Roztažné a ohebné plošné spoje

Ohebné desky plošných spojů (flex PCB) nejsou v dnešní době žádnou zvláštností. Setkáváme se s nimi např. ve fotoaparátech, myčkách nádobí, automobilech i v průmyslových aplikacích. V některých případech se skutečně jedná o ohebnou desku plošných spojů, pokud jsou přímo na ni umístěny i součástky, např. LED, jindy se jedná spíše jen o ohebné propojení mezi pevnými deskami plošných spojů nebo pevnou deskou a součástkou, většinou konektorem (flex-rigid PCB).

Ohebné desky plošných spojů jsou sice ohebné, ale nejsou roztažné (stretchable). Protože existují aplikace, kde možnost protáhnout desku se součástkami, nebo alespoň samotné plošné spoje, je potřebná, existuje celá řada pokusů a studií na téma roztažných (desek) plošných spojů. Pro nás může být zajímavé připomenout si evropský projekt STELLA, který vznikl právě za účelem zabývat se roztažnou elektronikou (stretchable electronics, stretchable printed circuits).

Projekt STELLA

V letech 2006 až 2010 proběhl projekt STELLA (STretchable ELectronics for Large Area applications) financovaný ze zdrojů EU. Pod tímto názvem se skrýval vývoj a koncepční studie roztažné elektroniky. Cílem bylo integrovat elektrické propojení komerčně dostupných součástek na roztažném materiálu, které by tak bylo nejenom ohebné, ale i roztažné. Vycházelo se přitom z úvahy, že možné aplikace takového provedení elektroniky jsou velmi rozsáhlé, zejména v oblastech tzv. nositelných technologií (wearable technologies), módních doplňků (látky se zabudovanou elektronikou, např. osvětlením či bezdrátovou komunikací), zdravotnictví a fitness (různé monitorovací jednotky) a automobilů (vnitřní osvětlení a vyhřívání).

Do tohoto projektu se zapojilo celkem 11 společností a univerzit, např. Stretchable circuits [2], Q.P.I. Circuits [3], Univerzita v Gentu [4], TU Berlin, Philips, Freudenberg, Imec a další, jejichž výsledky jsou dostupné na internetu. Příkladem volně dostupné zprávy o problematice roztažné elektroniky je např. „Stretchable Electronics for Smart Textiles“ od J. Vanfleterena [5]. Po dobu trvání projektu STELLA vycházel i zpravodaj Stella Newsletter [1].

Roztažný plošný spoj

Nejčastěji se pro zhotovení pružného vodivého spojení používá technika SCB (Stretchable Copper Board), která umožňuje využít klasické procesy z výroby elektroniky, jakými jsou laminování, výroba desek plošných spojů, osazování součástkami a testování. Jako základní materiál (substrát) slouží polyuretan, který je nejenom roztažný, ale také velmi vhodný kvůli své výborné přilnavosti k mědi.

Další výhodou použití polyuretanu je, že výrobní postup při práci s ním je z větší části stejný jako u klasických desek plošných spojů.

Povolené deformace měděného spoje při roztažení je dosaženo provedením plošného spoje v podobě meandru, kdy se natažení materiálu projeví v ohybu měděného spoje. S polyuretanovým podkladem lze plošný spoj roztáhnout až o 30 % v závislosti na zakroucení plošného spoje. Zakroucený vzor plošných spojů může být optimalizován pro požadované roztažení. Výhodou tohoto provedení desek plošných spojů není jenom to, že jsou roztažné podélně, ale že také vydrží příčné zkroucení a ohyb. Nevýhodou plošných spojů v podobě meandrů je menší možná hustota spojů na desce, protože jeden plošný spoj zabírá na šířku mnohonásobně více místa než přímý plošný spoj.

Kromě polyuretanu se s úspěchem vyzkoušel jako základní materiál roztažné desky také polyamid. Rozdíl ve vlivu na roztažnost plošných spojů položených na tyto materiály spočívá v tom, že polyamid vyžaduje delší délku zakroucení spoje v meandru než polyuretan.

Podobně jako u ohebných desek plošných spojů i zde jsou dvě možnosti – roztažné plošné spoje propojují pevné objekty (ohebné desky se součástkami či součástky) nebo jsou součástí roztažné desky se součástkami. I zde se zavádí pojem stretch PCB a stretch-rigid PCB, obdobně jako je tomu u ohebných desek (flex PCB, flex-rigid PCB).

Byly vyzkoušeny i další techniky provedení roztažných plošných spojů. Tak např. CMST na univerzitě v Gentu [4] zkoušela dvě technologie, přičemž obě využívají běžných výrobních postupů z výroby elektroniky. První způsob používá polyamid jako substrát, měděné plošné spoje a připájené, běžně dostupné součástky. Druhý způsob využívá jako substrát PET/PEN, měděné nebo natištěné stříbrné spoje a přilepené běžné součástky. V obou případech se zhotovené desky překryjí materiály, jako jsou silikon, polyuretan, termoplastické elastomery atd., aby získaly robustnost a pružné provedení. První uvedený způsob umožňuje vyrobit elektronický systém s vysokou hustotou spojů a součástek, který je však poněkud dražší. Druhý způsob provedení je zaměřen na elektroniku s nízkou hustotou spojů a součástek na velkých plochách, kde jsou výrobní náklady nižší. Tyto elastické mikrosystémy, jako jsou senzory nebo osvětlení, mohou být integrovány do textilií laminováním nebo přilepením. Během náročných testů se zjistilo, že 10% roztažení bylo pořád ještě možné i po 1 milionu cyklů protažení nebo že zařízení vydrželo bez újmy na funkčnosti i 25 cyklů praní.

Osazení roztažné desky plošných spojů součástkami je potřeba věnovat pozornost. Jednou z možností je zesílení substrátu na ploše umístění součástky nebo použití mezikusu (interposer) v podobě malého ostrůvku na roztažné desce spojů, na který může být součástka umístěna. Tyto ostrůvky mají malý dopad na roztažnost substrátu (nosné podložky).

Pokud plošné spoje roztažné části desky plošných spojů vedou i přes oblasti, které nelze roztáhnout (obr. 6), vzniká v nich v místě přechodu pnutí, které může plošný spoj předčasně poškodit. Článek z roku 2014 „Hybrid stretchable circuits on silicone substrate“ [6] se tímto problémem zabývá a popisuje i jeho možné řešení formou dvou soustředných disků umístěných v substrátu.

Výsledky

Původní zamýšlené široké spektrum aplikací roztažné elektroniky bylo na závěr projektu STELLA poněkud zredukováno na různé senzory pro zdravotnictví a nositelnou elektroniku, elektroniku v textiliích pro módní průmysl a některé aplikace pro automobily. Roztažnou elektronikou v textilních materiálech se zabývala zejména společnost Stretchable circuits [2], která byla za tímto účelem přímo založena a na jejímž vzniku se podílel institut Fraunhofer IZM a TU Berlin.

Příkladem konkrétního projektu realizovaného v rámci projektu STELLA je elektronika pro snímání aktivit určená pro nošení na lidském těle vyvinutá společností Philips, o které podrobně informuje zpravodaj STELLA [1]. Provedení v SCB technologii umožnilo nanést měděné plošné spoje na polyuretanový podklad. Elektronika sama byla rozdělena mezi 5 desek, které byly připájeny ke spojům pájkou s nízkou tavicí teplotou a vyztuženy pomocí výplně zespodu (under-fill). Plošné spoje mezi jednotlivými deskami v podobě meandru dovolovaly roztažení i ohyb podle potřeby. Robustní provedení bylo potom ověřeno náročným testováním.