Fleksikort i metervis

Frem til ganske nylig har det vært svært få, om noen, fabrikker som er i stand til å produsere fleksible trykte kretskort (FPC) på mer enn et par meters lengde. Imidlertid finnes det nå nye produksjonsteknikker som muliggjør design og produksjon av flerlags FPC av nær sagt ubegrenset lengde. Dette åpner en verden av nye applikasjoner som tidligere måtte betjenes med bruk av konvensjonelle og klumpete kabelmatter.

Viktig produkt

Fra et konsept som først ble vist av oppfinneren Albert Hanson i patenter fra 1902 og 1903, har FPC utviklet seg til et globalt marked verdt milliarder av dollar. Betegnelsen ”trykte kretskort” er imidlertid noe villedende, ettersom FPC, som sine stivere motsatser, produseres ved hjelp av en subtraktiv prosess der kobber blir kjemisk etset av substratet, mens de ledende kretselementene blir liggende igjen. De blir dermed ikke trykket på substratet, så FPC bør vel å merke ikke forveksles med nyere innovasjoner innen trykte elektronikkretser (a la for eksempel Thinfilm).

Fleksikort

Substrater lages av forskjellige materialer. Polyestere og polyimider har vært populære, men andre avanserte polymerer er i ferd med å vokse frem, spesielt termoplastiske versjoner som kan lamineres på stoff eller fungere ved svært høye temperaturer.

FPC-substrater kan være enkelt- eller dobbelsidig, eller for forbindelse med høyere tetthet, flerlags. Fleksible flerlagskort er typisk utformet fra flere enkelt- eller dobbeltsidige fleksible kretser, bondet sammen med ledende og isolerende lag og gjennomplettert for å danne en  komplett, sammenkoblet enhet.

Statiske eller dynamiske

I bruk kan fleksible kretser være statiske eller dynamiske. De kan ”bøyes på plass” i den påkrevde kapslingen, og dermed gjøre det mulig å integrere komplekse kretser i kurvede og aerodynamiske strukturer. Alternativt kan en krets bøyes under bruk i en dynamisk applikasjon, slik som ved forbindelse gjennom en hengslet struktur, som en bildør.

Besparende

En enkelt FPC kan erstatte ikke bare flatkabler, diskret kabling eller komplekse kabelmatter, men også kontakter og konvensjonelle, stive kretskort (PCB). FPC sparer vekt og plass, og reduserer ofte kostnader samtidig som ytelsen forbedres. I tillegg, ved å dra nytte av FPC-teknologiens tredimensjonale egenskaper, kan kretsene brettes og formes til å passe i spesifikke formfaktorer, noe som i mange tilfeller vil være umulig å få til med konvensjonelle kretskort og kabler.

Stort spenn

FPC brukes i hele spekteret av elektroniske og elektriske produkter: Biler, forbrukerelektronikk, medisinsk utstyr, underholdningsprodukter, IT- og industriutstyr, osv. De brukes i utstrakt grad i håndholdte enheter som spillkonsoller, bærbare PCer, smarttelefoner og kamera. Bryststropper og armbånd for sport- og helsedingser er åpenbare, kroppsnære applikasjonseksempler. Men de anvendes også i bittesmå enheter, som høreapparater, pacemakere og medisinpumper. Svært tynne, fleksible substrater har også gjort det mulig å lage hudplastere for overvåking av blodsukker eller for medisindosering. I industrien finnes det smarte etiketter med RFID-kretser for sikkerhet, anti-forfalsking og transportlogistikk/-sporing.

Noen fordeler ved fleksible kretser

Plassbesparende: Svært tynne dielektriske substrater, noen ned til 25µm eller mindre, kombinert med deres planare egenskaper, gjør det mulig å bonde kretsene til eller inne i strukturen til et produkt.

Vektbesparende: Den korresponderende vektreduksjonen er selvforsterkende, ettersom det kreves færre kontakter og festepunkter. Mindre ledere og redusert kobberinnhold bidrar også.

Anvendelighet: FPC kan kundespesifiseres til å bøyes, brettes og tilpasses kapslinger av enhver form.

Robust: Robuste forbindelser sammenlignet med kabelmatter, ettersom de flate folielederne i FPC bedre kan dissipere varme, og frakte mer strøm enn tilsvarende runde ledere. Færre grensesnittforbindelser øker påliteligheten. Fysisk mer motstandsdyktig mot støt og vibrasjoner enn stive kretskort.

Høyere driftstemperatur: Termisk stabilitet er bedre, spesielt med polyimidmaterialer, noe som gjør at kretsene tåler mer ekstrem varme enn stive kretskort. Termisk mistilpasning reduseres også.

Krysstale og støy: Disse blir enklere å håndtere ved hjelp av et enhetlig ledermønster i flekskretsen. Jordplanopsjoner inkluderer lettvekts kryssede-, massivt kobber-, aluminium- eller lette skjermingsfilmer. Stiftede vias og interne skjermingsskinner kan gi 360o skjerming, med pletterte vias langs hele kretsens lengde.

God EMC-ytelse: redusert utstrålt støy på grunn av den reduserte jordsløyfen som skjermingslederne skaper,  og bedre egenskaper med hensyn til overføringstap i differensiell modus.

I databussapplikasjoner oppnås mer kontroll over impedanskarakteristikkene, redusert overføringstap og lavere utstråling, takket være kortere returledere for strømmen.

