굽힘 신뢰성: 트레이스 기하학과 재료가 유연 수명에 미치는 영향

유연 회로 설계 작업을 하는 디자이너들과 대화할 때 가장 흔히 듣는 질문 중 하나는 "이 유연 회로는 안전하게 몇 번 굽힐 수 있나요?"입니다. 특히 웨어러블, 의료 기기, 로봇공학 또는 항공 우주 하네스와 같은 동적 유연 애플리케이션의 경우 공정한 질문입니다. 불행히도, 답은 단순한 숫자나 굽힘 비율로 나타낼 수 없으며, 설계 자체와 재료 세트에 매우 의존적입니다.

굽힘 신뢰성은 기본 재료 자체뿐만 아니라 트레이스가 어떻게 배치되었는지, 구리 유형과 두께, 그리고 보호층이 어떻게 적용되었는지에 대해서도 중요합니다. 유연 회로의 신뢰성을 실제로 좌우하는 것이 무엇인지, 그리고 디자이너가 과정 초기에 유연성을 극대화하기 위해 할 수 있는 일이 무엇인지 살펴봅시다.

주요 요약

• 유연 수명은 고정된 숫자가 아닌 설계에 따라 달라집니다. 굽힘 신뢰성은 애플리케이션이 정적인지 동적인지, 그리고 재료, 라우팅, 굽힘 반경과 같은 선택에 따라 크게 달라집니다.
• 구리와 스택업이 가장 중요합니다. 롤드 어닐드(RA) 구리, 더 얇은 구리 무게, 접착제 없는 라미네이트, 그리고 내구성 있는 커버레이는 동적 유연성에서 성능을 크게 향상시킵니다.
• 스마트 라우팅은 스트레스를 줄입니다. 날카로운 각도, 직각 교차, 집중된 비아를 피하는 곡선형, 균등하게 배치된 트레이스는 굽힘 내구성을 크게 향상시킵니다.
• 굽힘 반경과 스트레인 릴리프는 중요합니다. 더 큰 굽힘 반경(특히 동적 플렉스의 경우)과 커넥터 근처에 추가된 보강재나 스트레인 릴리프는 조기 실패를 방지하고 제품 수명을 연장합니다.

정적 대 동적 플렉싱

먼저, 정적과 동적 플렉싱 사이의 구분이 있습니다:

• 정적 플렉싱은 한 번 또는 몇 번 발생합니다. 좋은 예로는 스마트폰이나 항공 전자 모듈 내부에 플렉스 회로를 접어서 설치하는 경우가 있습니다. 설치되면 그대로 유지됩니다.
• 동적 플렉싱은 반복적이고 지속적인 움직임을 의미합니다. 로봇 팔, 접는 의료 기기, 또는 착용 가능한 센서를 생각해 보세요. 이러한 응용 프로그램은 제품 수명 동안 수천 또는 가능하다면 수백만 번의 굽힘 사이클을 요구할 수 있습니다.

설계가 어떤 카테고리에 속하는지 이해하는 것이 중요합니다. 이것이 트레이스 기하학과 재료 선택에 대한 규칙을 결정하기 때문입니다. 정적 응용 프로그램은 훨씬 더 많은 설계 자유를 제공하는 반면, 동적 플렉싱은 모든 세부 사항에 대해 훨씬 더 큰 제어를 요구합니다.

구리의 역할: 압연 어닐링 대 전기 도금

가장 기본적인 결정 중 하나는 구리 호일 유형입니다.

• 전기 도금(ED) 구리는 강성 PCB에서 표준 선택입니다. 이는 유전체 필름에 우수한 접착력을 제공하지만, 반복적인 구부림에 따라 균열이 발생하는 경향이 있는 기둥상 입자 구조를 가지고 있습니다.
• RA 구리: 압연 어닐링 구리의 기계적 가공 및 열처리는 균일하고 연성이 있는 입자 구조를 생성합니다. RA 구리는 반복적으로 구부려도 파손되지 않아, 동적 플렉스 디자인에 인기 있는 선택입니다.

정적 플렉스의 경우, ED 구리가 적합할 수 있으며 때로는 비용을 줄일 수도 있습니다. 하지만 시간이 지남에 따라 움직이는 것에 대해서는 RA 구리가 거의 항상 투자할 가치가 있습니다. 또한, RA 구리는 상업적으로 사용 가능한 플렉스 PCB에서 가장 자주 사용됩니다.

