Spoje jsou navrženy tak, aby byly schopné spolehlivě snést miliony ohybů bez poruchy a aby se vešly do míst, kam nelze umístit jiné spoje. Při srovnání těchto spojů s tradiční kabeláží jako montážního prostředku a při zhodnocení různých aspektů , lze objevit mnohé výhody, ale i nevýhody oproti tradičnímu propojování.

Přednosti

• Úspora hmotnosti a místa
• Ohebnost umožňující snazší instalaci a servis
•  Snadné dodržení  požadované impedance
• Vysoká spolehlivost a zejména reprodukovatelnost
• Možno využít i pro tepelné oddělení
• Vyloučení konektorů
• Umožňuje dodržení jednotných elektrických charakteristik pro vysokorychlostní obvody
• Omezení montážních nákladů

Úspora nákladů

Pokud již na počátku, ve fázi návrhu, se vezmou v úvahu propojovací požadavky koncového výrobku a možnosti ohebných spojů, je možné výrazně snížit náklady na zapojování. Samozřejmě je nutné respektovat rozmístění vývodů na konektorech a součástkách. Ne vždy se podaří navrhnout desky či pásy ohebných spojů tak, aby byly součástí již počátečního řešení. To však není tak vážný problém, protože je možné je postupně zavádět i do již existujících návrhů.

Při porovnání nákupní ceny ohebných spojů s klasickými vodiči či lanky je zde nepoměr ve prospěch  běžných propojovacích materiálů.  Avšak tyto počáteční náklady jsou vyváženy úsporami při montáži, kdy odpadá řada operací souvisejících s pokládáním vodičů, případným odizolováváním konců a hlavně kontrolou správnosti vedení.

Definice ohebných spojů

Jednoduše řečeno ohebné spoje představují pole vodičů uspořádaných na tenkém dielektrickém filmu. Nabízí se tak jedinečná možnost k vytvoření prostorových obvodů, či víceplošných konfigurací. Samozřejmě není nutné se omezovat na pouhé rovné pásky, ale je možné vyrobit jakékoliv tvary podobně jako u běžných plošných spojů. Podle volby nosného materiálu lze získat spoje s různými mechanickými vlastnostmi od pružných, které snesou malé občasné pohyby, až po ty určené pro trvalé ohýbání. Tedy od vyrovnávaní dilatací pevných desek až po výklopná zařízení.

Zjednodušení obvodů a kvalita signálu

Konvenční metody spoléhají při propojování nejrůznější kabely, vodiče, konektory a svorky. Každý kabel s konektory na obou stranách však představuje dva přechodové odpory, navíc s rizikem úplné ztráty kontaktu. Každý přechod mezi plošným spojem a kabelovým svazkem pak představuje navíc impedanční nehomogenitu, která může mít zhoubný vliv na kvalitu signálu, zejména při větším počtu přechodů či vyšších pracovních kmitočtech. Redukce mechanických konektorů znamená ve výsledku elektricky čistší cestu signálu a snížení poruch jež jsou s těmito konektory spojeny. Tak třeba v počítačovém průmyslu vzrůstají nároky na kontrolu impedancí a malou degradaci signálu s taktovacím kmitočtem procesoru 100MHz a výše. Teoreticky lze ohebnými spoji zvládnout kmitočty v řádu GHz.

Následující příklad ilustruje některé výhody, spojené s použitím ohebného spoje. 1 m dlouhý kabel propojující dva hlavní počítače pro připojení sítě byl nahrazen ohebným plošným spojem, hlavně z důvodu velikosti a spolehlivosti spojení. Kabelové vedení sestávalo z kombinace osmi svazků stíněných vodičů o 11 kabelových párech, každý svazek zakončený do konektoru 100 mm. Toto vytvořilo velmi objemný systém o průměru 50 mm, vyžadující modifikaci výklopných přístupových dveří. K jeho nahrazení byla navržena kombinace pevného a ohebného šestivrstvého spoje. Dvě krajní uzemněné vrstvy vodičů stínily kroucenou dvoulinku zatímco dvě vrstvy s průchozími otvory umístěnými na koncích poskytovaly rozhraní a podporu pro konektory. Pohyblivý plošný spoj byl 50 mm široký, 0,7 mm tlustý (v pružných partiích), 1,6 mm na koncích konektoru a 900 mm dlouhý. Náklady na sestavení vodičů byly  $376 za každý, zatímco ohebný plošný spoj byl prodáván za méně než $200 za kus.

V řadě aplikací lze tyto problémy vyloučit, nebo alespoň omezit, právě použitím přechodů mez pevnými deskami individuálně navrženými ohebnými plošnými spoji, které pak tvoří integrální součást celého obvodu. Ohebný spoj, v tomto případě vlastně samostatný obvod, se připojuje k pevné desce jako součást vnitřní vrstvy. Celá sestava tak tvoří jeden obvod a lze ji zpracovat běžnými programy pro počítačové navrhování.

Pevné zapojování nebo pájení ohebných spojů přímo do spojového obrazce pevné desky je další způsob jak vyloučit mechanické konektory.

Tam, kde je požadována z jakéhokoliv důvodu rozebíratelnost, je samozřejmě nezbytný konektor. Pro tyto účely existuje celá řada nejrůznějších typů, které vesměs respektují specifické vlastnosti ohebných spojů.

Jedním z prvních průmyslových odvětví, kde byly využívány výhody ohebných spojů  pro zjednodušování kabeláží byl průmysl automobilový. Ohebné plošné spoje jsou nyní běžně užívány jako náhrada za svazky vodičů nacházejícími se pod karoserií. Dříve se tyto svazky skládaly z nepřehlédnutelného množství vodičů a konektorů, které byly náročné na montáž, prostor a které byly náchylné k nesprávnému zapojení. V současnosti jsou tyto svazky nahrazeny ohebnými plošnými spoji a automobilový průmysl se tak pro ně stal jedním z největších odbytišť.

Prostor a váha

Ohebné plošné spoje jsou nejtenčí technologií pro propojování. Tloušťka základního nosného dielektrického filmu bývá kolem 0,1 mm, ale i méně. Vrstva mědi se pohybuje podle účelu mezi 0,015 mm až 0,07 mm, tedy shodně jako u normálních desek. Pro šířku vodiče a mezery pak platí stejné zásady jako pro pevné desky. Tam kde mají tyto spoje nahrazovat běžné vodiče  bývají rozteče vodičů větší, právě s ohledem na větší průměr izolací PVC.

V mnoha aplikacích je prostor a hmotnost podstatným parametrem a tak ohebné plošné spoje jesou jedinou možnou variantou. Na příklad u laptopů jde o propojení základní desky s displejem. Spoj musí mít takovou velikost, aby se vešel do kloubu s prostorem menším než 6 mm, navíc musí vydržet ohnutí v úhlu 130° přes pevnou kostru pokaždé, když se laptop otvírá. Je zřejmé že jen ohebný plošný spoj je schopen splnit všechny požadavky jak co do kvality propojení, hmotnosti, objemu tak i životnosti.

Další aplikací, kde velikost a hmotnost je kritickým parametrem je připojení pohyblivé hlavy diskové jednotky. Zde používané jednostranné ohebné spoje s jemnou roztečí linek jsou nutné právě pro svoji malou hmotnost a rozměry.

Teplotní a mechanické vlastnosti

Ohebné spoje se běžně hodí do různých elektrických, teplotních a mechanických prostředí. Na příklad zmiňovaný obvod diskové jednotky se pohybuje po rotující desce vpřed a zpět milionkrát. Při tom musí být zaručen bezchybný přenos dat v jakékoliv poloze ohebného plošného spoje. Co e týče teploty, je spoj vystavován teplotám, které se vytvoří uvnitř pouzdra diskové jednotky. Mechanicky působí spoj jako pružina působící buď odpor nebo podporující pohyb. Návrhář musí vzít v úvahu zde elektrické problémy zastíní mechanické či teplotní a které z nich budou dominantní.Při podobných komplexních úlohách je obvykle již nutná úzká spolupráce s výrobcem desek plošných spojů i nosného materiálu. Jedině tak lze dohodnout nejlepší řešení.

Pokud je hlavním hlediskem kontrola impedance pak jsou nejvýznamnější elektrické vlastnosti spoje a jeho poloha v prostředí. Pro statické aplikace lze impedanci u pevných i ohebných desek s vysokou jistotou poměrně přesně spočítat z parametrů nosného materiálu a rozměrů spoje. Při ohýbání spoje  nebo dynamicky ohebných aplikací to však může být komplikovaná a tím i finančně náročná záležitost.

Podobně speciální aplikace je pohyblivé připojení IR snímače pracujícího při extrémně nízkých teplotách k elektronice pracující při běžných teplotách.. Rozdíl teplot mezi kryogenním a normálním prostředím může dosahovat až 240°C. a to musí spoj zvládnout. Pro minimalizaci vlivu rozdílných teplot a snížení tepelné vodivosti spoje je používán na vodivou vrstvu konstantan ve spojení se standardním polyamidovým filmem. Výsledkem je systém který vyžaduje méně kryogenního chlazení při zachování vysoké elektrické vodivosti pro přenos signálu ven do ostatních zařízení detektoru.
U spojů  určených pro přechody z vakuového do normálního prostředí a naopak může nastat problém s vlhkostí a odplynovávání. V tomto případě je vhodné použít jiné základní materiály s lepšími chemickými a mechanickými vlastnostmi než má běžný polyamidový film. Tyto jsou však náročnější na výroby a tím i dražší. Jde na příklad o PTFE, FEP. Další možností je samozřejmě jiné konstrukční řešení které vyloučí vliv střídání vakua s normálním prostředím na spojovací vodiče.

