Rigid-Flex의 구리 중량: 하나의 사양이 모든 경우에 통하지 않는 이유

몇 해 전, 생산에 들어가기 전에 여러 차례 설계 검토를 거친 rigid-flex 보드가 하나 있었습니다. 팀도 훌륭했고, 프로세스도 철저했으며, 겉으로 보기엔 분명한 문제도 없었습니다. 그런데 보드가 돌아왔을 때 플렉스 영역이 휘어지지 않았습니다. 전혀요. 휘어져야 할 구간 전체가 완전히 딱딱한 상태였습니다. 너무 짧은 구간에 너무 많은 레이어가 함께 적층 접합되어 있었던 것입니다.

리비전에서는 플렉스 영역에서 그 레이어들을 비접합 상태로 바꿔 각자 독립적으로 움직일 수 있게 했습니다. 그 한 가지 변화가 동작하는 보드와 동작하지 않는 보드를 가르는 차이를 만들었습니다.

그 프로젝트는 전체 보드에 단일 copper weight가 지정된 rigid-flex design을 볼 때마다 떠오릅니다. 물론 항상 잘못이라는 뜻은 아닙니다. 하지만 다시 한번 들여다볼 만한 신호인 것은 분명합니다. rigid-flex에서 copper weight는 사실 하나의 결정이 아니라 여러 개의 결정이며, 이들은 stack-up과 서로 영향을 주고받는데, 그 영향은 무언가가 의도한 대로 움직이지 않을 때까지 드러나지 않는 경우가 많기 때문입니다.

핵심 요점

• rigid-flex에서 copper weight는 영역별로 달라져야 합니다. 리지드 섹션에서 잘 작동하는 것이 플렉스 영역에서는 실제 문제를 일으킬 수 있습니다.
• 리지드와 플렉스 사이의 전이 영역에는 별도의 고려사항이 있습니다.
• Rolled annealed copper는 플렉스 애플리케이션에서 electrodeposited copper와 다르게 동작하며, 굽힘 수명이 요구사항일 때 그 차이는 매우 중요합니다.
• stack-up과 copper 사양은 따로따로가 아니라 함께 개발되어야 합니다.

리지드 영역

rigid-flex의 리지드 섹션에서는 copper weight 결정이 일반적인 PCB 관행과 매우 비슷합니다. 1온스는 흔한 시작점입니다. 전류 용량이나 impedance 요구사항 때문에 2온스를 사용하는 경우도 있습니다. 설계 규칙, 비아 구조, 도금 관련 고려사항도 유사합니다. rigid 보드를 설계해 본 사람이라면 대부분 익숙한 내용입니다.

여기서 주의할 점이 있습니다. 리지드 영역에서 선택한 copper weight는 같은 적층 시스템의 일부이기 때문에 플렉스 영역에서 구현 가능한 범위에도 영향을 줍니다. 리지드 섹션의 외층 copper가 두꺼우면, 누군가 의도했든 아니든 그 copper는 그대로 플렉스 영역까지 이어집니다. 이것이 자동으로 문제를 뜻하는 것은 아니지만, 반드시 검토해봐야 합니다.

플렉스 영역

이 영역은 copper weight 결정이 보드가 의도대로 동작하는지에 가장 직접적인 영향을 미치는 곳입니다.

더 두꺼운 copper는 더 뻣뻣한 회로를 만듭니다. 당연하게 들리지만, 실제 레이아웃에서는 그 실질적인 영향이 항상 반영되지는 않습니다. 바로 이 이유 때문에 플렉스 영역에서는 0.5온스 copper가 흔히 사용됩니다. 더 쉽게 휘어지고, 단면 전체에 걸쳐 응력을 더 고르게 분산시키며, 두꺼운 copper보다 반복적인 굽힘 사이클에서 더 잘 버팁니다. 동적 플렉스 애플리케이션에서 1온스를 쓰려면 설계를 내보내기 전에 제조사와 한 번 논의해볼 가치가 있습니다. 2온스는 굽힘 요구사항이 사실상 정적이고 전류 용량 때문에 다른 선택지가 없는 경우가 아니라면, 플렉스 영역에서는 대개 적절하지 않습니다.

