Dlouhá léta představovala deska plošného spoje naprosto konstantní veličinu. Klasická sklolaminátová konstrukce FR4 s různě silnou měděnou fólií má jasně dané a předvídatelné parametry, své výhody a nevýhody. O tom, že deska může být i z něčeho jiného, nás přesvědčovaly jen levné nabídky asijských výrobců. Pevná deska ale pro většinu výrobků znamená konstrukční překážku. Málokdy se podaří vše uspořádat do jedné plochy, ať z důvodu designu, ergonomie nebo z konstrukčních důvodů. Typická konfigurace displeje, klávesnice, řídící jednotky, desek rozhraní a senzorů s sebou nese potřebu několika plošných spojů, kabelových propojek nebo sběrnice. Výsledný produkt se tak navzdory všem snahám designérů musí do jisté míry podobat klasickému PC nebo třeba videopřehrávači z let osmdesátých a je lhostejné, kolik plastových bublin se to snaží zakrýt.
Částečné řešení přináší technologie rigid-flex, ale spolu s ní přichází také řada odlišností. Plošný spoj má svoji technologii, skrytou nejen ve složení vrstev, lepidel, ale i ve způsobu jejich lepení, spojení a uchycení celých desek. Používá se také řada výrobních technologií a výsledné desky se tak mohou lišit výrobce od výrobce. Setkat se můžeme s deskami se spoji částečně flexibilními s limitem 30,60,70, nebo 90°, často vyráběné odfrézováním přebytečného materiálu, jindy jsou spoje konstruovány speciální vrstvou, vlepenou do dvou či více pevných desek.
Klasický Rigid-Flex plošný spoj (altium.com)
Pokrok ve zpracování materiálů už přináší i plně flexibilní plošné spoje a to v řadě různých variant výroby (plochá výroba, 3D tisk, reel-to-reel) i parametrů. Výrobci dokáží materiál celé desky poskládat podle toho, zda půjde o low power aplikaci nebo výkonový obvod, i podle typu a frekvence signálu.
Například 3D tiskárny DragonFly používají kombinaci nevodivého foto-polymeru a vodivého nano-stříbrného inkoustu. Jedná se o plně aditivní proces, tj. jak polymer, tak stříbro se postupně tiskne po jednotlivých kapkách a vrstvách. Na rozdíl od konvenčního způsobu výroby DPS, který vyžaduje několik zařízení, chemických procesů a složité výrobní postupy, je celý proces tvorby DPS realizován jediným zařízením. Systém je zatím určen zejména pro prototypovou výrobu menších desek, které jsou díky materiálu i volitelné tloušťce částečně či plně flexibilní.
Ohebný plošný spoj – 3D tisk (Nano Dimension)
Klasická integrace flexibilní vrstvy do desek využívá ohebného materiálu s měděnou vodivou vrstvou. Když úplně opustíme sklolaminát, může poskládáním vrstev vzniknout zcela flexibilní plošný spoj. Většina výrobců dnes používá polyimidový substrát (neplést se starým známým polyamidem). Tento plast, elektrický izolant má při dlouhodobém použití velkou pevnost a vysoký odpor proti tečení. K jeho silným stránkám patří malá tepelná vodivost a široký rozsah pracovních teplot (– 270 ºC / + 300 ºC) bez citlivosti na tepelný šok. To jej spolu s odolností proti otěru a kluzností určuje nejen pro klasické mikroelektronické aplikace, ale také pro výkonové obvody v oblasti automatizace nebo letectví.
Britská firma Trackwise aktuálně předvedla flexibilní plošný spoj, založený na polyimidu o délce 26 metrů, určený pro solární systém v křídle letounu. Tepelné vlastnosti materiálu přitom umožnily dimenzovat vodiče tak, že konstrukce šetří nejen objem mědi a izolace, ale v tomto případě také hmotnost celé soustavy. Mimochodem, jednou z klíčových výhod je snížená nákladů na instalaci, nikoli cena samotného výrobku.
Technologie IHT (Improved Harness Technology), kterou má firma patentově chráněnou, má ještě jednu přelomovou vlastnost. Zatímco výroba klasických (i flex-rigid) desek je běžně omezena výrobní plochou (obvyklá délka 610 mm), IHT zpracovává materiál navinovaný na cívky. Plošný spoj tak může být v podstatě libovolně dlouhý.
