nebo výrobní omezení omezují použitelnost pevných desek s obvody nebo ručního zapojení. Běžná aplikace flex obvodů je v počítačových klávesnicích; většina klávesnic používá pro přepínací matici flex obvody .

Při výrobě LCD se jako substrát používá sklo. Pokud se jako podklad použije tenká pružná plastová nebo kovová fólie, může být celý systém ohebný, protože film nanesený na substrát je obvykle velmi tenký, řádově několik mikrometrů.

Organické světlo emitující diody (OLED) se obvykle používají místo podsvícení pro flexibilní displeje, což vytváří flexibilní organický světelný diodový displej.

Většina flexibilních obvodů jsou pasivní elektroinstalační struktury, které se používají k propojení elektronických součástek, jako jsou integrované obvody, odpory, kondenzátory a podobně; některé se však používají pouze k vytváření propojení mezi jinými elektronickými sestavami buď přímo, nebo prostřednictvím konektorů.

V automobilové oblasti se flexibilní obvody používají v přístrojových deskách, ovládacích prvcích pod kapotou, obvodech, které mají být ukryty v obložení stropu kabiny, a v systémech ABS. V počítačových periferiích se používají flexibilní obvody na pohyblivé tiskové hlavě tiskáren a k připojení signálů k pohyblivému rameni nesoucím čtecí/zapisovací hlavy diskových jednotek. Zařízení spotřební elektroniky využívají flexibilní obvody ve fotoaparátech, zařízeních pro osobní zábavu, kalkulačkách nebo monitorech cvičení.

Flexibilní obvody se nacházejí v průmyslových a zdravotnických zařízeních, kde je v kompaktním balení vyžadováno mnoho propojení. Mobilní telefony jsou dalším rozšířeným příkladem flexibilních obvodů.

Pro napájení satelitů byly vyvinuty flexibilní solární články . Tyto buňky jsou lehké, lze je srolovat pro spuštění a snadno nasadit, což z nich dělá vhodnou aplikaci. Mohou být také všité do batohů nebo svrchního oblečení.

Dějiny

Patenty vydané na přelomu 20. století ukazují, že první výzkumníci představovali způsoby, jak vyrobit ploché vodiče vložené mezi vrstvy izolačního materiálu k rozložení elektrických obvodů tak, aby sloužily v raných aplikacích přepínání telefonie . Jeden z prvních popisů toho, co by se dalo nazvat ohebný obvod, objevil dr. Ken Gilleo a byl odhalen v anglickém patentu Alberta Hansena v roce 1903, kde Hansen popsal konstrukci sestávající z plochých kovových vodičů na papíře potaženém parafínem . Laboratorní knihy Thomase Edisona ze stejného období také naznačují, že uvažoval o potažení celulózové gumy nanesené na lněný papír grafitovým práškem, aby se vytvořily očividně ohebné obvody, ačkoli neexistuje žádný důkaz, že by byla redukována na praxi.

V publikaci Cledo Brunetti a Rogera W. Curtise z roku 1947 „Printed Circuit Techniques“ od Cleda Brunettiho a Rogera W. Curtise naznačila, že krátká diskuse o vytvoření obvodů o flexibilních izolačních materiálech (např. Papír ) ukázala, že tato myšlenka byla na místě, a v padesátých letech 20. století vynálezci Sanders Associates ( Nashua, NH ) Victor Dahlgren a zakladatel společnosti Royden Sanders významně pokročili ve vývoji a patentování procesů pro tisk a leptání plochých vodičů na pružných základních materiálech za účelem nahrazení kabelových svazků . Reklama z roku 1950 podaná společností Photocircuits Corporation v New Yorku prokázala jejich aktivní zájem také o flexibilní obvody.