copper foil 유형도 중요하며, 제가 보는 제조 도면에서 가장 자주 불충분하게 지정되는 항목 중 하나입니다. Electrodeposited copper는 대부분의 rigid 제조에서 기본값이며, 리지드 영역에서는 잘 작동합니다. 하지만 반복적으로 굽힘이 발생하는 플렉스 영역에서는 rolled annealed copper가 더 나은 선택입니다. 그 결정립 구조는 ED copper보다 플렉스 응력을 훨씬 더 잘 견디는 방향으로 형성되어 있습니다. 애플리케이션에서 굽힘 수명이 중요하다면, 플렉스 영역에 RA copper가 명시되어 있지 않은 것은 한 번 짚고 넘어가야 할 부분입니다.

트레이스 형상도 copper weight와 서로 영향을 주는데, 이것 역시 놓치기 쉽습니다. 더 얇은 copper는 동일한 임피던스 목표에서 더 좁은 트레이스를 가능하게 하고, 이는 회로와 함께 움직이는 copper 질량이 더 적다는 뜻입니다. 굽힘 축에 수직으로 트레이스를 배치하고, 직각 대신 곡선 라우팅을 사용하며, 단면 전체에 걸쳐 copper 분포를 균형 있게 맞추는 것. 모두 표준적인 플렉스 설계 관행이며, 그 아래에 적절한 copper weight가 있을 때 훨씬 더 잘 작동합니다.

전이 영역

리지드와 플렉스가 만나는 구간은 실제로 많은 rigid-flex 문제가 시작되는 지점이며, 그 이유 중 하나로 copper weight가 작용합니다. 정의상 전이 영역에는 응력 집중이 발생합니다. 회로는 구속되고 지지되는 구조에서 유연한 구조로 바뀌며, 기계적 거동은 바로 그 경계에서 급격히 달라집니다. 전이 구간을 두꺼운 copper가 지나가면 이러한 급격함은 더 심해집니다. 더 뻣뻣한 지점을 만들어 플렉스 영역이 해야 할 움직임을 방해하게 되고, 앞서 언급한 보드에서 정확히 그런 일이 벌어졌습니다. 레이어들이 전이 구간을 지나 플렉스 영역까지 서로 접합된 상태였고, copper weight는 강성을 더 키웠습니다. 그 결과, 물리적으로 휘어질 수 없는 회로가 되고 말았습니다.

여기에는 몇 가지 도움이 되는 방법이 있습니다. 리지드 섹션 경계에서 갑자기 copper weight를 높이기보다, 리지드와 플렉스 영역 사이에서 가능한 한 일관되게 유지하십시오. 높은 copper weight의 plane을 리지드 영역 끝까지 그대로 끌고 가지 마십시오. 그리고 설계가 허용한다면 전이 영역에 생각보다 조금 더 긴 물리적 길이를 주십시오. 사람들의 예상보다 거리 증가에 따라 응력 분산이 더 많이 개선됩니다.

stack-up이 확정되기 전에 제조사와 상의하기

이런 결정은 stack-up is locked 된 후보다 그 전에 올바르게 잡기가 훨씬 쉽습니다. 레이어 수, 적층 재료, copper weight가 정해지고 나면, 그중 하나를 바꾸는 것만으로도 두께, 임피던스, 심지어 어떤 제조사가 해당 보드를 만들 수 있는지까지 연쇄적으로 영향을 받습니다.

초기에 물어볼 만한 질문은 이렇습니다. 플렉스 제작에서 표준으로 사용하는 copper foil 유형은 무엇인지, RA copper를 지정하면 리드타임이나 비용에 어떤 영향이 있는지. 해당 굽힘 요구사항에서 가장 자주 보는 copper weight는 무엇이며, 어디에서 문제가 발생했는지. 전이 영역에 대한 우려가 있다면, 유사한 설계에서는 이를 어떻게 처리해왔는지.

rigid-flex를 정기적으로 제작하는 제조사들은 이러한 결정이 이후 공정에 어떤 영향을 미치는지 설계 검토만으로는 재현하기 어려운 방식으로 경험해왔습니다. 질문하십시오.

