Znaczenie usztywnień elastycznych PCB w procesie montażu

Rysunek: Przykład elastycznej płytki drukowanej ze wzmocnieniami. Żródło: Top 5 Reasons for Using Stiffeners on Flexible PCBS © Zachary Walker, EPECTEC

W przypadku giętkich PCB, element usztywniający można zdefiniować jako kawałek materiału przytwierdzony do elastycznej płytki drukowanej, który usztywnia jedną z jej stref. Chociaż sam usztywniacz nie ma żadnych funkcji elektrycznych, nadaje sztywność w przypadku większości stosowanych obecnie elastycznych PCB. Sekcję płytki usztywnia się z wielu powodów, począwszy od spełnienia wymagań montażowych dotyczących jej grubości, utworzenie stabilnej i płaskiej powierzchni płytki, a także umożliwienie lepszego manipulowania PCB.

Spełnienie wymagań montażowych dotyczących grubości

Wspólną cechą obwodów elastycznych i sztywnych płytek drukowanych jest to, że zazwyczaj należy zachować określoną grubość płytki, niezbędną do spełnienia wymagań montażowych. Uzyskanie stałej grubości ma na celu umożliwienie montażu w określonym obszarze i jest niezbędna do utrzymania jego powtarzalności i stosowania jednolitych komponentów (przykładem mogą być śruby montażowe o jednolitej grubości). W przypadku obwodów elastycznych, ich relatywnie niewielka grubość, podyktowana wymogami zachowania elastyczności, niekiedy utrudnia ich montaż w obudowie. Aby obejść ten problem, dodaje się element usztywniający, który tworzy grubszą strefę płytki bez utraty elastyczności.

Innym częstym powodem stosowania elementów usztywniających jest spełnienie wymagań dotyczących grubości PCB, które obejmują np. złącza o zerowej sile wstawiania (zero insertion force, ZIF). Tego typu złącza, aby zapewnić prawidłowe zamocowanie elementu na płycie, wymagają określonej grubości. Ilekroć używane jest złącze ZIF, wykonany z poliamidu element usztywniający zrekompensuje różnicę pomiędzy grubością PCB w grubością wymaganą przez specyfikację ZIF.

Tworzenie stabilnego i płaskiego obszaru

Chociaż elastyczność płytki drukowanej generalnie jest jej kluczową zaletą, może również być źródłem sporych wyzwań. Jeśli na przykład PCB miałaby zostać zainstalowana w sposób przewidujący jest swobodne zawiśnięcie, jej określone obszary uległyby dużemu wygięciu i na przykład zetknąć się z innymi elementami urządzenia. Dzięki usztywnieniom to ugięcie jest drastycznie zmniejszone, umożliwiając swobodne ‘zawieszenie’ płytki. Jest to co prawda niezwykle niszowy przypadek, ale takie rozwiązanie umożliwi zastosowanie obwodu elastycznego i jednocześnie zapobiegnie stykaniu się elementów montowanych powierzchniowo z innych elementami w przypadku ugięcia płytki.

Lepszy handling

Ta kwestia jest niemal całkowicie oczywista – powszechnie wiadomo, iż handling elastycznego obwodu nastręcza trudności. Od produkcji, przez montaż, instalację i codzienne użytkowanie, elastyczna PCB może ulec rozerwaniu czy rozdarciu.

Poprzez dodanie elementu usztywniającego, płytka może stać się łatwiejsza w obsłudze i zapobiegać uszkodzeniom związanym z jej niewłaściwym handlingiem. Im cieńsza jest płytka, tym łatwiej ją uszkodzić, co sprawia, że usztywnienia są znacznie ważniejsze w przypadku mniejszych grubości.

Usztywnienie obszarów powlekanych

Zazwyczaj większość elastycznych PCB posiada powłokę wykonaną metodą pad plating, w której powleczone są tylko otwory THT czy przelotki po obu stronach PCB. Chociaż jest to skuteczna metoda powlekania obwodów elastycznych, może stwarzać niebezpieczeństwo powstawania sporadycznych rozwarć, jeśli otwory te znajdują się w obszarze narażonym na zginanie. Dzieje się tak dlatego, że platerowana miedź nie nadaje się do zginania: kierunek ustawienia włókien miedzi sprawia, że jest ona bardziej krucha niż typowa miedź walcowana, stosowana w pozostałych obszarach elastycznej PCB.

W rezultacie, w tych obszarach stosuje się usztywnienia, aby umocnić platerowane otwory i uniemożliwić zginanie się tego obszaru, co z kolei zapobiega pękaniu wykończenia otworu podczas zginania, będącego bezpośrednią przyczyną powstawania rozwarć.

Rysunek: Wzmocnienie elastycznej PCB na obszarze zawierającym przelotkę. Żródło: Flexible Circuit Stiffener Options, © Tara Dunn, Altium

Podparcie komponentów

Zgodnie z IPC-2223, w przypadku elastycznych PCB zalecane jest stosowanie elementów usztywniających w obszarach, w których umieszczone są komponenty. Istnieją dwa powody takiej rekomendacji. Pierwszy z nich został opisany w poprzednim akapicie: w miejscach, w których umieszczane są komponenty, czasami znajdują się również platerowane otwory, co uzasadnia potrzebę zastosowania elementu usztywniającego. Drugi powód wynika z faktu, że komponenty są łączone za pomocą połączeń lutowanych. Chociaż połączenia lutowane skutecznie utrzymują elementy, w przypadku ich zgięcia mogą oderwać miedzianą ścieżkę od płytki, złamać warstwę miedzi lub połączenie, powodując trwałe uszkodzenie płytki i jej niezdatność do użytku.