Dnes se v mnoha produktech používá ohebné obvody, které jsou také po celém světě různě známé jako pružné tištěné vodiče, flexotisky, flexi obvody . Velký kredit je dán úsilím japonských inženýrů pro balení elektroniky, kteří našli bezpočet nových způsobů, jak využít technologii flexibilních obvodů. Flexibilní obvody zůstávají v posledním desetiletí jedním z nejrychleji rostoucích ze všech segmentů trhu propojovacích produktů. Novější variantou technologie flexibilních obvodů je takzvaná „flexibilní elektronika“, která běžně zahrnuje integraci aktivních i pasivních funkcí do zpracování.

Flexibilní obvodové struktury

Existuje několik základních konstrukcí flexibilních obvodů, ale mezi různými typy jejich konstrukcí existují značné rozdíly. Následuje přehled nejběžnějších typů flexibilních obvodových konstrukcí

Jednostranné flex obvody

Jednostranné flexibilní obvody mají vrstvu jednoho vodiče vyrobenou buď z kovu, nebo z vodivého (kovem plněného) polymeru na pružném dielektrickém filmu. Funkce ukončení komponent jsou přístupné pouze z jedné strany. V základní fólii mohou být vytvořeny otvory, které umožní průchod vedení komponent pro propojení, obvykle pájením . Jednostranné ohebné obvody mohou být vyrobeny s ochrannými povlaky nebo bez nich, jako jsou krycí vrstvy nebo krycí vrstvy, nebo bez nich, nicméně použití ochranného povlaku na obvody je nejběžnější praxí. Vývoj přisazených zařízení na naprášených vodivých fóliích umožnil výrobu transparentních LED filmů, které se používají v LED skle, ale také v flexibilních automobilových osvětlovacích kompozitech .

Flexibilní obvody s dvojitým přístupem nebo se zadními boky

Flex s dvojitým přístupem, také známý jako flex se zpětným pruhem, jsou flexibilní obvody s jednou vrstvou vodiče, ale které jsou zpracovány tak, aby umožňovaly přístup k vybraným vlastnostem vzoru vodičů z obou stran. I když má tento typ obvodu určité výhody, speciální požadavky na zpracování pro přístup k funkcím omezují jeho použití.

Vyřezávané flex obvody

Vyřezávané flexibilní obvody jsou novou podmnožinou normálních struktur flexibilních obvodů. Výrobní proces zahrnuje speciální flex obvod vícestupňový lept metodu, která poskytuje flexibilní obvod Po dokončení měděné vodiče, přičemž tloušťka se liší vodičů na různých místech podél své délky. (tj. vodiče jsou tenké ve flexibilních oblastech a silné v propojovacích bodech.).

Oboustranné flex obvody

Oboustranné ohebné obvody jsou ohebné obvody se dvěma vrstvami vodičů. Tyto ohebné obvody mohou být vyrobeny s nebo bez pokovených průchozích otvorů , ačkoli variace pokoveného průchozího otvoru je mnohem běžnější. Je -li konstruován bez pokovených otvorů a funkce připojení jsou přístupné pouze z jedné strany, je obvod definován jako „typ V (5)“ podle vojenských specifikací. Není to běžná praxe, ale je to možnost. Vzhledem k pokovenému průchozímu otvoru jsou na obou stranách obvodu upravena zakončení elektronických součástek, což umožňuje umístění součástek na obě strany. V závislosti na konstrukčních požadavcích mohou být oboustranné ohebné obvody vyrobeny s ochrannými krycími vrstvami na jedné, na obou nebo na žádné straně dokončeného obvodu, ale nejčastěji se vyrábějí s ochrannou vrstvou na obou stranách. Jednou z hlavních výhod tohoto typu substrátu je, že umožňuje velmi snadné křížení. Mnoho jednostranných obvodů je postaveno na oboustranném podkladu jen proto, že mají jedno nebo dvě křížená spojení. Příkladem tohoto použití je obvod spojující podložku pod myš k základní desce notebooku. Všechna připojení v tomto obvodu jsou umístěna pouze na jedné straně substrátu, kromě velmi malého kříženého připojení, které používá druhou stranu substrátu.

Vícevrstvé pružné obvody

Flexibilní obvody se třemi nebo více vrstvami vodičů jsou známé jako vícevrstvé ohebné obvody. Vrstvy jsou obvykle propojeny pomocí pokovených průchozích otvorů, ačkoli to není požadavek definice, protože je možné poskytnout otvory pro přístup k funkcím nižší úrovně obvodu. Vrstvy vícevrstvého ohebného obvodu mohou, ale nemusí být kontinuálně laminovány dohromady v celé konstrukci se zjevnou výjimkou oblastí obsazených pokovenými průchozími otvory. Diskontinuální laminace je běžná v případech, kde je požadována maximální flexibilita. Toho je dosaženo ponecháním nespojených oblastí, kde má dojít k ohýbání nebo ohýbání.

Obvody s pevnou flexí

Tuhé-flex obvody jsou hybridní konstrukční pružné obvody skládající se z pevných a pružných substrátů, které jsou laminovány dohromady do jediné struktury. Tuhé ohebné obvody by neměly být zaměňovány s tuhými ohebnými konstrukcemi, které jednoduše ohýbají obvody, na které je připevněna výztuha, aby lokálně unesla hmotnost elektronických součástek. Zesílený nebo vyztužený ohebný obvod může mít jednu nebo více vrstev vodiče. Přestože tyto dva výrazy mohou znít podobně, představují produkty, které jsou zcela odlišné.

Vrstvy rigid-flex jsou také normálně elektricky propojeny pomocí pokovených průchozích otvorů. V průběhu let se obvody rigid-flex těšily obrovské oblibě mezi návrháři vojenských produktů, nicméně tato technologie našla zvýšené využití v komerčních produktech. Přestože je společnost Compaq často kvůli výzvám považována za speciální produkt pro aplikace s malým objemem, společnost Compaq v 90. letech vyvinula při výrobě desek pro přenosný počítač působivou snahu o využití této technologie. Zatímco hlavní PCBA s rigid-flex PCBA se během používání neohýbal, následující návrhy Compaqu využívaly pro kloubový zobrazovací kabel obvody rigid-flex a během testování prošly desítky tisíc ohybů. Do roku 2013 je nyní použití obvodů rigid-flex ve spotřebitelských přenosných počítačích běžné.

Tuhé flex desky jsou obvykle vícevrstvé struktury; někdy se však používají dvě konstrukce z kovové vrstvy.

Polymerové silnovrstvé pružné obvody

Flexibilní obvody z polymerové tlusté fólie (PTF) jsou skutečné tištěné obvody v tom, že vodiče jsou ve skutečnosti vytištěny na polymerní základní fólii. Obvykle se jedná o struktury s jednou vodičovou vrstvou, nicméně dvě nebo více kovových vrstev lze potisknout postupně izolačními vrstvami vytištěnými mezi vrstvami tištěných vodičů nebo na obou stranách. Obvody PTF mají nižší vodivost vodiče, a proto nejsou vhodné pro všechny aplikace, ale úspěšně sloužily v celé řadě aplikací s nízkým výkonem při mírně vyšších napětích. Klávesnice jsou běžnou aplikací, existuje však široká škála potenciálních aplikací pro tento nákladově efektivní přístup k výrobě flex obvodů.

Flexibilní obvodové materiály

Každý prvek konstrukce ohebného obvodu musí být schopen konzistentně splňovat požadavky na něj kladené po celou dobu životnosti výrobku. Kromě toho musí materiál spolehlivě fungovat ve shodě s ostatními prvky flexibilní obvodové konstrukce, aby byla zajištěna snadná výroba a spolehlivost. Následuje stručný popis základních prvků konstrukce ohebných obvodů a jejich funkcí.

