고민하는 리지드-플렉스 PCB 디자인

Ben Jordan
|  작성 날짜: 이월 21, 2017  |  업데이트 날짜: 사월 16, 2023
리지드-플렉스 PCB 디자인

점점 더 많은 설계자들이 설계하는 제품의 크기와 비용을 줄이면서 밀도를 높이고 조립을 단순화할 필요성에 직면하고 있습니다. 리지드-플렉스 회로(별도의 강성 부분 사이에 유연한 부분을 포함하는 것)가 더 일반적인 해결책이 되고 있습니다. 이 블로그는 리지드-플렉스 기술을 사용하기 위한 재료, 제작 및 설계 방법에 대해 논의하는 짧은 시리즈의 시작입니다.

이 블로그의 제목이 제안하듯, 최근 저는 리지드-플렉스 회로 기판에 대해 많이 생각하고 있습니다. 리지드-플렉스는 많은 이점을 가질 수 있으며, 이전에는 고려하지 않았던 많은 설계자들이 최소한 오늘날에는 고려하고 있습니다. 점점 더 많은 설계자들이 더욱 밀집된 전자제품을 만들어야 하는 높은 압박을 받고 있으며, 이와 함께 제조 비용과 시간을 줄여야 하는 압박도 있습니다. 물론, 이것은 정말 새로운 것은 아닙니다. 그저 이러한 압박에 대응해야 하는 엔지니어와 설계자의 범위가 지속적으로 넓어지고 있을 뿐입니다.

그러나 리지드-플렉스 기술에 새로운 사람들에게 도로 위의 웅덩이가 될 수 있는 측면이 있습니다. 그래서 먼저 플렉스 회로와 리지드-플렉스 보드가 실제로 어떻게 만들어지는지 이해하는 것이 현명합니다. 거기서부터 우리는 설계 문제를 살펴보고 명확한 방향을 찾을 수 있습니다. 지금은 이 보드에 어떤 기본 재료가 들어가는지 고려해 보겠습니다.

플렉스 회로 재료

기판 및 커버레이 필름

일반적인 리지드 PCB를 생각해 보십시오 - 기본 재료는 일반적으로 섬유유리와 에폭시 수지입니다. 실제로는 직물이며, 이를 "리지드"라고 하지만 단일 라미네이트 층을 취하면 상당한 탄성이 있습니다. 경화된 에폭시가 보드를 더욱 강성 있게 만듭니다. 그러나 이것은 많은 응용 프로그램에 충분히 유연하지 않으며, 지속적인 움직임이 없는 간단한 조립에는 적합합니다.

대부분의 응용 프로그램에서는 일반적인 네트워크 에폭시 수지보다 더 유연한 플라스틱이 필요합니다. 가장 일반적인 선택은 폴리이미드인데, 이는 매우 유연하고 매우 튼튼합니다(손으로 찢거나 눈에 띄게 늘릴 수 없어 제품 조립 시 내구성이 뛰어남), 또한 엄청난 내열성을 가지고 있습니다. 이로 인해 여러 번의 리플로우 사이클에도 높은 내성을 보이며, 온도 변화로 인한 팽창과 수축에서도 비교적 안정적입니다.

폴리에스터(PET)도 흔히 사용되는 플렉스-회로 재료지만, 고온에 대한 내성이 없고 폴리이미드(PI) 필름보다 치수 안정성이 떨어집니다. 저는 이 재료가 매우 저렴한 전자 제품에서 사용된 것을 본 적이 있는데, 플렉스 부분에 인쇄된 도체가 있었고(PET는 라미네이션의 열을 견디지 못했습니다), 불필요하게 말하자면 그것에는 아무것도 납땜되지 않았습니다 - 오히려, 조잡한 압력으로 접촉이 이루어졌습니다. 저는 이 제품(시계 라디오)의 디스플레이가 플렉스 회로 연결의 낮은 품질로 인해 결코 제대로 작동하지 않았던 것으로 기억합니다. 그러므로 리지드-플렉스의 경우 우리는 PI 필름을 고수할 것이라고 가정합니다. (다른 재료들도 사용 가능하지만 자주 사용되지는 않습니다).

PI 및 PET 필름, 그리고 얇은 에폭시 및 유리 섬유 코어는 플렉스 회로의 일반적인 기판을 형성합니다. 그런 다음 회로는 커버레이용으로 추가 필름(보통 PI 또는 PET, 때로는 유연한 솔더 마스크 잉크)을 사용해야 합니다. 커버레이는 외부 표면 도체를 절연하고 부식 및 손상으로부터 보호하는 역할을 하며, 이는 리지드 보드에서 솔더 마스크가 하는 역할과 동일합니다. PI 및 PET 필름의 두께는 ⅓밀에서 3밀까지 다양하며, 일반적으로는 1밀 또는 2밀입니다. 유리 섬유 및 에폭시 기판은 상대적으로 더 두껍게, 2밀에서 4밀 사이입니다.

도체

위에서 언급한 저가형 전자 제품은 일반적으로 어떤 종류의 탄소 필름이나 은 기반 잉크와 같은 인쇄된 도체를 사용할 수 있지만, 구리는 가장 전형적인 도체 선택입니다. 응용 프로그램에 따라 다양한 형태의 구리를 고려해야 합니다. 회로의 유연한 부분을 사용하여 케이블링과 커넥터를 제거함으로써 제조 시간과 비용을 줄이려는 경우에는 리지드 보드용으로 사용되는 일반적인 적층 구리 호일(전기 도금된, 또는 ED)이 적합합니다. 이는 또한 고전류를 운반하는 도체를 최소한의 가능한 폭으로 유지하고자 할 때, 예를 들어 평면 인덕터에서처럼 더 무거운 구리 무게가 원하는 경우에도 사용될 수 있습니다.

하지만 구리는 또한 작업 경화(work-hardening)와 피로(fatigue)로 악명 높습니다. 최종 응용 프로그램이 플렉스 회로의 반복적인 접힘 또는 움직임을 포함하는 경우, 고급 롤드 어닐드(Rolled Annealed, RA) 호일을 고려해야 합니다. 분명히, 호일을 어닐링하는 추가 단계는 비용을 상당히 증가시킵니다. 하지만 어닐링된 구리는 피로 균열이 발생하기 전에 더 많이 늘어날 수 있으며, Z 방향 변형에서 더 탄력적입니다 - 바로 여러분이 시간 내내 구부리거나 말아야 하는 플렉스 회로에 원하는 특성입니다. 이는 롤링 어닐링 공정이 평면 방향으로 입자 구조를 길게 만들기 때문입니다.

그림 2: 어닐링 과정의 과장된 일러스트레이션, 분명히 실제 크기와는 다릅니다. 구리 호일이 고압 롤러 사이를 지나면서 평면 방향으로 입자 구조가 길어져, Z 방향 변형에서 구리를 훨씬 더 유연하고 탄력적으로 만듭니다.

이러한 응용 프로그램의 예로는 CNC 라우터 헤드에 대한 갠트리 연결이나 블루레이 드라이브의 레이저 픽업(아래에 표시됨)이 있습니다.

그림 3: 블루레이 메커니즘에서 레이저 픽업을 메인 보드 어셈블리에 연결하는 플렉스-회로. 레이저 헤드의 PCB가 직각으로 구부러진 유연한 부분을 볼 수 있으며, 접합 부위에서 플렉스 회로를 강화하기 위해 접착제 비드가 추가되었습니다.

접착제

전통적으로, 구리 호일을 PI(또는 기타) 필름에 접착하기 위해서는 접착제가 필요합니다. 왜냐하면 일반적인 FR-4 강성 보드와 달리, 어닐링된 구리에는 "톱니"가 적고, 열과 압력만으로는 신뢰할 수 있는 결합을 형성하기에 충분하지 않기 때문입니다. DuPont와 같은 제조업체들은 아크릴 또는 에폭시 기반 접착제를 사용하여 유연한 회로 에칭을 위한 단면 및 양면 구리 도금 필름을 사전 라미네이트하여 제공하며, 일반적인 두께는 ½ 밀과 1 밀입니다. 이 접착제들은 유연성을 위해 특별히 개발되었습니다.

접착제가 없는 라미네이트는 구리 도금 또는 PI 필름에 직접 증착하는 새로운 공정으로 인해 점점 더 널리 사용되고 있습니다. 이러한 필름은 HDI 회로에서와 같이 더 세밀한 피치와 더 작은 비아가 필요할 때 선택됩니다.

실리콘, 핫멜트 글루, 에폭시 수지는 유연부와 강성부가 연결되거나 인터페이스되는 부분(즉, 레이어 스택의 유연한 부분이 강성 부분을 떠나는 곳)에 보호 비즈가 추가될 때 사용됩니다. 이들은 반복 사용 시 빠르게 피로하고 균열이 가거나 찢어질 수 있는 유연-강성 접합의 풀크럼에 기계적 강화를 제공합니다. 이의 예는 위의 그림 3에서 보여집니다.

그림 4: 전형적인 단층 유연 회로 스택업.

유연 회로와 경질-유연 복합 회로에서 사용되는 재료를 알고 있는 것이 중요합니다. 일반적으로 제작자에게 귀하의 애플리케이션에 기반하여 재료를 선택할 자유를 허용할 수 있지만, 무지는 최종 제품의 현장 실패로부터 귀하를 보호하지 않습니다. 여기서 제가 간략히 소개하는 것보다 훨씬 더 많은 세부 정보를 담고 있는 정말 좋은 자료는 다음과 같습니다:

재료의 특성을 아는 것은 또한 귀하의 제품의 기계적 설계, 평가 및 테스트에 도움이 될 것입니다. 예를 들어, 자동차 제품을 작업 중이라면; 열, 습기, 화학물질, 충격 및 진동 - 모두 정확한 재료 특성으로 모델링되어야 하며, 제품의 신뢰성과 허용되는 최소 굽힘 반경을 결정해야 합니다. 아이러니한 것은 유연 회로와 경질-유연 복합 회로를 선택하게 만드는 주된 요구 사항이 종종 가혹한 환경과 연결되어 있다는 것입니다. 예를 들어, 저가의 소비자용 개인 전자 기기는 종종 진동, 떨어뜨림, 땀 및 그보다 더 나쁜 조건에 노출됩니다.

유연 & 경질-유연 복합 제작 공정

처음 보기에, 전형적인 플렉스 또는 리지드-플렉스 보드는 단순해 보입니다. 그러나 이러한 보드의 특성 때문에 제작 과정에 몇 가지 추가 단계가 필요합니다. 모든 리지드 플렉스 보드의 시작은 항상 단면 또는 양면 플렉스 층입니다. 지난주에 언급했듯이, 제작자는 사전에 라미네이트된 플렉스로 시작하거나, 무도금 PI 필름으로 시작하여 초기 도금을 위해 구리를 라미네이트하거나 도금할 수 있습니다. 필름을 라미네이트하는 데는 얇은 접착제 층이 필요하지만, 접착제 없는 도금은 구리의 "씨앗" 층이 필요합니다. 이 씨앗 층은 처음에 증발 증착 기술(즉, 스퍼터링)을 사용하여 심어지며, 화학적으로 도금된 구리가 도금되는 핵심을 제공합니다. 이 단면 또는 양면 플렉스 회로는 전형적인 2면 코어의 리지드 보드와 거의 같은 단계로 드릴링, 도금, 에칭됩니다.

아래 GIF 애니메이션은 전형적인 양면 플렉스 회로의 생성 단계를 보여줍니다.

그림 5: 플렉스-회로 구축 과정을 보여주는 GIF 애니메이션.

1. 접착제/씨앗 코팅 적용

에폭시 또는 아크릴 접착제를 적용하거나, 스퍼터링을 사용하여 도금 키를 위한 얇은 구리층을 생성합니다.

2. 구리 호일 추가

접착제에 RA/ED 구리 호일을 적층하는 방법(더 일반적인 접근법)이나 종자층에 화학 도금을 하는 방법입니다.

3. 드릴링

비아와 패드로의 구멍은 대부분 기계적으로 드릴링됩니다. 여러 개의 도금된 플렉스 기판은 여러 릴을 결합하여 동시에 드릴링할 수 있으며, 작업 플레이트 사이에서 드릴링한 후 드릴링 기계의 다른 쪽에서 별도의 릴로 분리하여 굴립니다. 사전 절단된 플렉스 패널은 강성 코어가 드릴링되는 것과 같은 방식으로 강성 블랭크 사이에서 결합되어 드릴링될 수 있지만, 더 세심한 등록이 필요하며 정렬 정확도가 감소합니다. 초소형 구멍의 경우, 레이저 드릴링이 가능하지만, 각 필름을 별도로 드릴링해야 하기 때문에 추가 비용이 많이 듭니다. 이 경우 고정밀도(마이크로비아)를 위해 엑시머(자외선) 또는 YAG(적외선) 레이저, 중간 크기의 구멍(4+ mils)을 위해 CO2 레이저를 사용합니다. 큰 구멍과 컷아웃은 펀칭되지만, 이는 별도의 공정 단계입니다.

4. 관통 홀 도금

구멍이 뚫린 후에는 구리가 동일하게 증착되고 화학적으로 도금됩니다. 마치 강성 보드 코어처럼요.

5. 에치 저항 인쇄

감광성 에치 저항제가 필름 표면에 코팅되고, 원하는 마스크 패턴을 사용하여 에치 저항제를 노출시키고 구리의 화학적 에칭 전에 개발합니다.

6. 에칭 및 스트리핑

노출된 구리가 에칭된 후에는 에치 저항제가 화학적으로 플렉스 회로에서 제거됩니다.

7. 커버레이

플렉스 회로의 상단과 하단 영역은 모양에 맞게 잘린 커버레이로 보호됩니다. 플렉서블 회로의 일부 섹션에는 실제로 구성 요소가 장착될 수 있으며, 이 경우 커버레이는 솔더 스톱 마스크로도 작용합니다. 가장 일반적인 커버레이 재료는 접착제가 포함된 추가 폴리이미드 필름이지만, 접착제가 없는 공정도 가능합니다. 접착제가 없는 공정에서는 강성 보드 섹션에 사용되는 것과 동일한 광이미지화 솔더 마스크를 사용하여 본질적으로 커버레이를 플렉스 회로에 인쇄합니다. 더 거친 저가형 디자인의 경우 UV 노출에 의한 최종 경화와 함께 스크린 인쇄도 옵션입니다.

그림 6: 커버레이가 있는 플렉스-회로의 예 - 커버레이의 개구부가 일반적으로 구성 요소 패드보다 작다는 것을 알 수 있습니다.

커버레이에 대해 중요하게 언급할 점은 일반적으로 최종적으로 노출될 플렉스 회로의 부분에만 배치된다는 것입니다. 리지드-플렉스 보드의 경우, 이는 리지드 섹션이 있을 곳에는 커버레이가 배치되지 않으며, 보통 약 ½mm의 작은 오버랩을 제외하고는 그렇습니다. 커버레이는 리지드 섹션 전체에 포함될 수 있지만, 이는 리지드 보드의 접착력과 z축 안정성에 부정적인 영향을 미칩니다. 이러한 선택적 커버레이는 보드 제조업체들이 이 과정을 사용하기 때문에 "비키니 커버레이"라고 불립니다. 왜냐하면 그것은 꼭 필요한 부분만을 커버하기 때문입니다. 또한, 커버레이에서 구성 요소 또는 연결 패드를 위한 컷아웃은 패드 랜드의 적어도 두 면이 그 아래에 고정될 수 있도록 합니다. 이에 대해서는 다음 블로그에서 다시 다루겠습니다.

8. 플렉스 보드 자르기

플렉스 회로를 만드는 마지막 단계는 이를 잘라내는 것입니다. 이 과정은 종종 "블랭킹"이라고 불립니다. 블랭킹에 대한 고용량 비용 효율적 접근 방식은 상당히 높은 공구 비용이 드는 유압 펀치 및 다이 세트를 사용하는 것입니다. 그러나 이 방법은 동시에 많은 플렉스 회로를 뚫어내는 것을 가능하게 합니다. 프로토타입 및 소량 생산의 경우, 블랭킹 나이프가 사용됩니다. 블랭킹 나이프는 기본적으로 플렉스 회로 윤곽의 모양으로 구부러진 긴 면도날로, MDF, 합판 또는 테플론과 같은 두꺼운 플라스틱으로 된 백킹 보드에 라우팅된 슬롯에 고정됩니다. 그런 다음 플렉스 회로가 블랭킹 나이프에 눌러져 잘려 나갑니다. 더 작은 프로토타입 생산량의 경우, 비닐 사인 제작에 사용되는 것과 유사한 X/Y 커터가 사용될 수 있습니다.

적층 및 라우팅

만약 플렉스 회로가 강성/플렉스 결합 스택업의 일부를 형성하게 된다면(우리가 관심 있는 부분), 과정은 거기서 멈추지 않습니다. 이제 강성 부분 사이에 적층되어야 할 플렉스 회로가 있습니다. 이는 개별적으로 드릴링, 도금 및 에칭된 코어 레이어 쌍과 같지만, 유리 섬유가 없기 때문에 훨씬 더 얇고 유연합니다. 앞서 언급했듯이, 대상 응용 프로그램에 따라 PI와 유리를 사용하여 덜 유연한 레이어를 만들 수 있습니다. 이것이 강성 부분과 함께 적층되기 때문에, 결국 강성 보드 패널 섹션과 맞물리는 패널에 프레임되어야 합니다.

적층 스택업

플렉스 회로는 추가 접착제, 열 및 압력과 함께 강성 및 기타 유연한 섹션과 함께 패널에 적층됩니다. 여러 플렉스 섹션은 서로 인접하여 적층되지 않습니다. 이는 일반적으로 각 플렉스 섹션이 최대 구리 레이어 수가 2개인 것을 의미하여, 유연성이 유지됩니다. 이러한 플렉스 섹션은 강성 프리프레그와 코어 또는 에폭시 또는 아크릴 접착제가 있는 PI 결합 시트에 의해 분리됩니다.

본질적으로, 각 강성 패널은 플렉스가 유연하게 될 수 있는 영역에서 별도로 라우팅됩니다.

여기에는 세 개의 강성 섹션 사이에 두 개의 2층 플렉스 회로가 내장된 강성-플렉스 보드로 라미네이팅하는 예시 과정이 있습니다. 레이어 스택업은 그림 3과 4에 표시된 것처럼 보일 것입니다.

그림 7: 에칭, 도금, 커버레이 및 블랭크 처리된 플렉스 패널이 유리-에폭시 강성 패널과 결합되는 방법.

그림 8: 각 플렉스 섹션을 위한 도금된 관통 홀과 강성 섹션의 최종 관통 도금 홀을 보여주는 상세한 레이어 스택업.

그림 8에 표시된 예시 스택업에서, 우리는 두 개의 사전 에칭 및 절단된 플렉스 회로를 가지고 있으며, 각각 양면이고 관통 도금되어 있습니다. 플렉스 회로는 프레이밍을 위한 보더를 포함한 최종 조립 패널로 블랭크 처리되었습니다 - 이것은 강성 패널 섹션과의 라미네이션 후 최종 조립 중에 플렉스 회로를 평평하게 유지할 것입니다. 조립 중에 플렉스 회로의 팔꿈치와 큰 개방 섹션의 지지가 부족하면 특히 리플로우 오븐의 열에서 잠재적인 위험이 있을 수 있습니다. 다음 블로그 게시물에서 디자인 측면을 살펴보면서 이러한 문제 중 일부를 다룰 것입니다.

커버레이는 앞서 언급한 것처럼 접착제로 라미네이팅된 스티커처럼 적용되거나, 사진 인쇄 과정을 통해 적용됩니다. 이 6층 스택업에서 최종 플렉스 및 강성 패널이 함께 배치되면, 가장 바깥쪽(상단 및 하단) 최종 구리 호일 층으로 라미네이팅됩니다. 그 다음 상단에서 하단까지 관통하는 도금 구멍을 위한 또 다른 드릴링 작업이 이루어집니다. 선택적으로, 레이저로 드릴링된 눈에 보이지 않는 비아(상단에서 첫 번째 플렉스까지, 하단에서 마지막 플렉스까지)도 만들 수 있으며, 이는 다시 설계 비용을 증가시킵니다.

최종 단계는 상단 및 하단 솔더 스톱 마스크, 상단 및 하단 실크스크린 및 보존 도금 (예: ENIG) 또는 핫 에어 레벨링(HASL)의 인쇄입니다.

다중 플렉스 서브 스택

경직 및 유연 섹션을 사용하여 거의 모든 스택업을 구축할 수는 있지만, 생산 단계와 관련된 재료 특성을 신중하게 고려하지 않으면 비용이 엄청나게 비쌀 수 있습니다. 유연 회로의 중요한 측면 중 하나는 회로가 구부러질 때 재료 내부에 발생하는 스트레스입니다. 다시 말하지만, 구리는 작업 경화되기 쉽고 반복적인 유연 사이클링과 타이트한 반경으로 인해 결국 피로 균열이 발생합니다. 이를 완화하는 한 가지 방법은 단일 층 유연 회로만 사용하는 것입니다. 이 경우 구리는 중앙의 중간 굽힘 반경에 위치하므로 필름 기판과 커버레이가 가장 큰 압축 및 인장을 받게 됩니다. 그림 9에서 보여주는 것처럼.

폴리이미드는 매우 탄력적이기 때문에 이는 문제가 되지 않으며, 여러 구리 층보다 반복된 움직임에 훨씬 더 오래 견딜 것입니다. 같은 맥락에서 여러 개의 별도 유연 회로가 종종 필요하지만, 유연 섹션의 길이가 굽힘 반경을 제한하는 중첩 섹션에서의 굽힘을 피하는 것이 가장 좋습니다.

그림 9: 반복적인 굽힘 회로의 경우, 구리의 피로 수명(실패 전 사이클)을 증가시키기 위해 단일 층 유연에 RA 구리를 사용하는 것이 가장 좋습니다.

접착제 비드

지난 주에 언급했듯이, 유연 회로가 강성 보드에서 나올 때 강화재를 사용해야 할 때가 있습니다. 에폭시, 아크릴 또는 핫멜트의 비드를 추가하면 조립품의 수명을 향상시킬 수 있습니다. 하지만 이러한 액체를 분배하고 경화시키는 것은 생산 과정에 번거로운 단계를 추가할 수 있습니다.

자동 유체 분배를 사용할 수 있지만, 조립 엔지니어와 긴밀히 협력하여 조립품 아래로 접착제 덩어리가 떨어지지 않도록 매우 주의해야 합니다. 어떤 경우에는 접착제를 수작업으로 적용해야 하며, 이는 시간과 비용을 추가합니다. 어느 쪽이든, 제작 및 조립 담당자를 위한 명확한 문서를 제공해야 합니다.

보강재 및 종단 처리

유연 회로의 극단적인 끝은 주로 강성 보드 조립체가 아닌 경우 커넥터에 연결됩니다. 이 경우, 종단 처리에는 보강재(더 두꺼운 폴리이미드와 접착제) 또는 FR-4가 적용될 수 있습니다. 일반적으로, 유연한 끝을 강성-유연 섹션 내에 내장해 두는 것이 편리합니다.

패널

리지드 플렉스 회로는 조립 과정에서 패널에 함께 유지되므로, 구성 요소를 리지드 단자에 배치하고 납땜할 수 있습니다. 일부 제품은 플렉스의 일부 영역에도 구성 요소를 장착해야 하는 경우가 있는데, 이 경우 조립 중 플렉스를 지지하기 위해 추가 리지드 영역이 패널에 함께 구성되어야 합니다. 이 영역들은 플렉스에 부착되지 않으며, 제어된 깊이의 라우터 비트(“마우스-바이트” 포함)로 라우팅된 후 조립 후에 손으로 최종적으로 눌러 빼냅니다.

그림 10: 최종 리지드-플렉스 패널 예시. 이 패널은 앞뒤 보드 가장자리와 플렉스 회로가 라우팅되어 있으며, 리지드 측면은 나중에 쉽게 끊어낼 수 있도록 V-그루브 처리되어 있습니다. 이는 인클로저에 조립할 때 시간을 절약할 수 있습니다.

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Ben is a Computer Systems and PCB Engineer with over 20 years of experience in embedded systems, FPGA, and PCB design. He is an avid tinkerer and is passionate about the creation of electronic devices of all kinds. Ben holds a Bachelor of Engineering (CompSysEng) with First Class Honors from the University of Southern Queensland and is currently Director of Community Tools and Content.

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