Grubość miedzi w rigid-flex: dlaczego jedna specyfikacja nie sprawdza się we wszystkich przypadkach

Kilka lat temu trafił do nas rigid-flex, który przeszedł wiele przeglądów projektu, zanim w ogóle trafił na produkcję. Dobry zespół, rzetelny proces, niczego ewidentnie nie przeoczono. Kiedy płytki wróciły, obszar flex nie chciał się zginać. W ogóle. Był sztywny na całej długości strefy, która miała być elastyczna. Zbyt wiele warstw zalaminowano razem na zbyt krótkim odcinku.

W kolejnej rewizji rozdzielono te warstwy w strefie flex, tak aby mogły poruszać się niezależnie. Ta jedna zmiana zadecydowała o różnicy między płytką, która działała, a taką, która nie działała.

Ten projekt przychodzi mi na myśl za każdym razem, gdy pojawia się projekt rigid-flex z jedną masą miedzi określoną dla całej płytki. Żeby było jasne, nie zawsze jest to błąd. Ale to sygnał, że warto przyjrzeć się temu ponownie, ponieważ masa miedzi w rigid-flex tak naprawdę nie jest jedną decyzją, lecz kilkoma, które oddziałują ze stack-upem w sposób, który często ujawnia się dopiero wtedy, gdy coś nie porusza się tak, jak powinno.

Najważniejsze wnioski

• Masa miedzi w rigid-flex jest zależna od strefy. To, co działa w sekcji sztywnej, może powodować realne problemy w strefie flex.
• Obszar przejściowy między częścią sztywną a flex ma własny zestaw wymagań projektowych.
• Miedź walcowana wyżarzana zachowuje się inaczej niż miedź osadzana elektrolitycznie w zastosowaniach flex, a ta różnica ma znaczenie, gdy wymagana jest trwałość na zginanie.
• Stack-up i specyfikacja miedzi powinny być opracowywane razem, a nie jedno po drugim.

Strefa sztywna

W sztywnych sekcjach rigid-flex decyzje dotyczące masy miedzi wyglądają bardzo podobnie jak w standardowej praktyce projektowania PCB. Jedna uncja to częsty punkt wyjścia. Dwie uncje pojawiają się wtedy, gdy nośność prądowa lub wymagania dotyczące impedancji wymuszają taki kierunek. Reguły projektowe, struktury przelotek i kwestie związane z metalizacją są podobne. Większość z tego to znany grunt dla każdego, kto wcześniej projektował sztywne płytki.

Tu jednak jest pewien haczyk. Masa miedzi wybrana w strefie sztywnej wpływa na to, co da się osiągnąć w strefie flex, ponieważ obie są częścią tego samego systemu laminatu. Jeśli miedź na warstwie zewnętrznej w sekcji sztywnej jest gruba, ta sama miedź przechodzi do strefy flex, niezależnie od tego, czy ktoś to zaplanował, czy nie. Nie zawsze stanowi to problem, ale trzeba to świadomie przeanalizować.

Strefa flex

To właśnie tutaj decyzje dotyczące masy miedzi mają najbardziej bezpośredni wpływ na to, czy płytka będzie działać tak, jak powinna.

Cięższa miedź oznacza sztywniejszy obwód. Brzmi to oczywiście, ale praktyczne konsekwencje nie zawsze są uwzględniane na etapie layoutu. Właśnie dlatego w strefach flex często stosuje się miedź o masie pół uncji. Łatwiej się zgina, bardziej równomiernie rozkłada naprężenia w przekroju i lepiej znosi powtarzalne cykle zginania niż cięższa miedź. Jedna uncja w dynamicznym zastosowaniu flex to temat, który warto omówić z producentem PCB, zanim projekt trafi dalej. Dwie uncje rzadko są właściwym wyborem w strefie flex, chyba że wymagania dotyczące zginania są zasadniczo statyczne, a obciążalność prądowa nie pozostawia innej opcji.

