플렉스 및 리지드-플렉스 PCB 응용 분야

제품에 플렉스 회로를 설계하는 기본적인 이유는 두 가지입니다: 컴팩트하고 효율적으로 조립된 장치를 구축하거나, 제품의 기계적 기능과 동적으로 통합되도록 회로를 만들기 위해서입니다. 물론, 플렉스 회로 사용을 정당화하기 위해 이 두 가지 이유 모두에 의존할 수도 있습니다. 이 점을 감안하여, 리지드-플렉스 PCB 응용 프로그램 및 설계 예제를 살펴보며 플렉스 회로를 설계할 때 떠오르는 문제점들을 살펴보겠습니다.

동적 플렉스 응용 예제

메카트로닉 갠트리

3D 프린터나 CNC 기계 헤드에서 찾을 수 있는 매우 전형적인 동적 플렉스 응용은 메카트로닉 갠트리입니다. 전자 부품이 기계 요소와 동일한 움직임을 따라야 하는 물리적으로 큰 시스템에서는 별도의 리지드 보드나 모듈을 사용하고 이들을 케이블로 연결하게 됩니다. 더 작고 슬림한 패키지에서는 플렉스 리본이 낮은 프로파일 조립과 필요한 움직임을 제공하기 때문에 더 합리적입니다.

자연스럽게 아래의 예제는 X축 갠트리를 따라 놓여지며, Z축 도구 헤드가 이를 따라 이동합니다. 아래 예제는 여기서 두 축의 움직임만 보여주고 있으며, 갠트리 자체는 Y축에서 움직일 것입니다.

플렉스 리본의 총 길이는 모서리와 굽힘을 추가한 가장 극단적인 끝 거리입니다. 이동하는 z축 도구 헤드 뒤에 위치한 모서리는 가로대를 따라 움직이는 x축 셔틀(아마도 슬리브 베어링 위에)에 부착될 것입니다. 끝 부분에는 플렉스 리본 섹션을 종료하기 위해 강화재가 추가될 것입니다. 이러한 유형의 응용 프로그램의 경우, 단층 압연 어닐링 구리를 사용하고 굽힘 반경을 실용적으로 가능한 한 크게 유지하는 것이 가장 좋습니다. 이렇게 하면 굽힘 영역이 플렉스 리본의 길이를 따라 굴러감에 따라 수명을 최대화하는 데 도움이 됩니다.

예시 가로대 플렉스 디자인.

가로대 제작 고려 사항: 패널화

위의 예시는 제작과 비용에 대해 좋은 질문을 제기합니다. 이와 같은 오른쪽 각도의 L자형 회로를 사용하면, 논쟁을 위해, 제작 패널에 동일한 플렉스 리본 6개를 맞출 수 있습니다. 이는 패널 공간의 약 50%를 낭비하게 되며, 특히 이 플렉스 회로에 구성 요소가 장착되어야 하는 경우, 도구 비용과 시간도 추가됩니다. 아래에 표시된 이 특정 플렉스 회로에서 만든 예시 패널은 내장 보드 배열입니다.

CNC 가로대 플렉스 회로의 내장 보드 배열 패널화.

플렉스의 좋은 점은 올바른 재료를 사용하고 전체 조립을 올바르게 계획하면, 저반경 설치 접힘도 만들 수 있다는 것입니다. 상단 패널에서 보여진 것처럼 곡선형 플렉스 회로를 사용하는 대신, 영구적인 주름이 있는 정적 플렉스 섹션을 배치하는 것은 특정 상황에서 좋은 대안입니다. 다음 그림은 같은 갠트리 디자인을 보여주지만, 이전 버전에서 보여진 90° 모서리 대신 주름진 45° 접힘으로 교체했습니다.

정적 주름으로 재설계된 갠트리 플렉스.

패널을 볼 때(아래에 표시됨) 접힘이 분명히 유용해집니다. 이러한 유형의 주름이 있는 플렉스 회로를 제작하기 위해, 보드에 굽힘을 디자인할 필요가 없습니다. 대신, 플렉스 PCB에서 직선 섹션을 사용할 수 있으므로, 이제 단일 패널에서 플렉스 리본의 전체 배열을 정렬할 수 있습니다. 이 방식으로, 수율이 크게 증가합니다. 패널당 증가된 수율과 픽앤플레이스 조립을 위한 도구의 용이성으로 인해 보드당 총 비용이 감소할 것입니다. 하지만, 접힘으로 인해 조립의 한쪽 끝에서 반대쪽에 부품을 배치해야 할 수도 있어 이점이 상쇄될 수 있습니다.

재설계된 갠트리 보드가 있는 패널.

회전 장치

아래에 표시된 강성-유연 PCB 레이아웃을 살펴보세요. 이 레이아웃에서, 유연한 층은 영구적인 접힘 대신 구부림을 사용하여 만들어집니다. PCB 편집기에서 수평 작업 가이드의 사용에 주목하세요; 이것은 현장에서 유연한 회로 섹션의 곡선 둘레를 기반으로 한 보드 윤곽의 정확한 설계를 가능하게 합니다. 또한 PCB 편집기 내부의 보드 계획 모드에서 유연한 회로의 구부림 선의 정확한 배치를 허용하여 3D 모드에서 정확한 유연 회로 구부림 시뮬레이션을 가능하게 합니다.

회전 동적 유연 설계를 위한 PCB 레이아웃. 유연한 리본은 고정된 하우징이나 조립체에서 중앙 축과 함께 회전할 다른 구성 요소에 부착될 수 있습니다.

이 예에서, 스테퍼 모터는 모터와 그 제어 인쇄 회로 보드가 움직이는 동안 축이 고정되도록 조립체에 장착될 예정입니다. 유연한 회로는 고정된 기본 조립체에 극단에서 종료되도록 설계되었고 원통형으로 접혀 양방향 이동을 허용하도록 되돌아갑니다. 이 디자인의 3D 뷰는 아래에 표시되어 있습니다.

회전하는 스테퍼 모터 제어 보드의 3D 뷰입니다. 긴 "팔"은 모터와 그 제어 보드의 360° 이상 회전을 가능하게 합니다.

스테퍼 모터의 3D 본체를 포함한 조립품의 완전 접힌 뷰입니다.

이 조립품이 어떻게 작동할지에 대한 아이디어를 제공하기 위해 운동 방향과 고정된 플렉스-회로 종단부를 볼 수 있습니다. 이러한 배치는 360° 이상의 회전을 상대적으로 쉽게 달성할 수 있게 합니다. 이 예시는 가상의 것이며 스테퍼 모터를 보여주지만, 이러한 종류의 설계는 회전 센서 애플리케이션에 잘 맞을 것입니다. 종료된 강성-플렉스 섹션은 인클로저의 일부 구성 요소에도 장착될 수 있으며, 인클로저가 회전하는 한 강성 제어 보드 섹션으로의 연결을 제공하는 간단한 방법을 제공할 수 있습니다.

정적 플렉스 애플리케이션 예시

평면 자기장 (변압기 및 인덕터)

통합 평면 자기장을 위한 플렉스 및 리지드-플렉스 회로의 사용이 인기를 끌고 있습니다. 평면 자기장을 위해 플렉스 회로를 사용하는 것은 몇 가지 뚜렷한 장점이 있습니다. 폴리이미드 필름은 권선의 매우 높은 절연을 가능하게 하는 두께로 제공되며, 높은 온도 안정성을 가지고 있어 뜨거운 에나멜 포팅 공정에 적합합니다. 손실 관점에서; 에칭된 구리 트레이스를 사용하면 트레이스가 넓어져야 하지만, 이는 추가적인 임피던스로 인해 스킨 효과에서 오는 임피던스가 감소되므로 와전류 손실을 쉽게 줄일 수 있습니다.

네 권선 인덕터의 풀리지 않은 솔레노이드 권선.

아래에는 롤링된 공기 코어 인덕터의 흥미로운 진입 및 출구 방식이 보여집니다. 이 롤링된 플렉스 PCB 조립에서, 각 권선의 끝은 다음 권선의 시작과 겹칩니다. 이는 여러 개의 별도 권선을 갖는 것보다 권선 수를 증가시키기 위해 수행될 수 있습니다.

롤링된 인덕터 권선.

2의 가격으로 18 레이어

이 개념의 자연스러운 확장은 컨버터 디자인에 몇 개의 플렉스 레이어를 포함하여 서로 접을 수 있도록 하는 것입니다. 아래에 보여진 예시에서, 단일 E18 평면 페라이트 코어가 종단 종결자 영역(왼쪽)의 컷아웃을 통해 돌출된 2-레이어 플렉스 회로 변압기 디자인이 표시됩니다. 이 아이디어는 임의로 확장될 수 있습니다(단, 최종 접힌 보드의 두께에 실제 한계가 있음). 그림 11에서, 양면 플렉스의 상단 및 하단 구리 레이어는 변압기 권선용으로 사용할 수 있는 18개의 레이어를 제공합니다.

코어 중심 다리 컷아웃 주변에는 인덕터 권선을 위한 단일 회전을 만들 수 있습니다. 측면 다리 주위로 트랙을 뱀처럼 이동시키면 반 회전을 얻을 수 있으며, 반환 경로는 변압기 코일의 다른 반 회전을 제공합니다; 함께 접힌 도체 부분은 자기장을 생성하고 수신할 수 있는 쌓인 전류 루프 세트를 형성합니다.

플렉스-회로 변압기의 상단도. 상단 레이어에는 단일 고전류 권선이 표시되어 있고, 하단 레이어에는 여섯 개의 저전류 권선이 라우팅되어 있습니다.

이것은 혼란스러울 수 있습니다. 왜냐하면 각 접힌 부분이 페라이트 코어 기하학과 관련하여 적절한 권선 방향을 추적해야 하기 때문입니다. 이 전체 플렉스 회로가 직교로 접힐 것이라는 점을 고려하여, 구리를 어느 방향으로 라우팅해야 하는지 나에게 상기시키기 위해 디자인의 Mechanical 1 레이어에 인접한 각 권선 레이어와 반대 방향을 향한 화살표를 추가했습니다. 아래에 명확성을 위해

보드 윤곽과 권선 방향 화살표를 보여주는 Mechanical 1 레이어입니다.

최종 코어-앤-플렉스 조립품은 아래에 나타나 있습니다. 이것은 회로의 대부분이 강성 2-레이어 인쇄 회로 기판에 있고, 플렉스 부분이 모든 코어 권선에 필요한 추가 레이어를 얻기 위해 사용되는 강성-플렉스 디자인 내에 통합될 수 있다는 점에 유의하십시오. 물론, 큰 플렉스 영역을 사용하는 것과 강성 전용 디자인에 많은 레이어를 추가하는 것 사이에는 비용 상의 절충이 있을 것입니다.

최종적으로 완전히 접힌 변압기, 컷아웃을 통한 Ferroxcube E18 페라이트 자기 코어의 3D 모델입니다.

다층 강성-플렉스

군사, 항공우주 또는 유사한 고밀도 설계에서는 좁은 공간에서 컴팩트하고 신뢰할 수 있는 조립체가 필요할 때, 강성 보드 영역 사이에 여러 층의 플렉스 회로를 사용하는 것을 피하기 어렵습니다. 더욱이, 고속 디지털 설계의 경우, 플렉스 영역을 통과하는 버스 사이에 차폐 또는 평면 층이 필요하기 때문에 이는 필수적입니다. 여기서의 도전은 좋은 유연성을 유지하기 위해서는 플렉스 회로 층의 수를 최소한으로 유지해야 한다는 것입니다. 보통 단일 폴리이미드 기판 위에 두 개의 구리 층과 폴리이미드 커버레이를 사용합니다.

“정상적인” 설계에서는 겹치는 플렉스 영역의 플렉스 회로 섹션 길이가 동일합니다. 이는 최종 조립에 배치되었을 때 강판 사이의 플렉스 영역에서 상당한 긴장이 발생하는 상황을 초래합니다.

여러 겹쳐진 플렉스 레이어가 동일한 길이로 설계되면 외부 플렉스 회로에 긴장이 발생하고 내부 회로가 압축됩니다. 이 설계에서 플렉스가 강판 섹션에 들어가는 바로 그 지점에서 사용된 접착제 비드의 “압출”을 주목하십시오.

대부분의 전문 강성-유연 기판 제조업체들은 이 시점에서 "책등제본" 구조를 사용하라고 말할 것입니다. 책등제본 구조는 유연 회로의 굽힘 반경을 현장에서 사용하여 각 유연 회로와 기판 조합의 올바른 길이를 결정하는 실용적인 방법입니다. 이 개념의 예시 일러스트레이션은 아래 IPC-2223b 발췌본에 나와 있습니다.

책등제본 구조 [출처: IPC-2223B, 2008 p26].

이 방법이 돈이 들고 디자인의 도전을 증가시킬 것이라는 것을 바로 알 수 있습니다. 종종, 더 나은 대안은 같은 길이와 반경의 유연 회로를 사용하지만, 서로 겹치지 않도록 다른 유연 회로 층을 분리하는 것입니다. 이의 예시는 아래에 나와 있습니다.

대안 책등제본 구조. 보통 유연 섹션들이 겹치게 되어 낮은 장력/압축을 유지하기 위해 다른 길이가 필요할 수 있습니다. 이 대안에서는 유연 섹션이 더 이상 겹치지 않도록 강성 섹션의 가장자리를 가로질러 다른 지역에 배치됩니다.

층 수를 희생하지 않고 매우 타이트한 굽힘 구현

굽힘 지역을 따라 창의적인 디자인 선택을 통해, 구리 층을 잃지 않고도 매우 타이트한 굽힘을 구현할 수 있습니다.

아래에 표시된 작은 보드는 "S" 모양의 리본을 사용하여 강화된 영역 가장자리를 따라 최소 굽힘 반경을 줄입니다. 이 사진에서는 보이지 않지만, 보드 뒷면에 얇은 강화재가 부착된 섹션에 부품이 장착되어 있습니다.

여러 구리 층을 사용하여 사실상 180°의 굽힘 반경을 얻습니다.

이 개념은 여러 방향으로 확장될 수 있습니다. 아래에 표시된 PCB 디자인은 초유연성 PCB 디스플레이 보드입니다. 더 넓고 강화된 섹션에 매트릭스 형태로 많은 LED를 볼 수 있습니다. 이 전체 조립체는 구리 및 PI 필름 층이 함께 적층되어 있는 순수한 수량 때문에 해당 섹션에서만 강성을 유지합니다. 다시 말해, LED 매트릭스 영역 사이에 S-굽힘을 사용하면 이 조립체가 곡선형 하우징으로 더 쉽게 굽혀집니다.

X-Y S-굽힘 플렉스 배열.

이 개념을 더욱 발전시키면, 아래에 보이는 매우 콤팩트한 디자인이 나옵니다. 이 예제의 플렉스-회로 섹션은 8개의 레이어를 포함하고 있습니다. 이러한 플렉스 회로는 일반적으로 강성 섹션 사이에 직접 리본으로 배치되면 유연하지 않을 것입니다. 그러나 다양한 S-벤드(유연한 재료의 최상위 레이어가 모두 차폐를 위한 순동으로 되어 있음을 주목하세요!)를 사용함으로써, 수백 개의 고속 메모리 및 디스플레이 연결이 있음에도 불구하고 최종 기계적 하우징에 충분히 구부릴 수 있습니다.

플렉스 8층, 추가적으로 강성 PCB 4층. 플렉스의 최상위 레이어가 차폐를 위한 전체 구리 피복임을 주목하세요. 또한 강성-플렉스 인터페이스의 가장자리 주변에 보호 접착제가 있음을 주목하세요.

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