Enklere, mer pålitelig installasjon: Raskere sammenstilling av færre komponentdeler, forbedret repeterbarhet med mindre manuell innblanding, intet behov for kabling etter fargekoder. Dette resulterer i lavere installasjonskostnader, redusert risiko for feilvare under sammenstilling og færre feil under drift.

Produksjonsprosessen IHT – og de nye applikasjonene

Som nevnt tidligere har den fysisk produserbare lengden på flerlags FPC begrenset bruken i mange applikasjoner. Lengden har typisk vært begrenset til 610mm, selv om det riktignok finnes enkelte produsenter som er i stand til å produsere kretser på noen få meter.

En patentert prosess kjent som Improved Harness Technology (IHT) er nå i stand til å takle disse begrensningene. IHT er en rull-til-rull produksjonsprosess som ikke bare muliggjør produksjon av flerlags FPC i en hvilken som helst lengde, men som også gjør den kosteffektiv i kraft av sin maskinintensive natur.

Rull-til-rull

I konvensjonell FPC-produksjon er prosesstrinn som boring, mønsteroverføring, pressing og plettering basert på utstyr som typisk anvender statiske prosesser. IHT anvender spesielt tilpasset utstyr og kundespesifisert programvare for å realisere de dynamiske prosessene som kreves for å produsere FPCer med ubestemt lengde. I tillegg bruker IHT-prosessene materialer på rull, i motsetning til paneler og ark med fast størrelse.

Designprosessen

Nøye analyse og planlegging er påkrevet før man går løs på implementering av FPC. Under kravspesifikasjonen må kunden samarbeide tett med produsenten for å sikre at en FPC faktisk egner seg for applikasjonen. I tillegg, for å sikre at sluttproduktet fungerer som det skal, bør man følge en detaljert designprosess som dekker kravene til sluttproduktet, det tiltenkte driftsmiljøet, pakkekonfigurering, mekaniske og elektriske karakteristikker samt sammenstillingsmetode. Utkommet fra denne prosessen vil ivareta spesifikasjonen som FPC-produsenten krever for å validere designet og levere riktige pristilbud.

Bestykkes med komponenter

Med IHT retter Trackwise seg hovedsakelig mot erstatning av konvensjonelle kabelmatter, der påmonterte komponenter begrenser seg til kontaktene. De lange FPCene som IHT-prosessene genererer er derimot som mønsterkort å regne, og kan bestykkes med komponenter enten med hullmonterings- eller overflatemonteringsteknikker, og på den måten lage ”smarte kabelmatter”.

Sparer plass og vekt

I dag utnytter i økende grad bil-, luftfarts- og telekommunikasjonsindustriene fordelene ved FPC. Som erstatning for store, tunge og komplekse kabelmatter brukes fleksible kretser nå for å møte plass- og vektbegrensningene til det økende antall innebygde systemer. 

I biler, for eksempel, har elektronisk styrte funksjoner økt eksponensielt de siste årene. Det kan være alt fra 30 til 100 elektroniske styreenheter i dagens kjøretøy, og som dekker alle aspekter fra motorstyring til passiv og aktiv sikkerhet, og passasjerkomfort. Luksusmodeller kan inneholde opp til 1.500 kobberledninger på flere kilometer totalt, som alle trenger å forbindes på en eller annen måte. Andelen vil bare øke i takt med implementeringen av  elektriske og selvkjørende biler. 

Den sivile luftfartssektoren følger mye av de samme trendene. I enhver flymaskin er vektbesparelser spesielt viktig, ettersom det påvirker driftskostnader og utslipp.

Fra nese til hale

IHT gjør det mulig å lage en enkelt, fleksibel kretsstruktur som kan spenne over flyvingene eller nå fra nese til hale. Man oppnår viktige fordeler både på system- og subsystemnivå, ettersom FPCen blir et subsystem i seg selv. IHT gjør det også mulig å integrere distribuert elektronikk, som sensor- og signalkondisjoneringsfunksjoner, i kretsen. Dette skaper smarte internforbindelser som erstatter forbindelser i form av passive kabelmatter fullstendig.

Store besparelser

Innenfor luftfartsapplikasjoner har fleksible kretser vist seg å kunne redusere vekt med opp til 75% sammenlignet med tradisjonelle kabelmatter.

En nyere anvendelse av IHT involverer en 10m lang, 6-lags, kurvet matte for et kommersielt passasjerfly. Andre luftfartsprosjekter omfatter en 42m flerlagskrets for en kraftoverføringsmatte til et utrullbart solcellepanel til et romfartøy, og en 26m lang skjermet FPC for overføring av signaler og kraft over vingespennet til en ubemannet flymaskin (UAV).

Applikasjoner for elektriske kjøretøy er også i vekst. Her forventes FPC produsert med IHT-prosesser å bli anvendt i høy- og lavspenningsmatter for batteripakker. Her kan FPCen kombinere kretser for kraft, styring og overvåking.

Konklusjon

Med trenden mot bærekraft og miljøvern er det forventet mange nyvinninger innen bil- og luftfartsindustriene. Fremtidige prosjekter omfatter elektriske kjøretøy, UAVer, mer effektive flymaskiner og satellitteknologi. Disse og andre, inkludert medisinske og industrielle områder, vil dra nytte av design og produksjon av fleksible kretser i ubegrensede lengder.