Znaczenie ma również typ folii miedzianej i jest to jedna z częściej niedookreślonych rzeczy, jakie widuję na rysunkach produkcyjnych. Miedź osadzana elektrolitycznie jest domyślnym wyborem w większości sztywnych konstrukcji i dobrze sprawdza się w strefach sztywnych. Jednak w strefach flex narażonych na wielokrotne zginanie lepszym wyborem jest miedź walcowana wyżarzana. Jej struktura ziarnista przebiega w kierunku, który znacznie lepiej radzi sobie z naprężeniami związanymi ze zginaniem niż miedź ED. Jeśli trwałość na zginanie ma znaczenie w Twoim zastosowaniu, a miedź RA nie została wskazana w strefie flex, warto to przemyśleć.

Geometria ścieżek również oddziałuje z masą miedzi w sposób, który łatwo przeoczyć. Cieńsza miedź pozwala na węższe ścieżki przy zadanym celu impedancyjnym, co oznacza mniejszą masę miedzi poruszającą się wraz z obwodem. Prowadzenie ścieżek prostopadle do osi zgięcia, stosowanie łagodnych łuków zamiast kątów prostych, zrównoważony rozkład miedzi w przekroju — to wszystko są standardowe praktyki dla flex i wszystkie działają lepiej przy właściwie dobranej masie miedzi.

Strefa przejściowa

Obszar, w którym część sztywna łączy się z flex, to miejsce, w którym zaczyna się wiele problemów rigid-flex, a masa miedzi odgrywa w tym swoją rolę. Z definicji strefa przejściowa jest miejscem koncentracji naprężeń. Obwód przechodzi od struktury ograniczonej i podpartej do elastycznej, a zachowanie mechaniczne zmienia się gwałtownie dokładnie na tej granicy. Gruba miedź w obszarze przejściowym jeszcze bardziej pogarsza tę gwałtowność. Tworzy sztywniejszy punkt, który utrudnia strefie flex wykonywanie tego, co powinna, i właśnie to wydarzyło się w płytce, o której wspomniałem wcześniej. Warstwy były połączone w strefie przejściowej i dalej w strefie flex. Masa miedzi dodatkowo zwiększyła sztywność. Efektem był obwód, który fizycznie nie mógł się zginać.

Kilka rzeczy może tutaj pomóc. Utrzymuj masę miedzi możliwie spójną między strefą sztywną a flex, zamiast zwiększać ją tuż przy krawędzi sekcji sztywnej. Unikaj prowadzenia płaszczyzn z dużą ilością miedzi aż do samej krawędzi obszaru sztywnego. A jeśli projekt na to pozwala, nadaj strefie przejściowej nieco większą długość fizyczną, niż wydaje się konieczna. Rozkład naprężeń poprawia się wraz z odległością bardziej, niż większość osób się spodziewa.

Rozmowa z producentem PCB, zanim stack-up zostanie ostatecznie ustalony

To jedna z tych decyzji, które znacznie łatwiej podjąć właściwie, zanim stack-up zostanie zamrożony, niż po fakcie. Gdy liczba warstw, materiały laminatu i masy miedzi są już ustalone, zmiana któregokolwiek z tych parametrów wpływa na grubość, impedancję, a czasem nawet na to, którzy producenci są w stanie w ogóle wykonać płytkę.

Warto zapytać odpowiednio wcześnie: jaki typ folii miedzianej jest standardem w ich konstrukcjach flex i jaki wpływ na termin realizacji lub koszt ma określenie miedzi RA? Jaką masę miedzi najczęściej widują przy Twoich wymaganiach dotyczących zginania i gdzie napotykali problemy? Jeśli istnieją obawy dotyczące strefy przejściowej, jak rozwiązali je w podobnych projektach?

Producenci, którzy regularnie wykonują rigid-flex, widzieli już, jakie skutki te decyzje wywołują na dalszych etapach, w sposób trudny do odtworzenia podczas przeglądu projektu. Zadawaj te pytania.

Zanim zwolnisz projekt do produkcji

Kilka rzeczy, które warto sprawdzić, zanim projekt trafi do wytworzenia. 

• Czy dla całej płytki określono jedną masę miedzi, czy też strefa sztywna, strefa flex i obszar przejściowy zostały faktycznie rozpatrzone osobno? 
• Czy typ folii miedzianej został określony w strefie flex, czy pozostawiono go domyślnemu wyborowi producenta? 
• W przypadku dynamicznego zastosowania flex czy miedź RA o masie pół uncji została określona albo świadomie wykluczona? 
• Czy stack-up został omówiony z producentem przed zwolnieniem projektu, a nie dopiero po otrzymaniu pierwszych sztuk?

Płytka, której nie dało się zgiąć, nauczyła mnie, że projekt może przejść każdy przegląd i mimo to nie działać, jeśli stack-up i specyfikacja miedzi nie były opracowywane jako jeden system. Strefa flex musi rzeczywiście być zdolna do zginania.

Chcesz przeprowadzić swój projekt rigid-flex od layoutu do wydania bez zbędnych komplikacji? Altium Develop daje pojedynczym inżynierom i małym zespołom możliwości projektowe klasy Altium oraz proste sposoby udostępniania pracy, zbierania opinii i utrzymywania synchronizacji bez nadmiernego narzutu. 

Zacznij korzystać z Altium Develop →

Najczęściej zadawane pytania

Jaką masę miedzi powinienem zastosować w strefie flex projektu rigid-flex?

Pół uncji (0,5 oz) to najczęstszy punkt wyjścia dla stref flex. Taka miedź łatwiej się zgina, bardziej równomiernie rozkłada naprężenia i lepiej znosi powtarzalne cykle zginania niż cięższa miedź. Jedna uncja jest możliwa w zastosowaniach statycznych, ale przed podjęciem decyzji warto omówić to z producentem PCB. Dwie uncje rzadko są odpowiednie w strefie flex, chyba że wymagania dotyczące zginania są zasadniczo statyczne, a obciążalność prądowa nie pozostawia innego wyjścia.

Jaka jest różnica między miedzią walcowaną wyżarzaną (RA) a miedzią osadzaną elektrolitycznie (ED) w zastosowaniach flex?

Miedź osadzana elektrolitycznie jest standardem w produkcji sztywnych PCB i dobrze sprawdza się w strefach sztywnych. Miedź walcowana wyżarzana ma strukturę ziarnistą przebiegającą w kierunku lepiej przystosowanym do przenoszenia naprężeń wynikających z wielokrotnego zginania, dlatego jest preferowanym wyborem w strefach flex, gdzie trwałość na zginanie jest wymagana. Jeśli miedź RA nie została wyraźnie wskazana na rysunku produkcyjnym, większość producentów domyślnie zastosuje ED, dlatego warto to jednoznacznie określić.

Czy masa miedzi w strefie sztywnej wpływa na strefę flex?

Tak. Ponieważ strefy sztywne i flex są częścią tego samego systemu laminatu, gruba miedź na warstwach zewnętrznych sekcji sztywnej przechodzi do strefy flex niezależnie od tego, czy zostało to zaplanowane. Nie powoduje to automatycznie problemów, ale trzeba to uwzględnić podczas opracowywania stack-upu, a nie odkrywać dopiero po wykonaniu płytek.

Kiedy powinienem zaangażować producenta w decyzje dotyczące masy miedzi w projekcie rigid-flex?

Zanim stack-up zostanie ostatecznie ustalony. Gdy liczba warstw, materiały laminatu i masy miedzi są już zamrożone, zmiana któregokolwiek z tych parametrów wpływa na grubość, impedancję, a potencjalnie także na to, którzy producenci będą w stanie w ogóle wykonać płytkę. Producenci regularnie wytwarzający rigid-flex widzieli już, jak te decyzje przekładają się na późniejsze etapy, a włączenie ich odpowiednio wcześnie to jeden z najpewniejszych sposobów na uniknięcie kosztownej kolejnej rewizji.