트레이스 기하학 및 라우팅 전략

디자이너가 제어할 수 있는 주요 요소 중 하나는 구부림 영역에서 트레이스가 어떻게 라우팅되는지입니다. 작은 조정만으로도 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

• 트레이스 폭: 더 넓은 트레이스는 스트레스를 더 잘 분산시키지만, 여러 신호가 필요한 경우, 하나의 매우 넓은 트레이스를 사용하는 것보다 여러 개의 좁은 트레이스를 균등하게 배치하는 것이 더 낫습니다.
• 균일한 간격: 구부림 영역을 통해 일관된 간격을 사용하세요. 플렉스의 한쪽 가장자리에 트레이스를 밀집시켜 라우팅하지 마세요; 이는 불균등한 구리 분포를 생성하여 스트레스 포인트를 만듭니다.
• 수직 트레이스 금지: 트레이스가 굽힘을 가로질러 교차할 때는 다른 경로가 없는 경우에만 90°에서 교차해야 합니다. 각진 또는 곡선 라우팅은 스트레스를 훨씬 더 고르게 분배합니다. 정적 응용 프로그램에서는 트레이스를 굽힘 축에 수직으로 라우팅하는 것이 최선의 방법이며, 동적 플렉스 영역에서는 곡선 스타일 라우팅이 좋습니다.
• 교대로 배치된 비아: 비아가 필요한 경우, 굽힘 영역을 가로질러 일렬로 배치하지 마십시오. 스트레스 집중을 줄이기 위해 그것들을 교대로 배치하거나 굽힘 영역에서 완전히 제거하십시오.

일반적인 지침은 굽힘과 싸우기보다는 굽힘과 "흐름"을 디자인하는 것입니다. 날카로운 모서리보다 부드러운 곡선이 항상 더 나은 성능을 발휘합니다.

구리 두께와 유연성

더 두꺼운 구리는 전기적으로 더 강하지만 기계적으로는 덜 관용적입니다.

• 1 oz 구리(35 µm)는 강성 보드에서 흔하지만 반복적인 플렉싱에는 거의 적합하지 않습니다.
• ½ oz (18 µm) 또는 ⅓ oz (12 µm) 구리가 동적 플렉스에 더 나은 선택입니다.
• 일부 초유연 설계에서는 ¼ oz (9 µm) 구리를 사용하여 굽힘 수명을 극대화할 수 있습니다.

더 두꺼운 구리를 피할 수 없는 경우, 그 레이어를 동적 굽힘 영역 밖에 유지하고 강화된 영역에 한정시키십시오.

유전체, 접착제 및 커버레이

다이얼렉트릭의 두께는 굽힘 신뢰성에서도 중요한 역할을 합니다: 더 얇은 다이얼렉트릭은 더 타이트한 굽힘 반경을 허용하지만, 전압 격리를 제한할 수 있습니다.

폴리이미드 필름이 표준이며, 접착제로 구리에 결합됩니다. 접착제 없는 라미네이트는 구리가 폴리이미드에 직접 결합되어 있어, 접착층이 깨지지 않고 스택이 더 얇기 때문에 더 나은 신뢰성을 제공할 수 있습니다.

커버레이 대비 유연한 솔더마스크의 선택: 

• 커버레이는 폴리이미드와 접착제로 만들어져 기계적 및 화학적으로 구리를 보호하지만, 제대로 설계되지 않으면 접착제가 패드로 스며들 수 있습니다.
• 유연한 솔더마스크는 미세 피치 패드에 대한 더 나은 정렬을 제공하지만, 동적 굽힘 하에서는 내구성이 떨어집니다.

동적 굽힘의 경우, 기계적 내구성 때문에 커버레이가 거의 항상 최선의 선택입니다.

굽힘 반경: 무시할 수 없는 설계 규칙

모든 플렉스 설계에는 최소 굽힘 반경이 있습니다-손상 없이 견딜 수 있는 가장 타이트한 곡선입니다. 보통 이것은 플렉스 두께의 배수로 정의됩니다:

• 정적 플렉스: 플렉스 PCB 두께의 6배가 종종 최소한으로 언급되며, 10배는 더 보수적인 시작점으로 여겨집니다.
• 다이내믹 플렉스: 장기 내구성을 위해 플렉스 PCB 두께의 최대 100배까지 필요할 수 있습니다.

예를 들어, 다이내믹한 응용 프로그램에서 4-mil 두께의 플렉스는 약 400 mils(0.4인치)의 굽힘 반경을 가져야 합니다. 더 타이트한 굽힘을 강제하려고 하면 플렉스의 수명이 크게 단축됩니다. 일반적으로 다이내믹 플렉스에서 더 큰 굽힘 반경은 더 긴 수명을 의미합니다.

스트레인 릴리프와 기계적 지지

최고의 재료와 라우팅 전략도 커넥터 인터페이스나 구성 요소 영역에서 플렉스 회로가 자유롭게 움직일 수 있게 된다면 성공할 수 없습니다. 보강재와 스트레인 릴리프가 이 문제를 해결합니다. 또한, 커넥터 주변에 FR-4 보강재를 추가하면 굽힘 지점을 솔더 조인트에서 멀어지게 하여, 매우 흔한 실패 지점을 이동시킬 수 있습니다.

에폭시 또는 카프톤 테이프의 필렛과 같은 스트레인 릴리프 기능은 보강된 영역과 유연한 영역 사이의 부드러운 전환을 돕습니다.

마무리

굽힘 신뢰성을 위한 설계는 타협의 연구입니다. 얇은 구리는 유연성을 증가시키지만 전류 용량을 제한할 수 있습니다. 압연 어닐링 구리는 수명을 향상시키지만 더 비쌉니다. 더 큰 굽힘 반경은 신뢰성을 연장시키지만 인클로저 제약과 충돌할 수 있습니다.

구리 종류, 트레이스 기하학, 유전체 두께, 굽힘 반경 등 어떤 레버를 당길 수 있는지 알고, 설계가 정적인지 동적인지에 따라 어떤 것을 사용할지 의식적인 결정을 내리는 것입니다.

그리고 언제나처럼, 최고의 설계는 협업에서 나옵니다. 제작자와 일찍부터 굽힘 요구 사항, 재료 옵션, 테스트 방법에 대해 논의하는 것은 최종 플렉스 회로가 제품 수명을 견딜 수 있음을 확신시켜 줄 것입니다.

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자주 묻는 질문들

플렉스 회로가 실패하기 전에 몇 번 굽힐 수 있나요?

단일 숫자로는 정할 수 없습니다. 굽힘 수명은 설계가 정적인지 동적인지, 재료 선택, 트레이스 라우팅, 구리 두께, 굽힘 반경에 따라 달라집니다. 제대로 설계된 동적 플렉스 설계는 수천에서 수백만 사이클까지 가능할 수 있습니다.

정적 플렉스 회로와 동적 플렉스 회로의 차이점은 무엇인가요?

정적 플렉스 회로는 설치 시 한 번 또는 몇 번만 구부러지고 그 후에는 고정됩니다. 동적 플렉스 회로는 웨어러블이나 로보틱스와 같이 운영 중에 반복적으로 구부러지며, 장기 신뢰성을 위해 더 엄격한 설계 규칙과 재료가 필요합니다.

동적 플렉스 설계에 구리가 선호되는 이유는 무엇인가요?

구리는 반복적인 구부림에 대해 균열을 저항하는 연성 입자 구조를 가지고 있어, 지속적이거나 순환적인 움직임이 있는 응용 프로그램에서 전기도금(ED) 구리보다 훨씬 더 신뢰할 수 있습니다.

플렉스 PCB에 사용할 구부림 반경은 얼마나 되어야 하나요?

정적 응용 프로그램의 경우 플렉스 두께의 최소 6–10배, 동적 응용 프로그램의 경우 최대 100배의 구부림 반경을 사용하는 것이 일반적인 지침입니다. 큰 구부림 반경은 특히 고사이클 설계에서 플렉스 수명을 크게 향상시킵니다.

플렉스 회로 실패의 가장 흔한 원인은 무엇인가요?

전형적인 실패 지점에는 타이트한 구부림 반경, 구부림 영역에서 두껍거나 부적합한 구리 사용, 날카로운 트레이스 모서리, 구부림 지역에 배치된 비아, 그리고 커넥터나 강화된 영역 근처에 스트레인 릴리프가 부족한 것이 포함됩니다.