Základní materiál

Základním materiálem je flexibilní polymerová fólie, která poskytuje základ pro laminát. Za normálních okolností poskytuje základní materiál ohebného obvodu většinu primárních fyzikálních a elektrických vlastností ohebného obvodu. V případě obvodových konstrukcí bez lepidla poskytuje základní materiál všechny charakteristické vlastnosti. Přestože je možný široký rozsah tloušťky, většina flexibilních fólií je poskytována v úzkém rozsahu relativně tenkých rozměrů od 12 µm do 125 µm (1/2 mil až 5 mils), ale jsou možné tenčí a silnější materiály. Tenčí materiály jsou samozřejmě pružnější a u většiny materiálů je zvýšení tuhosti úměrné tloušťce krychle. Například to znamená, že pokud se tloušťka zdvojnásobí, materiál se stane osmkrát tužším a při stejném zatížení se vychýlí pouze o 1/8. Jako základní fólie se používá řada různých materiálů, včetně polyesteru (PET), polyimidu (PI), polyethylennaftalátu (PEN), polyetherimidu (PEI) spolu s různými fluropolymery (FEP) a kopolymery. Polyimidové fólie jsou nejrozšířenější díky jejich směsi výhodných elektrických, mechanických, chemických a tepelných vlastností.

Lepicí lepidlo

Jako spojovací médium pro vytváření laminátu se používají lepidla. Pokud jde o teplotní odolnost, lepidlo je obvykle prvkem omezujícím výkon laminátu, zvláště když je základním materiálem polyimid. Vzhledem k dřívějším obtížím spojeným s polyimidovými lepidly mnoho polyimidových ohebných obvodů v současné době používá adhezivní systémy různých polymerních rodin. Nicméně některá novější termoplastická polyimidová lepidla jsou důležitá na silnicích. Stejně jako u základních fólií se lepidla dodávají v různých tloušťkách. Výběr tloušťky je obvykle funkcí aplikace. Například při vytváření krycích vrstev se běžně používá různá tloušťka lepidla, aby se splnily požadavky na výplň různé tloušťky měděné fólie, se kterou se lze setkat.

Kovová fólie

Jako vodivý prvek pružného laminátu se nejčastěji používá kovová fólie. Kovová fólie je materiál, ze kterého jsou normálně vyleptány cesty obvodu. K dispozici je široká škála kovových fólií různé tloušťky, ze kterých si můžete vybrat a vytvořit ohebný obvod, měděné fólie však slouží drtivé většině všech aplikací flexibilních obvodů. Vynikající vyváženost nákladů a fyzických a elektrických vlastností mědi z něj činí vynikající volbu. Ve skutečnosti existuje mnoho různých typů měděných fólií. IPC identifikuje osm různých typů měděných fólií pro tištěné obvody rozdělených do dvou mnohem širších kategorií, elektrolyticky ukládaných a kovaných, z nichž každá má čtyři podtypy.) V důsledku toho je pro aplikace s flexibilními obvody k dispozici řada různých typů měděných fólií sloužit různým účelům různých konečných produktů. U většiny měděných fólií se na jednu stranu fólie běžně nanáší tenká povrchová úprava, aby se zlepšila její přilnavost k základní fólii. Měděné fólie jsou dvou základních typů: kované (válcované) a elektrolyticky ukládané a jejich vlastnosti jsou zcela odlišné. Nejběžnější volbou jsou válcované a žíhané fólie, ale stále oblíbenější jsou tenčí fólie, které jsou galvanicky pokovovány.

V určitých nestandardních případech může být výrobce obvodu vyzván, aby vytvořil speciální laminát pomocí určené alternativní kovové fólie, jako je speciální slitina mědi nebo jiná kovová fólie v konstrukci. Toho je dosaženo laminováním fólie na základní fólii s lepidlem nebo bez lepidla v závislosti na povaze a vlastnostech základní fólie.

Flexibilní průmyslové standardy a specifikace

Specifikace jsou vyvinuty tak, aby poskytovaly společný základ pro pochopení toho, jak by měl výrobek vypadat a jak by měl fungovat. Standardy jsou vyvíjeny přímo asociacemi výrobců, jako je Association Connecting Electronics Industries (IPC) a uživateli flexibilních obvodů.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy