Tähän asti käytössä olleet valmistustekniikat ovat mahdollistaneet enintään muutaman metrin pituisten taipuisien painettujen piirien tuotannon. Nyt on kuitenkin kehitetty valmistustekniikoita, joilla voidaan suunnitella ja tehdä minkä pituisia monikerroksisia, taipuisia piirejä tahansa.

Alun perin keksijä Albert Hansonin vuosina 1902 ja 1903 patentoituun konseptiin perustuvat FPC-piirit (flexible printed circuit) ovat saavuttaneet monen miljardin dollarin arvoiset markkinat maailmassa tänä päivänä. Terminä ”painettu piiri” on hieman harhaanjohtava, koska FPC-piirit samoin kuin jäykät vastineensa painetut piirilevytkin (PCB) valmistetaan suodattavassa (subtraktisessa) prosessissa, jossa kuparia kemiallisesti syövytetään pois alustalta/substraatilta siten, että jäljelle jäävät ainoastaan johtavat piiriosat. Johtimia ei siis varsinaisesti paineta substraatin pinnalle, joten FPC-piirien valmistusta ei pidä sekoittaa uusimpiin innovaatioihin painetun elektroniikan saralla.

Substraatteja valmistetaan erilaisista materiaaleista. Polyesterit ja polyimidit ovat olleet suosittuja materiaaleja, mutta yleistymässä on myös kehittyneempiä polymeerimateriaaleja, erityisesti termoplastisia versioita, joista voidaan tehdä kerrostettuja rakenteita tai jotka kestävät hyvin suuria lämpötiloja.

FPC-piirit voivat olla rakenteeltaan yksi- tai kaksipuolisia tai monikerroksisia tiheitä liitäntärajapintoja varten. Monikerroksiset FPC-piirit toteutetaan tyypillisesti useista yksi- tai kaksipuolisista taipuisista piireistä, jotka liitetään toisiinsa johtavilla ja eristävillä kerroksilla ja varustetaan läpimetalloiduilla rei’illä liitäntöjen muodostamista varten.

Kuva 1: Monikerroksisen FPC-piirin tyypillinen rakenne.

Sovelluksesta riippuen taipuisat piirit voivat olla staattisia tai dynaamisia. Ne voivat olla taivutettuja sopimaan haluttuun koteloon mahdollistaen piirikokonaisuuden mahduttamisen koteloon kaartuvana ja virtaviivaisena rakenteena. Vaihtoehtoisesti liikkeelle altistuvassa suunnittelussa piiri on muotoiltavissa toimimaan liikettä mukailevasti esimerkiksi saranoinnin läpi vaikkapa auton ovesta koriin.

Yksittäisellä FPC-piirillä voidaan korvata lattakaapelin, erillisjohdotuksen tai johdinsarjojen muodostaman kokonaisuuden lisäksi myös liittimet ja jopa perinteiset jäykät PCB-kortit. FPC-piirit ovat keveitä, tilaa säästäviä ja usein kustannuksia säästäviä, ja samalla piirien suorituskyky paranee. Lisäksi etuna on FPC-teknologian tarjoama kolmiulotteisuuden tuntu, jolloin piirit voidaan taivuttaa ja muotoilla erilaisiin muotovaatimuksiin sopiviksi, mitä ei ole mahdollista tehdä perinteisillä PCB-korteilla ja kaapeleilla.

Taipuisilla piireillä voidaan korvata johdinnippujen kasautumia ja ne saadaan siististi sovitettua auton osien, kuten lamppujen ja ovien runkorakenteiden yhteyteen(ks. kuva 2 vasemmalla).

FPC-teknologia soveltuu käytettäväksi laajalla rintamalla elektroniikassa ja sähkötuotteissa: autoelektroniikassa, kulutuselektroniikassa, lääkintälaitteissa, viihde-elektroniikassa, tietotekniikassa ja teollisuuden laitteissa. FPC-piirejä käytetään paljon kannettavissa laitteissa kuten pelikonsoleissa, sylikoneissa, älypuhelimissa ja kameroissa. Puettavista sovelluksista yleisimpiä ovat liikunnan ja kunnon seurannassa käytettävät sykevyöt ja rannekkeet. Niitä käytetään myös hyvin pienikokoisissa laitteissa kuten kuulolaitteissa, sydäntahdistimissa ja lääkepumpuissa.

Erittäin ohuet taipuisat substraatit soveltuvat myös ihoon kiinnitettäviin laastareihin, joilla seurataan veren sokeripitoisuutta tai annostellaan lääkeainetta ihon läpi. Teollisuuden turvallisuussovelluksissa ja väärennösten jäljittämisen seurannassa sekä kuljetusten logistiikan ja seurannan sovelluksissa käytetään RFID-piireillä varustettuja älytarroja, jotka on toteutettu FPC-teknologialla.

