유연한 인쇄 회로 설계 모범 사례

다중 플렉스 서브 스택

리지드 섹션과 플렉스 섹션으로 거의 모든 스택업을 구축할 수 있기는 하지만, 생산 단계와 관련 재료 특성을 신중하게 고려하지 않으면 엄청난 비용이 발생할 수 있습니다. 플렉스 회로에서 기억해야 할 주요 측면 중 하나는 회로가 구부러질 때 발생하는 재료 내의 응력입니다. 구리는 비철금속으로서 가공 경화를 겪는 것으로 알려져 있으며, 반복되는 플렉스 사이클과 좁은 반경으로 인해 결국에는 피로 손상이 발생하게 됩니다. 이를 완화할 수 있는 한 가지 방법은 단층 플렉스 회로만 사용하는 것입니다. 이 경우 구리는 중간 굽힘 반경의 중앙에 위치하므로 필름 기판과 커버레이는 아래와 같이 가장 큰 압축과 장력을 갖게 됩니다.

많은 경우 동일한 라인을 따라 여러 개의 개별 굴곡 회로가 필요하지만, 굴곡 섹션의 길이가 굴곡 반경을 제한하는 겹치는 섹션에서는 굴곡이 발생하지 않도록 하는 것이 가장 좋습니다. 폴리이미드는 탄성이 매우 뛰어나기 때문에 반복적인 움직임에도 문제가 발생하지 않으며, 여러 개의 겹쳐진 구리 층보다 수명이 훨씬 깁니다. 구리는 중앙 굽힘 반경의 중심에 위치하므로 필름 기판과 커버레이에는 가장 큰 압축과 장력이 발생합니다.

반복성이 높은 굽힘 회로의 경우, 회로 내 구리의 피로 수명(고장 전 주기)을 늘리려면 RA 구리를 단층 플렉스에 사용하는 것이 가장 좋습니다.

접착 비드, 보강재 및 종단 처리

플렉스 회로가 리지드 기판에서 나오는 지점에 강화제 사용을 고려해야 하는 경우가 있습니다. 에폭시, 아크릴 또는 핫멜트 비드를 추가하면 어셈블리의 수명을 연장하는 데 도움이 됩니다. 그러나 이러한 액체를 붓고 경화시키는 것은 제조 공정에 까다로운 단계가 추가되는 것이기 때문에 비용이 증가할 수 있습니다. PCB 설계에는 언제나 그렇듯이 장단점이 있습니다.

자동화된 액체 붓기를 사용할 수 있지만, 어셈블리 엔지니어와 협력하여 어셈블리 아래에 접착제 덩어리가 떨어지지 않도록 각별한 주의를 기울여야 합니다. 경우에 따라 접착제를 수작업으로 도포해야 하므로 시간과 비용이 추가되는 경우도 있습니다. 어느 쪽이든 제작 및 조립 담당자에게 명확한 문서를 제공해야 합니다.

플렉스 회로의 맨 끝은 일반적으로 메인 리지드 기판 어셈블리가 아닌 커넥터로 종단 처리됩니다. 이러한 경우 종단부에 보강재(접착제가 도포된 두꺼운 폴리이미드 또는 FR-4)를 적용할 수 있습니다. 일반적으로 플렉스의 끝부분을 리지드-플렉스 섹션 내에 삽입된 채 두는 것이 편리합니다.

리지드-플렉스 PCB 패널

리지드-플렉스 회로는 조립 공정 동안 패널에 함께 고정되므로 부품을 리지드 섹션의 종단에 배치하고 납땜할 수 있습니다. 어떤 제품은 일부 영역의 플렉스에도 부품을 장착해야 하며, 이 경우 조립 중에 플렉스를 지지하기 위해 단단한 부분을 추가하여 패널과 함께 배치해야 합니다. 이러한 영역은 플렉스에 접착되지 않으며 깊이를 조절할 수 있는 라우터 비트('마우스 바이트')로 라우팅하고 조립 후 최종적으로 손으로 펀칭합니다.

리지드-플렉스 PCB 패널의 예시입니다. 앞면과 뒷면 기판 가장자리와 플렉스 회로가 라우팅된 것을 확인할 수 있습니다. 견고한 측면에는 나중에 떼어낼 수 있도록 V자형 홈이 있습니다. 이렇게 하면 인클로저에 조립하는 시간을 절약할 수 있습니다(출처: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

레이어 스택 설계, 부품 배치, 컷아웃의 문제만 본다면 이러한 문제는 해결하기 쉽다고 생각할 수 있습니다. 그러나 플렉스 회로에는 몇 가지 까다로운 재료적 특성이 있다는 점을 기억해야 합니다. 접착제의 z축 팽창 계수가 비교적 높은 것부터 PI 기판과 커버레이에 대한 구리의 낮은 접착력, 구리의 가공 경화와 피로에 이르기까지 다양한 특성이 있습니다. 이러한 문제는 몇 가지 해야 할 일과 하지 말아야 할 일을 준수함으로써 대부분 보완할 수 있습니다.

플렉스 유연성 유지

당연한 이야기처럼 들릴 수도 있지만, 꼭 짚고 넘어갈 필요가 있습니다. 플렉스가 얼마나 필요한지, 플렉스를 반복할 수 있어야 하는지, 또는 설계에 정적 굴곡이 필요한지를 미리 결정해야 합니다. 플렉스 회로 섹션을 조립 중에 접기만 하고 고정된 위치(예: 휴대용 초음파 장치)에 두는 경우 사용할 수 있는 레이어 수, 구리 유형(RA 또는 ED) 등에서 훨씬 더 자유롭습니다. 반면에 플렉스 회로 섹션이 지속적으로 움직이거나, 굽거나, 롤링해야 하는 경우 플렉스의 각 하위 스택에 대한 레이어 수를 줄이고 접착제가 없는 기판을 선택해야 합니다.

그런 다음 IPC-2223 방정식(단면의 경우 공식 1, 양면의 경우 공식 2 등)을 활용하여 구리의 허용 변형과 다른 재료의 특성을 기반으로 플렉스 섹션의 최소 허용 굽힘 반경을 결정할 수 있습니다.

이 예시 방정식은 단면 플렉스 섹션을 위한 방정식입니다. 단면 플렉스 섹션은 비록 굽힘선의 위치가 잘못되면 부품 리드의 납땜 지점에 스트레스가 가해질 수 있지만, 조립된 플렉스 PCB와 함께 사용할 수 있습니다. 대상 애플리케이션에 따라 EB를 선택해야 하며, RA 구리를 단일 주름 방식으로 설치하는 경우 16%, '플렉스 투 인스톨(flex-to-install)' 설치의 경우 10%, '동적' 플렉스 설계의 경우 0.3%입니다(출처: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). 여기서 동적이란 모바일 DVD 플레이어의 TFT 패널 연결과 같이 제품 사용 중의 지속적인 굴곡과 압연을 의미합니다.

굽어진 모서리 대신 굴곡진 트레이스 사용

일반적으로 구리 트레이스는 플렉스 회로 굽힘에 대해 직각으로 유지하는 것이 가장 좋습니다. 그러나 일부 설계 상황에서는 불가피한 경우가 있습니다. 이러한 경우 트랙 작업의 곡선을 가능한 한 약하게 유지하고 기계 제품 설계에 따라 원뿔형 반경 굽힘을 사용할 수 있습니다. 또한 아래 이미지에 따르면 갑작스러운 직각 트랙 작업은 피하는 것이 가장 좋으며, 45° 하드 코너를 사용하는 것보다 아크 코너 모드로 트랙을 라우팅하는 것이 더 좋습니다. 이렇게 하면 구부리는 동안 구리에 가해지는 응력이 줄어듭니다.

기본 굽힘 위치.

갑작스러운 너비 변경 금지

패드에 트랙이 들어갈 때마다, 특히 플렉스 회로 터미네이터처럼 트랙이 정렬되어 있는 경우(아래 그림 참고) 시간이 지날수록 구리가 피로에 이르는 약점이 생깁니다. 트레이스 폭 전환 부근에 보강재를 적용하거나 일회성으로 주름을 잡는 게 아니라면 패드에서 아래로 갈수록 가늘어지는 게 좋습니다(힌트: 패드에는 티어드롭을 배치하고, 플렉스 회로에는 비아를 배치하세요!).

트레이스 너비 변경 및 패드 입력으로 인해 약한 부분이 발생할 수 있습니다.

패드 지지대 추가하기

플렉스 회로의 구리는 굽힘에 수반되는 반복적인 응력뿐만 아니라, FR-4와 비교하여 기판에 대한 구리의 낮은 접착력으로 인해 폴리이미드 기판으로부터 분리될 가능성이 더 높습니다. 따라서 노출된 구리에 지지대를 제공하는 것이 특히 중요합니다. 스루홀 도금이 한 플렉스 레이어에서 다른 플렉스 레이어로 적절한 기계적 앵커를 제공하기 때문에 비아가 기본적으로 지지됩니다. 많은 제작업체는 이러한 이유와 Z축 확장을 위해 리지드 회로 기판의 기존 도금 외에도 리지드-플렉스 및 플렉스 회로에 최대 1.5mils의 스루홀 도금을 추가할 것을 권장합니다. 표면 실장 패드 및 비도금 스루 패드와 같은 비지지형 패드는 분리를 방지하기 위한 추가 조치가 필요합니다.

도금, 고정 스터브 및 감소된 커버레이 액세스 개구부를 사용하여 유연한 스루홀 패드를 지원합니다.

SMT 부품 패드는 특히 부품의 단단한 핀과 솔더 필렛 아래에서 플렉스 회로가 구부러질 수 있기 때문에 가장 취약한 부품 중 하나입니다. 아래의 패드 및 트레이스 배열은 커버레이 '마스크' 구멍을 사용하여 패드를 양면으로 고정하는 방법을 보여줍니다. 이렇게 하려면 적절한 양의 납땜을 허용하면서 패드가 일반적인 견고한 기판 설치 공간보다 다소 커야 합니다. 이렇게 하면 플렉스 회로 부품 장착 밀도가 분명히 낮아지지만, 본질적으로 플렉스 회로는 리지드 회로에 비해 밀도가 높을 수 없습니다.

각 패드의 양쪽 끝에 앵커링이 표시된 SOW 패키지의 커버레이 개구부.

PCB 설계 소프트웨어 내부에는 특별히 '커버레이' 레이어가 없습니다. 패드 주위의 커버레이 개구부를 정의하려면 마스크 레이어를 사용해야 합니다. 이 작업은 플렉스 섹션 내부의 상단 솔더 레이어에서 수행할 수 있으며, 솔더 마스크에서와 마찬가지로 마스크 레이어에 개구부를 배치하여 커버레이 개구부를 정의하기만 하면 됩니다. 정확한 조립을 보장하고 고정을 위한 충분한 덮개를 추가하려면 풋프린트의 패드도 수정해야 합니다. 0603 컴포넌트 풋프린트의 예는 아래와 같습니다.

이 풋프린트에서 패드 크기와 상단 솔더 레이어는 SMD 패시브용 패드와 리지드-플렉스 PCB에 실장하기 위해 커버레이 개구부를 어떻게 배치해야 하는지를 보여주기 위해 사용됩니다. 상단 랜드 패턴은 공칭 0603 패키지용인 반면 하단은 동일한 부품의 설치 공간이지만 수정된 커버레이 개구부가 있습니다.

스퀴즈 아웃 허용

커버레이가 구리와 기판 위에 적층되면 일부 접착제는 커버레이가 적용될 때 패드 주위의 커버레이 개구부에서 '스퀴즈 아웃' 현상을 보입니다. 스퀴즈 아웃 현상을 허용하려면 패드 랜드와 액세스 개구부가 충분히 커서 약간의 접착제 누출을 허용하면서도 강력한 솔더 필렛을 위해 노출된 구리를 충분히 남겨 두어야 합니다. IPC-2223은 신뢰성 높은 설계의 경우 홀 주변에 360° 솔더 습윤을, 중간 수준의 신뢰성 플렉스 설계의 경우 270° 습윤을 권장합니다.

접착제의 스퀴즈 아웃을 허용하록 패드와 커버레이 개구부의 크기를 조정합니다.

양면 플렉스 라우팅

동적 양면 플렉스 회로의 경우, 가급적 트레이스를 같은 방향으로 겹치게 배치하지 마세요. 대신 인접한 레이어에 트레이스를 엇갈리게 배치해서 겹치지 않게 하세요. 이렇게 하면 구리가 구리 층 사이에 더 고르게 분포될 때 트레이스에 가해지는 장력 스트레스가 감소합니다(아래 참고). 트레이스가 겹치는 경우, 레이어들이 서로 밀착되면서 레이어 중 하나가 구부러지는 동안 더 많은 응력을 받게 됩니다. 스태거링은 플렉스 기판 전체에 응력을 분산시켜서 트레이스의 응력 분포를 거의 균일하게 만듭니다.

인접 레이어 구리 트레이스(상단 이미지)는 권장하지 않습니다. 대신 어셈블리가 구부러질 때 트레이스에 가해지는 응력이 줄어들도록 트레이스를 여러 레이어에 엇갈리게 배치하세요.

해치 다각형 사용

때로는 플렉스 회로에서 전원 또는 접지면을 전달해야 하는 경우도 있습니다. 유연성이 현저히 저하되고 반경이 좁은 굴곡에서 구리가 휘어질 가능성이 발생해도 상관없다면 단단한 구리 주입 영역을 사용해도 괜찮습니다. 일반적으로 높은 수준의 유연성을 유지하려면 해치형 다각형을 사용하는 것이 가장 좋습니다.

일반 해치 다각형은 해치 트레이스와 'X'의 정렬로 인해 0°, 90° 및 45° 방향에서 여전히 심하게 편향된 구리 응력을 갖습니다. 통계적으로 더 최적의 해치 패턴은 육각형입니다. 이는 음의 평면 레이어와 육각형 안티 패드 배열을 사용하여 구현할 수 있지만, 섹션을 잘라서 붙여넣으면 아래에 보이는 해치를 빠르게 만들 수 있습니다.

육각형 해치 다각형을 사용하면 인장 편향을 세 각도에 균등하게 분산시킬 수 있습니다.

비아 배치

다층 플렉스 영역의 경우 레이어 간에 전환하기 위해 비아를 배치해야 하는 경우가 있습니다. 가능하면 비아를 배치하지 않는 것이 좋습니다. 비아는 구부리는 움직임에서 빠르게 피로해질 수 있기 때문입니다. 또한 리지드-플렉스 기판 인터페이스에서 가장 가까운 비아의 구리 고리 사이에 최소 20mils(약 ½mm)의 간격을 유지해야 합니다. 기판 에지 거리 규칙에 따라 PCB CAD 편집기에서 이를 자동으로 처리할 수 있습니다.

플렉스 회로에 비아를 배치해야 하는 경우 '룸'을 사용하여 굽힘이 발생하지 않을 영역을 정의하고, PCB 편집기의 설계 규칙을 활용하여 해당 고정 영역에만 비아 배치를 허용합니다. 또 다른 방법은 레이어 스택 관리자를 사용하여 궁극적으로 유연하지만 단단한 유전체 보강재가 부착된 '리지드' 섹션을 정의하는 것입니다.

플렉스 컷아웃 및 모서리 정의

기판의 플렉스 섹션에 컷아웃이나 슬롯을 배치해야 하는 경우 컷아웃이 적절하게 종단 처리되어야 합니다. IPC는 모서리에서 플렉스 기판 재료가 찢어질 위험을 줄이기 위해 반경이 1.5mm(약 60mils)보다 큰 원형 섹션으로 종단 처리할 것을 권장합니다. 여기서 규칙은 기본적으로 안쪽 모서리(각도가 180° 미만인 플렉스 회로 모서리)가 있을 때마다 항상 반경이 1.5mm보다 큰 접선 곡선 모서리를 사용해야 한다는 것입니다. 모서리가 90°보다 훨씬 작으면(더 예각) 원형 곡선을 뚫습니다. 이는 플렉스의 슬롯과 슬릿에도 동일하게 적용됩니다. 각 끝에 직경이 3mm(1/8인치) 이상인 여유 구멍이 설계되어 있는지 확인하세요. 예시는 다음과 같습니다.

슬롯, 슬릿, 안쪽 모서리에는 최소 1.5mm 반경의 티어 릴리프 구멍이나 탄젠트 곡선이 있어야 합니다.

비록 모든 연성 인쇄 회로 엔지니어링 가이드라인을 포함하는 것은 아니지만, 이러한 팁은 많은 제품의 개발과 제조를 시작하는 데 유용할 것입니다. 확실하지 않은 경우, 제작업체가 제공하는 연성 기판 또는 리지드-플렉스 PCB의 플렉스 섹션에 관한 DFM 가이드라인을 활용하세요.

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