Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2007 №9

Гибкие печатные платы. Преимущества и применение

Медведев Аркадий  
Мылов Геннадий  

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
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.

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

Гибкие печатные платы в приводе дисковода
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.

Пример использования гибких оснований для стапелирования кристаллов микросхем
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.

Гибкие печатные платы предоставляют возможность создания необычных конструкций линий связи
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.

Пример использования гибких печатных плат в сочетании с поверхностным монтажом
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).

Многослойная гибкая печатная плата (8 слоев)
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.

Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на двух стенках электронного блока
Рис. 7. Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на двух стенках электронного блока
Гибко-жесткая многослойная печатная плата, монтируемая на трех стенках миниатюрного электронного устройства
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).

Примеры монтажа кристаллов микросхем на гибкую подложку
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.

Присоединение гибкой печатной платы непосредственно к микросхеме на кристалле
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.

Пошаговая схема сборки пакета кристаллов микросхем
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.

Пример разводки микросхемы на трехслойном носителе
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.

Анизотропные Z-связи

Анизотропные клеящие пленки используются много лет, однако только в последнее время они получили новое развитие благодаря введению в клеящий слой проводящего компонента, например, металлической пудры. Такая комбинация позволяет создавать Z-связи между слоями.

В результате, любые металлизированные оппозитные площадки двух половинок схемы будут электрически связаны. Анизотропность проводимости клеящей пленки обеспечивает электрическую связь по оси Z и не обнаруживает проводимости вдоль слоев, исключая короткие замыкания между контактными площадками. Схема этого процесса показана на рис. 13. Таким образом, например, реализуются межсоединения в жидкокристаллических дисплеях и плазменных панелях.

Анизотропная клеящая пленка с токопроводящим наполнителем позволяет реализовать Z-связи в многослойной структуре межсоединений
Рис. 13. Анизотропная клеящая пленка с токопроводящим наполнителем позволяет реализовать Z-связи в многослойной структуре межсоединений

Программируемые межсоединения

Альтернатива анизотропных межсоединений — семейство программируемых структур связи в предназначенных для этого точках. Одна из таких версий была развита в компании Tessera (США). На рис. 14 показано, как используется эта технология в создании программируемых Z-связей.

Схема формирования программируемых Z-связей
Рис. 14. Схема формирования программируемых Z-связей

Другие методы этого семейства включают технологию столбиковых межсоединений, прокалывающих межслойную изоляцию с образованием Z-связей (рис. 15). Эта технология, известная под именем В21Т, была развита компанией Toshiba для изготовления LCР-дисплеев, затем была использована компанией Yamaichi Electronics (Япония) и под именем Any Layer Interstitial Via (ALIV) стала принадлежностью компании Matsushita.

Схема формирования межсоединений в LCР-панелях
Рис. 15. Схема формирования межсоединений в LCР-панелях

Наиболее явное преимущество этой технологии заключается в способности формировать чрезвычайно короткие межсоединения между компонентами. Этот короткий путь маршрутизации по узлам координатной сетки часто упоминается как «маршрутизация Манхэттена» вследствие ее подобия структуре улиц Нью-Йорк Сити и его небоскребов. Использование стандартных координатных сеток и способов столбиковых межсоединений, подобных описанным, может в будущем стать банальной технологией компоновки электронных устройств.

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).

Длинная линия высокоскоростной связи, выполненная гибким шлейфом
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.

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

Фрагмент микрокатушки под электронным микроскопом
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.

Пример использования гибких печатных плат в зонде, внедренном в модель 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.

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

Приборная панель автомобиля с монтажом с помощью гибких печатных плат
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.

Фрагмент монтажного поля для 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).

Высокопроизводительные линии связи
Рис. 23. Высокопроизводительные линии связи: а — в многослойных печатных платах, б — реализуемые гибкой печатной платой непосредственно между микросхемами со скоростью передачи информации 25 Гбит/с

Солнечные панели

Эффективность современных светодиодных солнечных панелей может достигать 50%. Но их широкому применению препятствовала их дороговизна относительно других «альтернативных» источников энергии. Технологии солнечных панелей значительно продвинулись за счет использования гибких печатных плат. Гибкость межсоединений создавала удобство использования панелей в космосе за счет сворачивания в компактный объем и последующего разворачивания при выходе в космическое пространство. Благодаря этому солнечные панели могут разворачиваться на площадь футбольного поля, снабжая энергией космические объекты, в частности Международную космическую станцию. Солнечные панели в развернутом виде могут давать десятки киловатт мощности с напряжением до 160 В (рис. 24).

Солнечная панель Международной космической станции на испытаниях в НАСА (США)
Рис. 24. Солнечная панель Международной космической станции на испытаниях в НАСА (США)

Гибкие печатные платы в видеокамерах

Японские инженеры раньше других осознали большие преимущества гибких печатных плат во всевозможных применениях в портативной электронной аппаратуре. Одно из ранних применений они нашли в миниатюрных видеокамерах. Автоматические функции видеокамеры: управление микродвигателями, выбор экспозиции, автофокус и другие реализованы с использованием гибких печатных плат (рис. 25).