FPC-teknologian tarjoamia etuja

• Tilan säästö: hyvin ohuet, jopa alle 25 mikrometrin tasomaisesti kytkettävissä olevat dielektriset substraatit, joihin voidaan liittää elektroniikkapiirejä tuotteen rakenteeseen sopivalla tavalla.

• Painon säästö: paino kevenee, koska tarvitaan vähemmän liittimiä ja sovittimia. Pienemmät johtimet sisältävät vähemmän kuparia, mikä edelleen vähentää painoa.

• Monipuolisuus: FPC-piirit ovat asiakaspiirejä, jotka ovat taivutettavissa, käännettävissä ja sovitettavissa minkä tahansa muotoiseen kotelointiin.

• Kestävyys: kestävämmät liitännät kuin johdinsarjoissa, sillä FPC:n litteissä ohutkalvojohtimissa lämpöä siirtyy paremmin pois ja virtaa kulkee enemmän kuin vastaavissa pyöreissä johtimissa. Pienempi liitäntöjen tarve lisää luotettavuutta. Fyysisesti kestää enemmän värähtelyjä ja iskuja kuin jäykkä PCB-levy.

• Suuri toimintalämpötila: terminen stabiliteetti on hyvä, erityisesti polyimidimateriaaleilla, jolloin FPC-piiri kestää paremmin äärimmäisiä lämpötiloja kuin jäykkä PCB-piiri. Lämmöstä aiheutuvat sovitusongelmat myös vähenevät.

• Ylikuuluminen ja kohina: ovat helpommin hallittavissa taipuisan piirin yhtenäisessä johdinkuviossa. Maatasoksi voidaan valita kevyt tiiviisti kuparilla ristiviivoitettu alumiini tai kevyt suojauskalvo. Koko FPC-piirin pituiset läpiviennit ja sisäiset suojauskiskot tuottavat 360° suojauksen.

• Hyvät EMC-ominaisuudet: syntyy vähemmän säteilyä, koska suojausraitojen ansiosta maasilmukat ovat pienempiä, ja vaste differentiaalimuotoisille siirtohäviöille on parempi.

• Dataväyläsovelluksissa hyvin hallittavissa olevan impedanssivasteen ansiosta aiheutuu vähemmän siirtohäviöitä ja kenttäsäteilyä, koska virran paluureitit ovat lyhyempiä.

• Helppo ja luotettava asennus: pienemmän komponenttimäärän ansiosta nopea asennus, helppo toistettavuus (manuaalista asennusta tarvitaan vähän), ei tarvetta johdotusten värikoodaukselle. Tuloksena ovat edullisemmat asennuskustannukset, asennuksen laadun paraneminen ja toiminnan varmuuden paraneminen.

Kehittynyt johdinsarjojen valmistus

Kuten jo mainittiin, on monikerroksisten FPC-piirien yleistymistä monilla sovellusalueilla rajoittanut se, että valmistusteknisistä syistä johtuen niitä ei ole voitu tehdä riittävän pitkiksi. Tyypillisesti on pystytty valmistamaan 610 millimetrin pituisia piirejä ja onpa jokunen valmistaja tehnyt jopa muutaman metrin pituisia piirejä.

Patentoitu IHT-teknologia, kehittynyt johdinsarjojen valmistusteknologia, mahdollistaa pitkien FPC-piirien tuotannon. IHT on rullalta rullalle tapahtuva tuotantoprosessi, jolla voidaan valmistaa minkä tahansa pituisia monikerroksisia FPC-piirejä ja jossa tuotantokustannukset ovat edulliset automaation ansiosta.

Perinteisessä FPC-valmistuksessa prosessivaiheet kuten poraus, kuvantaminen, painanta ja päällystys suoritetaan tavallisesti staattisia prosesseja käyttävillä laitteilla. IHT:ssä hyödynnetään sovitettuja laitteistoja ja asiakasohjelmistoja, joilla aikaan saadaan tarvittava dynaaminen prosessi määrittelemättömän pituisten FPC-piirien valmistamiseksi. IHT-prosesseissa käytetään rullamuodossa olevia materiaaleja kiinteän kokoisten materiaalilevyjen sijaan, mikä on useimpien materiaalien yleisempi toimitusmuoto.

On tarpeen suorittaa huolellinen analyysi ja suunnittelu ennen kuin ryhdytään toteuttamaan FPC-projektia. Vaatimusten määrittelyssä asiakkaan kannattaa tehdä läheistä yhteistyötä valmistajan kanssa, jotta voidaan taata, että saadaan juuri kyseiseen sovellukseen sopivin FPC-ratkaisu. Jotta voidaan varmistua, että lopputuote toimii halutulla tavalla, laadittua suunnitteluprosessia pitää noudattaa yksityiskohtaisesti, niin että saadaan katetuksi lopputuotteelle asetetut vaatimukset, haluttu toimintaympäristö, koteloinnin rakenne, mekaaniset ja sähköiset ominaisuudet sekä kokoonpanomenetelmä. Tämän prosessin tuloksena FPC-valmistaja saa käyttöönsä tarvittavat speksit, joiden pohjalta se voi arvioida suunnittelua ja antaa asianmukaisen arvion kustannuksista.

IHT-teknologiaa hyödyntämällä Trackwisen päämääränä on korvata perinteiset johdinsarjat, joilla komponenttien liitännät tapahtuvat liittimien avulla. IHT-prosessilla toteutettavat pitkät FPC-piirit ovat kuitenkin itse asiassa PCB-levyjä, jotka voidaan kalustaa komponenteilla käyttäen joko PTH- tai SMT-tekniikoita, ja tuloksena saadaan ”älykkäitä” johdinsarjoja.

Tänä päivänä autoelektroniikka-, ilmailu- ja tietoliikennealan teollisuus hyötyy kasvavassa määrin FPC-piirien tarjoamista eduista. Laajat, painavat ja kompleksiset johdinsarjat voidaan korvata taipuisilla piireillä, jolloin tiukat tilantarvetta ja painoa rajoittavat vaatimukset saadaan käytettyä määrältään yhä lisääntyvissä ohjaamo- ja matkustamojärjestelmissä.

Esimerkiksi autoissa elektroninen ohjaus on lisääntynyt eksponentiaalisesti viime vuosina. Nykyisissä ajoneuvoissa voi olla 30-100 elektronista ohjausyksikköä mitä moninaisimmissa tehtävissä moottorin ohjauksesta, passiivisista ja aktiivisista turvajärjestelmistä matkustusmukavuudesta huolehtiviin järjestelmiin. Luksusmalleissa saattaa olla 1500 kuparijohdinta, joiden yhteispituus voi lähestyä kahta kilometriä, ja kaikki nuo johtimet vaativat omat liitäntänsä. Liitäntöjen tarve tulee vastaisuudessa entisestään kasvamaan sähköautojen ja autonomisesti liikkuvien autojen yhä yleistyessä.

Saman suuntainen trendi pätee siviili-ilmailun alalla. Paino on ratkaisevin tekijä jokaisen ilma-aluksen yhteydessä, sillä mitä painavampi se on, sitä suuremmat ovat operointikustannukset ja päästöt.

IHT-teknologialla voidaan yhdellä taipuisalla piirirakenteella toteuttaa lentokoneen siipivälin kattava tai keulasta pyrstöön ulottuva kokonaisuus. Merkittäviä osajärjestelmä- ja järjestelmätason etuja saavutetaan, kun FPC itsessään muodostaa osajärjestelmän. IHT mahdollistaa myös elektroniikan hajauttamisen esimerkiksi integroimalla FPC-piirille tunnistuksen ja signaalin käsittelyn toimintoja. Tällä tavoin aikaan saadaan älykäs liitäntä, jolla helposti korvataan passiivisilla johdinsarjoilla toteutettavat liitännät.

On osoittautunut, että ilmailusovelluksissa painoa saadaan tippumaan jopa 75 prosenttia, kun käytetään taipuisia piirejä perinteisten johdinsarjojen sijasta.

Yhtenä IHT-sovelluksena voidaan mainita kaupallisiin ilma-aluksiin tarkoitettu kymmenmetrinen, kuusikerroksinen, lentokonevaatimukset täyttävä johdinkokonaisuus. Muita mainittavia ilmailuprojekteja ovat 42-metrinen monikerrospiiri avaruusaluksen aukirullattavan aurinkopaneelin tehonsiirron johtimille ja 26-metrinen suojattu FPC miehittämättömän ilma-aluksen (UAV) siipivälin kattavaan tehon ja signaalien siirtoon.

Kuva 3: Miehittämättömään ilma-alukseen tarkoitettu 26 metrin pituinen monikerroksinen taipuisa painettu piiri.

Suosiotaan ovat lisäämässä myös sähköautoihin tarkoitetut sovellukset, joissa IHT-prosessilla tuotettuja FPC-piirejä ollaan ottamassa käyttöön sähköautojen akustojen tarvitsemissa suur- ja pienjännitejohdinsarjoissa. Näissä sovelluksissa FPC-piireillä voidaan yhdistää toisiinsa teho-, ohjaus- ja valvontapiirejä.

Yhteenveto

Kestävän kehityksen ja ympäristönsuojelun nimiin vannominen on vauhdittamassa monin tavoin autoelektroniikan ja ilmailualan markkinoiden kehittymistä. Tulevaisuudessa projekteja on tarjolla yhä enemmän sähköautojen, miehittämättömien lennokkien ja ilma-alusten, tehokkaampien lentokonemoottorien ja satelliittiteknologian parissa. Niiden lisäksi myös lääkintä- ja teollisuuslaitteet ovat alueita, jotka hyötyvät määrittämättömän pituisten taipuisien painettujen piirien suunnittelusta ja valmistuksesta.