Výkonový flexibilní plošný spoj (Trackwise)
S náročností výroby a vyspělostí materiálu stoupá i cena desek. Je jasné, že zadavatel musí zvážit všechna pro a proti.
Aplikace
V první řadě je výběr podřízen celkovému zadání projektu. Klasické aplikace, které mohou být umístěny v boxu si s pevným plošným spojem ještě dlouho vystačí, jiné je to například u miniaturních přístrojů nebo dopravních prostředků. Požadavky na prostorový design, tvar i rozmístění prvků často nutí vývojáře dělit systémy na více plošných spojů. Jejich propojování ovšem zabírá další prostor, přináší výrazný růst nákladů na výrobní materiál a je také zdrojem mnoha problémů. Ty musí řešit i vývojáři aplikací, kde jsou limitem vibrace. V takových podmínkách klasické plošné spoje trpí a vyžadují drahé a složité fixační podpěry. Velikost desek a jejich uchycení, stejně jako ochrana proti vibracím mají významný vliv na konstrukci celého subsystému. U výkonových aplikací má flexibilní konstrukce často významně lepší parametry z hlediska tepelných ztrát, než srovnatelný sklolaminátový základ. Podívejme se, co jak výběr technologie plošného spoje ovlivní jednotlivé fáze životního cyklu produktu.
Vývoj
V době pokročilých CAD programů a specializovaných PCB designérů obecně platí, že navrhnout jeden komplexní produkt je rychlejší a jednoduší než separátní vývoj několika subsystémů. Eliminuje se riziko vzniku chyb, dají se zkontrolovat všechny spoje, cesty a vrstvy. Návrh tak vlastně generuje zadání pro výrobu plošného spoje nejen graficky, ale také z hlediska nároků na fyzikální vlastnosti vodivých i izolačních vrstev. Výrobci spojů s těmito daty umí pracovat.
Kalkulace BOM ve fázi návrhu desky (altium.com)
Významným přínosem může být i eliminace propojovacích kabelů nejen z pohledu zdroje rušení a výkonových ztrát, ale i proto, že každý spoj je třeba při vývoji navrhnout a do detailu zdokumentovat.
Výroba
I když se může zdát, že výroba jakéhokoli flex nebo rigid-flex plošného spoje je značně náročnější než klasické sklolaminátové desky, není to tak. U flexibilních technologií se málokdy setkáme s garážovým přístupem, špatným zpracováním nebo problémy při osazování. Výroba flexibilních desek je závislá na špičkové technologii, která sama omezuje rizika chyb. Opět je vhodné připomenout, že v případech, kdy flexibilní deskou nahrazujeme více samostatných subsystémů, nahrazuje jeden výrobní krok násobky operací na samostatných deskách.
Cena
Pokud jsou technicky možné různé varianty, BOM je až na prvním místě. Dražší deska plošného spoje nemusí být prohrou. Úspora konektorů, propojovacích kabelů, ale i centimetrů čtverečních desek a prostoru ve výrobku mohou cenu výrazně změnit ve prospěch flexibilního návrhu. Pečlivý zadavatel do seznamu přidá také cenu lidské práce.
Testy, oživování, výroba
Ve věku automatických testerů je jasné, že otestovat jeden systém je levnější než testovat více desek samostatně. To samé platí pro oživování výrobku a montáž. Čím více testovacích kroků, tém výraznější je úspora. Zjednodušení návrhu elektroniky tak může ušetřit cenné minuty a hodiny v sériové výrobě. Obecně menší počet komponent, nutných k sestavení výrobku snižuje také náklady na výrobní logistiku.
Spolehlivost
Vezmeme-li v úvahu, že každý spoj deska-konektor-kabel-konektor-deska má 4 až-6 elektrických přechodů, má jejich vypuštění jednoznačně blahodárný vliv, zejména pokud se výrobek jakýmkoli způsobem hýbe. To je u průmyslových systémů i dopravních prostředků celkem běžné. Právě proto se plně flexibilní plošné spoje začínají prosazovat například v leteckém průmyslu nebo v návrhu elektromobilů. Každý spoj, který konstruktér vynechá již ve fázi návrhu, ušetří výrobní náklady i zvýší spolehlivost.