설계를 릴리스하기 전에

설계를 제조로 넘기기 전에 확인할 가치가 있는 몇 가지 사항이 있습니다. 

• 전체 보드에 단일 copper weight만 지정되어 있습니까, 아니면 리지드 영역, 플렉스 영역, 전이 영역이 실제로 각각 따로 고려되었습니까? 
• 플렉스 영역의 copper foil 유형이 명시되어 있습니까, 아니면 제조사 기본값에 맡겨져 있습니까? 
• 동적 플렉스 애플리케이션의 경우 dynamic flex application, 0.5온스 RA copper가 지정되어 있거나, 혹은 명시적으로 배제되었습니까? 
• stack-up이 첫 시제품이 나온 뒤가 아니라, 릴리스 전에 제조사와 함께 검토되었습니까?

휘어지지 않던 그 보드는, stack-up과 copper 사양이 하나의 시스템으로 함께 개발되지 않으면 모든 검토를 통과한 설계도 여전히 실패할 수 있다는 점을 가르쳐주었습니다. 플렉스 영역은 실제로 휘어질 수 있어야 합니다.

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자주 묻는 질문

rigid-flex 설계의 플렉스 영역에서는 어떤 copper weight를 사용해야 하나요?

0.5온스(half ounce)가 플렉스 영역의 가장 일반적인 시작점입니다. 더 쉽게 휘어지고, 응력을 더 고르게 분산시키며, 두꺼운 copper보다 반복적인 굽힘 사이클에서 더 잘 버팁니다. 1온스는 정적 애플리케이션에서는 가능하지만, 확정하기 전에 제조사와 논의해볼 가치가 있습니다. 2온스는 굽힘 요구사항이 사실상 정적이고 전류 용량 때문에 다른 선택지가 없는 경우가 아니라면, 플렉스 영역에는 거의 적합하지 않습니다.

플렉스 애플리케이션에서 rolled annealed(RA) copper와 electrodeposited(ED) copper의 차이는 무엇인가요?

Electrodeposited copper는 rigid PCB 제조의 표준이며 리지드 영역에서 우수하게 동작합니다. Rolled annealed copper는 반복적인 굽힘 응력을 더 잘 견디는 방향의 결정립 구조를 가지고 있어, 굽힘 수명이 요구사항인 플렉스 영역에서 선호되는 선택입니다. 제조 도면에 RA copper가 명시적으로 지정되지 않으면 대부분의 제조사는 기본적으로 ED를 사용하므로, 명확히 지정할 가치가 있습니다.

리지드 영역의 copper weight가 플렉스 영역에 영향을 주나요?

그렇습니다. 리지드와 플렉스 영역은 같은 적층 시스템의 일부이기 때문에, 리지드 섹션의 두꺼운 외층 copper는 의도 여부와 관계없이 플렉스 영역까지 이어집니다. 이것이 자동으로 문제를 일으키는 것은 아니지만, 제조 후에 발견할 일이 아니라 stack-up 개발 단계에서 반영되어야 합니다.

rigid-flex 설계의 copper weight 결정을 위해 제조사는 언제 참여시켜야 하나요?

stack-up이 확정되기 전입니다. 레이어 수, 적층 재료, copper weight가 고정되고 나면, 그중 어떤 것을 바꾸더라도 두께, 임피던스, 심지어 어떤 제조사가 해당 보드를 제작할 수 있는지에까지 연쇄적인 영향을 미칩니다. rigid-flex를 꾸준히 제작해 온 제조사들은 이런 결정이 이후 단계에서 어떤 결과로 이어지는지 잘 알고 있으므로, 초기에 참여시키는 것이 비용이 큰 리스핀을 피하는 가장 확실한 방법 중 하나입니다.