Výběr některých parametrů ohebných spojů fy. ONPRESS PRINTED CIRCUITS LTD.

Typy ohebných spojů

Ohebné plošné spoje jsou vyráběny z různých materiálů a pomocí různých technik, vhodných pro tu kterou aplikaci. Mohou být jedno- nebo vícevrstvé, či kombinace pevných a ohebných. Faktory jako cena, stálost a dynamická (nepřetržitá) ohebnost pak určuje typ materiálu, jež je použit výrobcem pro výrobu ohebného spoje.

Především jsou zde čtyři základní typy ohebných spojů: jednostranný, dvoustranný, vícevrstvý a kombinace pevného s pohyblivým. Jednostranné se skládají z jedné vodivé vrstvy a představují nejjednodušší typ ohebných spojů. Jsou nejlevnější a vyráběné v největším množství a sortimentu. Jsou rovněž jediné schopné zvládnout požadavky dynamické ohebnosti, jako jsou hlavice tiskáren nebo diskové jednotky v počítačovém odvětví. Vícevrstvé ani dvoustranné ohebné spoje nelze pro tyto a podobné aplikace použít protože měď vodiče je příliš mechanicky namáhána a velice rychle se opotřebí a poškodí.

Technika zvaná „double acces“ se používá k tvorbě speciálního typu jednovrstvých spojů. Tato technika umožňuje přístup ke kovovým vodičům z obou stran spoje a používá se v případě, kdy je zapotřebí pájení součástek, nebo jejich jiné propojení, z obou stran. Rovněž nejsou třeba průchozí otvory, jinak nutné u vícevrstvých spojů. Dvoustranné spoje, jak již název napovídá, představují spoje s dvěma vodícími vrstvami, které jsou obvykle přístupné z obou stran. Mnohovrstvé spoje jsou pak spoje s více než dvěmi vrstvami. Propojení vrstev se provádí většinou pomocí „průchozích otvorů“. Dvou a mnohovrstvé spoje se používají tam, kde je vyžadována vyšší hustota spojů, a kde není dynamické ohýbání. 

Kombinované spoje sdružují ohebné spoje s technologií pevných desek plošných spojů za účelem vytvoření komplexního obvodu, který má v podstatě nekonečné množství použití. Pevná místa lze použít ke zpevnění spoje v místech náchylných k opotřebení nebo jiným silám, anebo jako místo pro napojení analogových nebo digitálních zařízení. 

Surface Mount Technology

Ohebné  spoje jsou obzvláště vhodné pro technologie SMT, a to díky schopnosti spoje nabídnout připevňovací místo pro součástky bez mechanického pnutí. Termomechanické namáhání kvůli růstu teploty je stálým problémem připevňování součástek pro povrchovou montáží k běžné desce plošných spojů. Při použití ohebných spojů, pružný nosný materiál absorbuje pnutí a snižuje tak možnou poruchu pájeného bodu. Při testech podle specifikací MIL, obsahujících 1000 teplotních změn od -55 do 125°C, nezaznamenal ohebný spoj žádnou poruchu až do 2 500 cyklů, zatímco pevná deska selhala již po cca. 10. Nízká hmotnost a skladnost flexibilních spojů a SMT zařízení již poukazuje na to, že jsou pro sebe jako stvořené.

Závěr

Ohebné plošné spoje je prostředek nabízející mnoho výhod oproti tradičním způsobům propojování, a v mnoha případech je jediným možným řešením. Při rozhodování o tom,zda použít ohebné nebo tradiční spojení, je nutné zvážit několik faktorů. Pokud aplikace vyžaduje vysokou hustotu vodičů, dynamickou (nepřetržitou) mechanickou ohebnost, kontaktní plochy pro analogové nebo digitální zařízení a vysokou spolehlivost v čase, pak je pravděpodobně flexibilní spojení tou nejlepší volbou.

Pro jednoduchá spojení, nevyžadující výše popsaná kritéria, bude asi nejvhodnější použít tradiční řešení. Pro aplikace s propojeními na dlouhé vzdálenosti nebo které přenášejí vysoké napětí je nejlepší volbou tradiční kabeláž.

Na závěr je nutné poznamenat, že díky unikátní podstatě materiálů a prostředků, je nezbytné zvolit zkušené výrobce ohebných spojů a základních materiálů, kteří pak nabízí nejvyšší využití výhod této technologie. Mechanické aspekty spojů jsou při použití v ohebných prostředích často mnohem významnějším faktorem než elektrické vlastnosti a nezkušení výrobci mají vysokou pravděpodobnost vytvoření návrhu spojů, které vypadají skvěle na papíře, ale ve skutečnosti nejsou příliš účinné.

Více informací o pružných PCB naleznete v přiloženém PDF či u dodavatele, firmy CIT international.

Download a odkazy

• Domovská stránka distributora CIT international - http://www.citworld.com/
• Download podrobnější specifikace - Onpress_Flexible_Profile.pdf