플렉스 회로 설계 가이드: 유연한 회로 시작하기

최근에 인쇄 회로 기판 제작에 대해 학생들에게 말하면서, 누가 강성 인쇄 회로 기판을 설계해 본 적이 있는지 손을 들어 보라고 요청했습니다. 대략 75%의 학생이 손을 들었습니다. 이어진 질문에서는 유연 회로를 설계해 본 사람이 있는지 손을 들어 보라고 했습니다. 손을 든 사람의 수가 급격히 줄었습니다. 이것이 놀라운 일은 아닐 것입니다. 유연 회로가 인쇄 회로 기판 산업의 성장하는 부분임에도 불구하고, 많은 경험 많은 PCB 설계자들이 아직 유연한 재료를 사용해 본 적이 없기 때문입니다. 대학 시절을 돌이켜보면, 제가 유연 회로에 대해 알고 있던 지식은 "프린터 안에서 앞뒤로 움직이는 그 흰색 리본"에 불과했던 것 같습니다.

폴리에스터 위의 유연한 회로는 분명히 플렉스 시장의 상당 부분을 차지합니다. 종종 알루미늄을 유연한 폴리에스터 재료에 사용하는 RFID 태그에 의해 주도되는 볼륨을 부인할 수 없습니다. 그러나 저에게 플렉스 회로 제작이나 설계에 대해 말해달라고 요청받을 때, 거의 항상 유연한 폴리이미드 재료를 사용하는 시장 부문을 다루고 있습니다. 이러한 재료는 PCB 스택업과 통합되어 표준 인터커넥트를 사용하여 강성 및 유연한 영역 사이의 라우팅을 단순화함으로써 플렉스 및 리지드-플렉스 세계에서 표준입니다. 이 가이드에서는 플렉스 PCB가 어떻게 만들어지는지, 설계부터 시작하여 제작에 사용되는 다양한 재료와 공정을 다루면서 살펴볼 것입니다.

플렉스 PCB 설계 과정

플렉스 PCB와 리지드-플렉스 PCB 설계 및 레이아웃은 서로 관련이 있으며, 플렉스와 리지드-플렉스 사이의 주요 차이점은 보드의 강성 끝으로 확장되는 인터커넥트입니다. 표준 강성 PCB와 마찬가지로, 플렉스 설계 과정은 스택업 설계, 구성 요소 배치, 트레이스 경로 계획 및 라우팅, 그리고 제조를 위해 레이아웃을 정리하는 것으로 시작합니다. 플렉스 섹션이 필요한 기계적 특성을 갖도록 하기 위해 스티프너 추가, 커버레이 또는 포토이미지 가능 솔더 마스크 재료 선택, 설계에서 정적 굽힘 설정과 같은 몇 가지 추가 단계가 필요합니다.

플렉스 리본 설계 과정의 많은 부분이 스택업과 그것이 어떤 강성 부분과 통합되는 방식을 중심으로 이루어지기 때문에, 스택업 설계는 플렉스/리지드-플렉스 PCB 설계 과정에서 중요한 부분입니다. 또한, 보드의 특정 지역에서 구리 무게와 구성요소/라우팅 밀도와 같은 것들이 유연성을 제한할 수 있어, 리지드-플렉스 보드가 선호될 수 있습니다. 플렉스 또는 리지드-플렉스 설계를 시작하기 위해, 최종 조립체의 다음과 같은 측면과 설계가 그것의 외장에 어떻게 통합될지에 대해 생각해 보세요:

• 플로어플래닝: PCBA에서 플렉스 리본이 어디에서 구부러져야 하며, 설계가 그것의 외장에 어떻게 장착될까요? 구부러지고 장착되는 영역은 구성요소가 없어야 하며, 특정 고핀수 IC나 고밀도 회로에는 강성 부분을 사용하고 싶을 수 있습니다. 고구성요소 수 영역에 대해 플렉스 리본이 어디에 위치할지 결정하세요.
• 레이어 수: 라우팅에 필요한 레이어 수는 몇 개이며, 이 중 일부 레이어가 강성 부분에 필요한가요? 강성 부분이 있다면, 유연 리본은 스택업의 중앙에 맞춰야 하며, 더 많은 평면이 필요할 때(예: 고속 설계에서) 라우팅이 어려워질 수 있습니다.
• 강성: 더 강한 보드를 받아들일 수 있나요, 아니면 매우 유연한 조립이 필요한가요? 이는 구성 요소 밀도, 구리 무게 또는 유연 리본의 특정 부분에 강화재를 추가함으로써 제어할 수 있습니다. 매우 강한 폴리이미드 부분이 필요한 경우, 완전히 강성 부분을 배치하는 것이 좋을 수 있습니다. 강화재는 유연 리본에 더 높은 구성 요소 밀도를 지원하는 데 사용될 수 있으며, 강성 부분을 통합하는 것보다 비용이 적게 듭니다.
• 고핀 밀도 구성 요소: 작은 SMD 구성 요소와 같은 수동 부품은 폴리이미드 유연 리본에 쉽게 배치할 수 있습니다. BGA 패키지의 다른 구성 요소는 더 고급의 비아 구조와 라우팅을 지원하기 위한 더 많은 내부 레이어가 필요합니다. 고속 또는 RF 설계의 경우, 필요한 임피던스 또는 접지 연속성(예: 단일 종단 신호용)을 제공하고 격리를 위해 해치된 평면 레이어가 필요할 수 있습니다.

어플리케이션 요구 사항은 이러한 요구 사항들 중 여러 가지를 균형 있게 고려해야 할 수 있습니다. 한편, 디자이너들은 자신의 리지드-플렉스 또는 플렉스 디자인이 제조 가능하며 현장에서 신뢰성이 있을 것임을 보장해야 합니다.

• 디자인 도구에서 리지드-플렉스 PCB 스택업을 디자인하는 방법에 대해 자세히 알아보기

플렉스/리지드-플렉스 PCB용 재료

유연한 회로 설계로 나아가기로 결정했다면, 염두에 두어야 할 핵심 사항은 무엇일까요? 이에 대해 향후 블로그에서 더 자세히 살펴볼 예정이지만, 공정을 시작하기 위해 재료 세트를 고려해야 합니다. 플렉스 PCB에 필요한 재료에는 기본 재료(폴리이미드, 구리 호일), 커버레이 재료(폴리이미드 또는 액체 광이미지화 가능), 마지막으로 강화재 재료가 포함됩니다.

• 유연한 PCB 재료에 대해 자세히 알아보기

유연한 기본 및 커버레이 재료

기본 재료 자체뿐만 아니라 커버레이를 이해하는 것이 중요합니다. 귀하의 어플리케이션이 접착제 없는 재료를 요구하나요? 아니면 접착제 기반 재료를 요구하나요? 어플리케이션이 고려해야 할 UL 요구 사항이 있나요? 귀하의 어플리케이션에 가장 적합한 구리 무게와 폴리이미드 두께는 무엇인가요? 귀하의 제조업체가 정기적으로 재고하는 재료는 무엇인가요? (힌트: 재료에서 유연성이 있다면, 정기적으로 재고되는 유연한 재료는 비용을 절감하는 데 도움이 될 수 있습니다)

일부 애플리케이션은 매우 타이트한 패드 오프닝을 형성할 수 있는 유연한 액상 포토이미지형 커버레이에 가장 적합할 것입니다. 디자인이 동적 플렉싱을 요구하는 경우, 필름 기반 폴리이미드 커버레이 재료를 사용해야 합니다. 필름 기반은 필요한 패드 크기에 따라 레이저 컷 오프닝이나 드릴 오프닝을 가질 수 있습니다.

보강재

귀하의 애플리케이션이 무거운 구성 요소를 지원하고 추가된 보강재의 견고함으로부터 이익을 얻을 수 있습니까? 다양한 구성 요소와 애플리케이션은 플렉스 리본이나 PCBA에서 기계적 행동을 지원하기 위해 다른 보강재가 필요합니다. 일반적인 보강재에는 다음이 포함됩니다:

• FR4 보강재: 강성 FR4 에폭시 함침 유리섬유는 아마도 가장 간단한 보강재로, 플렉스 영역 위에 라미네이트로 효과적으로 적용됩니다.
• 강성 폴리이미드: 강화된 폴리이미드 층은 추가적인 폴리이미드 시트를 쌓아서 지역적인 두께 증가를 생성함으로써 특정 영역을 강화하는 데 사용될 수 있습니다. 이는 일반적으로 ZIF (Zero Insertion Force) 커넥터로 종료할 때 사용되며, 적절한 두께를 구축하기 위해 폴리이미드 보강재가 사용됩니다.
• 커넥터/구성 요소 보강재: 이 애플리케이션에 대한 재료 옵션에는 금속, FR4 또는 폴리이미드가 포함되며, 이들은 플렉스 접착제 또는 압력 민감 접착제로 열적으로 결합됩니다.

플렉스 및 리지드-플렉스 스택업

플렉스 및 리지드-플렉스 PCB 스택업은 플렉스 및 리지드 영역에 위의 재료들을 혼합하여 단일 레이어 또는 다층 보드로 구성합니다. 플렉스 기판 위에 구축된 다층 PCB는 리지드 섹션과의 인터페이스 방법, 플렉스 섹션에서의 라우팅 방법, 구성 요소를 배치할 수 있는 위치 등에서 다소 다른 설계 규칙을 따릅니다. 플렉스 PCB 스택업은 일반적으로 오버레이드 접착제-구리-접착제 레이어를 사용하여 레이어 스택을 구축한 다음, 프레프레그로 리지드 스택으로 라미네이션하거나 하부 플렉스 폴리이미드 레이어를 보호하기 위해 커버레이 레이어로 마감합니다. 아래에는 양쪽 끝에 두 개의 리지드 섹션이 포함된 플렉스 PCB 스택업의 예가 나와 있습니다.

• 플렉스 PCB 레이어 스택 구축 과정에 대해 자세히 알아보기

위 이미지에서, 우리는 리지드 섹션 없이도 일반적으로 동일한 과정을 따라 같은 유형의 플렉스 스택업을 구축할 수 있습니다. 차이점은 플렉스 영역을 결합하는 리지드 섹션의 생략에 있습니다. 대신, 우리는 모든 플렉스 재료를 커버레이로 마감할 것입니다. 심지어 솔더링 중 상/하 커버레이 레이어를 보호할 수 있는 플렉스 PCB용 솔더 레지스트도 사용할 수 있습니다.

제조업체의 능력

기존의 선호하는 제조업체가 유연한 재료를 정기적으로 다루나요? 디자인의 복잡성이 선호하는 제조업체의 능력과 잘 맞거나, 그들의 전문 분야를 넘어서는 도전을 하고 있나요? 이것은 고려해야 할 사항들의 전부는 아니지만, 유연한 회로를 설계할 때 생각하는 과정을 시작하는 데 의도된 것입니다. PCB 제조업체는 중요한 자원이 될 것이며, 신뢰성 있게 제작될 수 있는지 확인하기 위해 제안된 스택업으로 그들에게 연락해야 합니다. 그들은 재료와 제작 과정을 이해하고 있으며, 유연한 PCB에 대한 학습 곡선을 따라 고객을 안내하는 데 항상 기꺼이 도움을 줄 것입니다.

• 유연/강성-유연 PCB 제조 과정에 대해 더 알아보기

유연 PCB 및 강성-유연 PCB 디자인의 이점

유연한 회로 설계에 익숙하지 않은 사람들을 위해, 유연한 재료를 사용하도록 디자이너를 이끄는 몇 가지 주요 이점을 살펴보겠습니다. 유연하거나 강성-유연한 PCB 디자인이 의도한 대로 제조될 수 있도록 특정 설계 고려 사항이 필요하긴 하지만, 이러한 디자인은 강성 회로 기판에서 볼 수 없는 많은 이점을 제공합니다.

• 공간 및 무게: 오늘날의 전자 설계는 최종 제품의 크기와 무게를 줄이는 데 도전하고 있습니다. 유연한 재료는 더욱 무거운 전선 및 솔더 연결을 대체할 수 있으며, 자주 언급되는 통계에 따르면 적절한 상황에서 최대 60%까지 절약할 수 있다고 합니다. 이는 상당한 수치입니다.
• 포장 이점: 유연한 회로를 구석으로 구부리거나 접을 수 있는 능력과 세 축 연결을 제공할 수 있는 능력이 PCB 설계자에게 전통적인 전선 및 케이블과 강성 인쇄 회로 기판 재료에 비해 상당한 이점을 제공한다는 것을 부인할 수 없습니다. 실제로, 이러한 이점을 최대한 활용하는 능력은 상상력에 의해 더 제한되는 경우가 많습니다.
• 단순화된 조립: 무거운 전선 및 케이블과 비교할 때, 간단한 유연 회로는 조립 작업을 대폭 단축시킬 수 있습니다. 하나의 유연 회로가 자재 목록의 여러 항목을 대체할 수 있습니다.
• 열 관리: 폴리이미드 재료는 고온 응용 분야에서 사용할 수 있으며, 얇은 폴리이미드는 두꺼운, 열전도성이 낮은 재료보다 열을 훨씬 더 잘 분산시켜 고전력, 고주파 설계에 최적의 선택이 됩니다.
• 생체적합성: 폴리이미드와 LCP는 생체적합성이 뛰어나며 의료 및 착용 가능한 애플리케이션에서 정기적으로 사용되는 두 가지 유연한 재료입니다. 흥미롭게도, 구리 대신 도체로 금을 사용하는 유연한 회로에 대한 관심이 증가하고 있으며, 이는 완전히 생체적합한 옵션을 제공합니다.

제작 후, 회로 기판 어셈블리의 유연한 부분은 정적 구부림으로 인클로저에 배치되거나 인클로저나 다른 기계적 요소와 함께 동적으로 유연하게 허용될 수 있습니다. 때로는 유연한 회로가 최종 전자 제품에 설치되면 정지 상태로 유지되도록 의도적으로 구부리거나 접는 "설치를 위한 유연(flex to install)"으로 설계됩니다. 다른 경우에는 회로가 수백, 수천, 심지어 수백만 번 유연해질 것을 요구하는 애플리케이션이 있습니다. 디스크 드라이브는 동적으로 유연한 애플리케이션의 일반적으로 언급되는 예이며, 노트북 컴퓨터의 힌지에 있는 유연한 회로도 마찬가지입니다. 설계 과정은 정적 및 동적 유연 어셈블리에 따라 약간 다르며, 주요 고려 사항은 구부림 중에 발생할 수 있는 변형입니다.

• 정적 및 동적 플렉스 리본 설계에 대해 더 알아보기

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