Видеокамера в деталях межсоединений гибкими печатными платами
Рис. 25. Видеокамера в деталях межсоединений гибкими печатными платами

Смарт-карты

Другая область применения, обуславливающая существенный рост производства гибких печатных плат, — смарт-карты. Гибкие печатные платы идеальны для смарт-карт из-за их незначительной толщины и возможности массового производства по низкой цене. Сами схемы смарт-карт обычно довольно просты, часто не сложнее, чем катушка со связанным с ней чипом.

Объемная системная миниатюризация и межсоединения

Уже установилась закономерность развития полупроводниковых приборов, заключающаяся в удвоении плотности элементов микросхем в два раза за период от 18 до 24 месяцев. Эта закономерность названа Законом Мура. Очевидно, что увеличение интеграции микросхем должно сопровождаться соответствующим увеличением плотности межсоединений. Отдельным, очень важным направлением этого процесса развития являются технологии гибких и гибко-жестких печатных плат.

Даже без удвоения интеграции микросхем плотность компоновки электронной аппаратуры можно увеличить за счет использования гибкости и малой толщины монтажных подложек. Мы увидели, что гибкость подложек позволяет создавать пространственные трехмерные структуры, и уже только поэтому можно в разы увеличить плотность компоновки. Это более дешевый способ достижения высокой интеграции электронных устройств, чем интеграция компонентов, и поэтому он заслуживает внимания.

Переход к третьему измерению означает отказ от старых технологий межсоединений. В новых технологиях 3D-структур гибкие печатные платы будут составлять основу пространственных межсоединений. В английской литературе эта технология получила название «объемная системная миниатюризация и технология межсоединений» (Volumetric System Miniaturization and Interconnection Technology, или для краткости VSMI).

В семейство VSMI-технологий включены все варианты 3D-компоновок: стапелирование компонентов в микрокорпусах, стапелирование кристаллов микросхем, стапелирование вафель с чипами микросхем, многокристальные модули и их сборки в многослойные структуры (рис. 26). Конечно, вместе с уплотнением компоновки нельзя забывать о проблемах теплоотвода, решение которых становится очень трудным по мере увеличения интеграции аппаратуры. Может случиться так, что массивные теплоотводы полностью разрушат всю концепцию увеличения плотности компоновки. Поэтому VSMI-технологии должны учитывать и интеграцию теплоотводящих структур и включать их в структуру электрических межсоединений.

=
Одна из трехмерных структур 3D-компоновок
Рис. 26. Одна из трехмерных структур 3D-компоновок

Другой ключевой элемент VSMI-технологий — тестирование. С увеличением плотности компоновки тестирование может оказаться упрощенным или чрезвычайно сложным в зависимости от того, в какой мере системный проектировщик удовлетворяет требования обеспечения электрического тестирования.

Риск наличия одного неисправного чипа среди многих других в составе многокристального модуля пугает разработчиков и пользователей своей безысходностью. Статистика этих рисков пока не вселяет оптимизма. Но разработчики VSMI-технологий ищут подходы к решению этой проблемы и вынуждены будут найти его, так как эта технология безальтернативна в дальнейшей интеграции электронной аппаратуры. И технологии гибких печатных плат будут играть в этом решающую роль.

Тенденции развития технологий печатных схем

Поверхностный обзор патентов США, опубликованных за последние 10 лет, указывает, что технологии гибких печатных плат интенсивно развиваются. Несмотря на то, что интенсивность поступления патентов стабилизировалась, уровень ее все еще высок: в Патентное Бюро США поступает в среднем более одного патента в день (табл. 2) [1].

Таблица 2. Количество опубликованных патентов США в течение последнего десятилетия
Количество опубликованных патентов США в течение последнего десятилетия

Заключение

Очевидно, технологии гибких печатных плат предлагают много жизнеспособных решений, среди которых особенно перспективны решения, связанные с созданием пространственных структур межсоединений.

Возможности технологий гибких печатных плат далеко еще не исчерпаны. Список их применения растет и будет расти по мере развития электроники.

Авторы надеются, что показанные примеры использования гибких печатных плат зажгут новые идеи в умах читателей, помогая им видеть более ясный путь к решению проблем увеличения плотности межсоединений.

Литература

  1. Fjelstad J. Flexible Circuit Technology. Third Edition. Publishing Inc. USA. 2006.
  2. Медведев А. Productronica-2001. Первые впечатления // Компоненты и технологии. 2002. № 1.
  3. Акулин А. Варианты применения и конструкции гибко-жестких печатных плат // Технологии в электронной промышленности. 2007. № 5.

Статьи в журнале "Технологии в Электронной промышленности" по теме печатные платы


Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке