Porównanie projektowania elastycznego statycznego i dynamicznego: Promień zginania PCB sztywno-elastycznego oraz inne mechaniczne aspekty do rozważenia

Chcieć tego czy nie, elastyczne i sztywno-elastyczne PCB są tutaj, aby pozostać, a coraz bardziej elastyczna elektronika wychodzi z fazy badań i wkracza do przemysłu. PCB elastyczne są teraz używane do znacznie więcej niż tylko zasilania silnika w twoim magnetycznym dysku twardym. Każde urządzenie, które zawiera element składany lub przesuwany, prawdopodobnie zawiera dynamiczne PCB elastyczne.

Z wzrostem rynku PCB elastycznych, osiągającym dziesiątki miliardów, projektanci PCB mają wszelkie powody, aby dowiedzieć się jak najwięcej zarówno o statycznych, jak i dynamicznych projektach PCB elastycznych. Następny produkt Twojej firmy lub przeprojektowanie istniejącego produktu może od tego zależeć.

Statyczne vs. Dynamiczne PCB Elastyczne

Każde PCB elastyczne jest spokrewnione z PCB sztywno-elastycznym, ponieważ używają tego samego materiału dla warstwy elastycznej. Zamiast mieć sztywne sekcje z rdzeniem poliimidowym otoczonym miedzią i prepregiem, PCB elastyczne jest zbudowane całkowicie z elastycznego materiału. Poliimid jest zwykle używany, ponieważ łatwo dostosowuje się do procesów produkcyjnych sztywno-elastycznych i jest stosunkowo niedrogi, chociaż do taśm elastycznych można również użyć materiałów polimerowych takich jak polietylen naftalan (PEN), politetrafluoroetylen (PTFE) i Aramid.

Flex PCB mogą być projektowane jako PCB dynamiczne lub statyczne. Projektowanie każdego typu elastycznych PCB to w równym stopniu ćwiczenie mechaniczne, co elektryczne. Oprogramowanie do projektowania PCB z funkcjami współpracy ECAD/MCAD jest świetne do projektowania obu typów elastycznych PCB. Planując układ warstw i umieszczając ścieżki na elastycznych PCB, zgiętą część płytki należy traktować jak zgiętą prostokątną płytę podczas analizy mechanicznej. Jest to kluczowe dla określenia odpowiedniej grubości ścieżek, aby zapobiec pękaniu i awarii.

Bez względu na to, czy projektujesz statyczne, czy dynamiczne elastyczne PCB, grubszy ogólny układ elastyczny wymaga większego promienia zginania. To zmniejsza ilość skupiającego się naprężenia rozciągającego i ściskającego wzdłuż zgięcia, podczas formowania PCB do pożądanego kąta. Umieszczenie mniejszego promienia zginania w grubszej płytce może spowodować, że pokrywa zbiera się na warstwie powierzchniowej wewnątrz zgięcia. To z kolei wywiera większy ścinający nacisk na ścieżki leżące wewnątrz neutralnej osi zginania. Jeśli chcesz zmniejszyć ogólną grubość, dostępne są elastyczne pokrycia, które nie wymagają kleju.

Statyczne Flex PCB: Rozważania dotyczące produkcji

Gdy statyczna elastyczna płytka PCB zostanie wyprodukowana, zazwyczaj jest gięta podczas montażu do pożądanego promienia krzywizny i kąta zgięcia za pomocą narzędzia formującego. Narzędzie to działa jak imadło, a dostosowane narzędzia formujące mogą być używane do jednoczesnego wykonywania wielu zgięć w pojedynczym elastycznym taśmie.

Statyczne elastyczne PCB są zwykle formowane ponad punkt plastyczności, co oznacza, że są gięte poza ich zamierzony promień zgięcia, aby zapewnić pewną plastyczną deformację podczas formowania. Zapobiega to powrotowi elastycznej płytki PCB do jej pierwotnego kształtu po usunięciu z narzędzia formującego. Gdy w statycznej płytce PCB określony jest statyczny promień i kąt zgięcia, powinieneś faktycznie zaplanować margines bezpieczeństwa w grubości ścieżek, aby zapobiec pęknięciom włoskowatym i awarii podczas nadmiernego formowania.

Statyczna elastyczna taśma dla urządzenia medycznego, jak pokazano w Electronics Weekly.

Intuicja mogłaby wskazywać, że ścieżki powinny być grubsze, aby wytrzymać stres wymagany podczas nadmiernego formowania, ale intuicja nie zawsze jest poprawna. Prosto mówiąc, im grubszy obwód, tym mniej może się zginać bez uszkodzeń. Grubsze elastyczne PCB będą wymagały większego nadmiernego formowania, aby dostosować się do pożądanego promienia zgięcia i kąta. To z kolei nakłada jeszcze większy stres na ścieżki podczas formowania.

Podobnie jak w przypadku wygiętej płyty prostokątnej, w całej zgiętej płytce będzie istniała neutralna oś zginania, która definiuje krzywą, wzdłuż której nie występuje podłużne naprężenie rozciągające ani ściskające. Cieńsze ścieżki mogą wytrzymać większe naprężenie ściskające niż rozciągające, więc cieńsze ścieżki mogą być umieszczone wewnątrz neutralnej osi zginania. Przesunięcie neutralnej osi zginania będzie zależało od promienia zginania. Dobrą zasadą dla minimalnego promienia zginania jest użycie następującego równania:

Jeśli grubość warstw i ścieżek zostanie właściwie dobrana, przestrzeganie tej zasady zapewni, że neutralna oś zginania nie przesunie się znacząco od środkowej linii PCB. Wraz ze wzrostem liczby warstw, zapewni to zgodność z normami IPC 2223C dotyczącymi stosunku zginania (promień zginania podzielony przez grubość) w elastycznych PCB.

Dynamiczne PCB elastyczne: Wytrzymałość

Wiele tych samych rozważań projektowych dotyczących statycznych elastycznych PCB ma zastosowanie również do dynamicznych elastycznych PCB. Krytycznym problemem w dynamicznych elastycznych PCB jest utwardzanie się miedzi podczas powtarzającego się zginania. Miedź będzie utwardzać się pod wpływem powtarzających się cykli, ostatecznie stając się krucha i podatna na pęknięcia. Wytrzymałość można przedłużyć, po prostu pozwalając na większy promień zginania. Ogólnie zaleca się, aby dynamiczne elastyczne PCB nie przekraczały kąta zginania 90°.

Gdy PCB się zgina, neutralna oś zginania przesunie się w kierunku wnętrza zgięcia. Jest to bardzo ważne w przypadku dynamicznych PCB typu flex, ponieważ ogranicza to liczbę dozwolonych warstw miedzi do niskiej liczby, zazwyczaj tylko jednej warstwy, która pokrywa się z neutralną osią zginania. Chociaż miedź jest plastyczna, będzie twardnieć pod wpływem pracy, gdy jest wielokrotnie poddawana stresowi. Jeśli zdecydujesz się użyć więcej niż jednej warstwy w PCB typu flex, ścieżki powinny być przesunięte, tzn. nie powinny się nakładać w sąsiednich warstwach, aby uniknąć nadmiernego stresu na ścieżkach dalej od neutralnej osi zginania.

Aby zapobiec nadmiernemu stresowi na ścieżkach, upewnij się, że zapewniasz wystarczający margines bezpieczeństwa i zwracaj uwagę na minimalny promień zginania. Upewnij się, że minimalny promień zginania jest mniejszy niż zamierzony promień zginania, aby zapobiec stresowi na krawędziach płytki. Spowolni to twardnienie pod wpływem pracy i pomoże przedłużyć użyteczne życie PCB.

Statyczna taśma flex dla dysku twardego

W miarę jak projektowanie elastycznych PCB zdobywa coraz większe znaczenie w więcej urządzeniach, projektanci potrzebują oprogramowania do elastycznych PCB, które ułatwia projektowanie układu warstw, planowanie produkcji i wiele więcej. Altium Designer zapewnia te ważne narzędzia projektowe, narzędzia MCAD i znacznie więcej w jednym zintegrowanym interfejsie projektowym. Intuicyjny interfejs projektowy i silnik projektowania oparty na regułach łatwo dostosowuje się do projektowania PCB sztywnych, sztywno-elastycznych i w pełni elastycznych.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer, aby dowiedzieć się więcej o układzie, zarządzaniu układem warstw i narzędziach do planowania produkcji. Będziesz miał również dostęp do najlepszych w branży funkcji integralności sygnału i dokumentacji w jednym programie. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.