Najlepsze praktyki projektowania elastycznych obwodów drukowanych

Wiele Elastycznych Podstosów

Chociaż teoretycznie możliwe jest zbudowanie dowolnego układu warstw z sekcjami sztywnymi i elastycznymi, może to być absurdalnie drogie, jeśli nie zwróci się uwagi na etapy produkcji i właściwości materiałów. Ważnym aspektem obwodów elastycznych, o którym należy pamiętać, są naprężenia w materiałach pojawiające się, gdy obwód się zgina. Miedź, jako metal nieżelazny, jest znana z tego, że ulega umocnieniu przez odkształcenie, a z czasem, przy powtarzającym się zginaniu i ciasnych promieniach, mogą wystąpić pęknięcia zmęczeniowe. Jednym ze sposobów na złagodzenie tego jest stosowanie wyłącznie jednowarstwowych obwodów elastycznych, w których przypadku miedź znajduje się w centrum średniego promienia zginania, a zatem podłoże filmowe i pokrywa są poddawane największemu ściskaniu i rozciąganiu, jak pokazano poniżej.

Idąc dalej tą drogą, często konieczne jest posiadanie wielu oddzielnych obwodów elastycznych, ale najlepiej jest unikać zginania w miejscach nakładających się, gdzie długość sekcji elastycznych ogranicza promień zginania. Ponieważ poliimid jest bardzo elastyczny, nie stanowi to problemu i wytrzyma znacznie dłużej przy powtarzającym się ruchu niż wiele warstw miedzi. Miedź znajduje się w centrum średniego promienia zginania, a zatem podłoże filmowe i pokrywa są poddawane największemu ściskaniu i rozciąganiu.

Dla obwodów poddawanych wysoko powtarzalnym zginaniom, najlepiej jest użyć RA copper w jednowarstwowych elastycznych obwodach, aby zwiększyć żywotność (w cyklach przed awarią) miedzi w obwodzie.

Perły klejowe, usztywniacze i zakończenia

Są momenty, kiedy należy rozważyć użycie usztywniaczy w miejscu, gdzie elastyczny obwód wychodzi z sztywnej płyty. Dodanie kropli epoksydu, akrylu lub kleju termotopliwego pomoże poprawić trwałość zespołu. Jednak dozowanie tych cieczy i utwardzanie ich może dodać pracochłonnych kroków do procesu produkcyjnego, zwiększając koszty. Jak zawsze w projektowaniu PCB, występują kompromisy.

Automatyczne dozowanie płynów może być stosowane, ale trzeba być naprawdę ostrożnym, aby współpracować z inżynierami montażu, aby upewnić się, że nie skończy się na kroplach kleju spływających pod zespół. W niektórych przypadkach klej musi być nakładany ręcznie, co dodaje czasu i kosztów. Tak czy inaczej, musisz zapewnić jasną dokumentację dla osób zajmujących się fabrykacją i montażem.

Skrzydła obwodów elastycznych zazwyczaj kończą się na złączu, jeśli nie są połączone bezpośrednio z główną sztywną płytą. W takich przypadkach, zakończenie może być wzmocnione przez zastosowanie usztywniacza (więcej grubego polimidu z adhezyjnym, lub FR-4). Ogólnie rzecz biorąc, wygodnie jest również pozostawić końce elastycznych obwodów wbudowane w sekcje sztywno-elastyczne.

Płyty PCB sztywno-elastyczne

Obwód sztywno-elastyczny pozostaje połączony w swojej płycie przez cały proces montażu, co umożliwia montaż i lutowanie komponentów na sztywnych sekcjach zakończeń. Niektóre produkty wymagają montażu komponentów również na elastycznych obszarach, w takim przypadku płyta musi być skonstruowana z dodatkowymi sztywnymi obszarami wspierającymi elastyczność podczas montażu. Te obszary nie są przyklejone do elastycznych części i są wycinane przy użyciu frezu o kontrolowanej głębokości (z "kawałkami myszy") i ostatecznie wybijane ręcznie po montażu.

Przykładowa płyta PCB sztywno-elastyczna. Zwróć uwagę, że ta ma wyfrezowane krawędzie przedniej i tylnej płyty oraz obwody elastyczne. Sztywne boki są nacinane V-kształtnie do późniejszego odłamania. To zaoszczędzi czas podczas montażu do obudowy (źródło: YYUXING Shenzhen Electronics Co., LTD.).

Łatwo jest patrzeć na problemy projektowania stosu warstw, umieszczania części i wycięć i myśleć, że mamy te kwestie opanowane. Ale pamiętajmy, jak obwody elastyczne mają pewne złożone cechy materiałowe. Cechy te wahają się od stosunkowo wysokich współczynników rozszerzalności osi z klejów, przez niższą adhezję miedzi do podłoża PI i pokrywy, po prace zmęczeniową i zmęczenie miedzi. Można temu w dużej mierze zaradzić, przestrzegając pewnych zasad i zakazów.

Zachowaj Elastyczność Obwodów Elastycznych

Może się to wydawać oczywiste, ale warto to powiedzieć. Zdecyduj na początku, jak duża elastyczność jest potrzebna i czy elastyczność musi być powtarzalna, czy jeśli projekt będzie miał stałe zgięcie. Jeśli sekcje Twojego obwodu elastycznego mają być tylko zginane podczas montażu, a następnie pozostawione w stałej pozycji - jak w przypadku przenośnego urządzenia ultrasonograficznego - wtedy masz dużo większą swobodę w liczbie warstw, typie miedzi (RA lub ED) i tak dalej, które możesz użyć. Z drugiej strony, jeśli sekcje Twojego obwodu elastycznego będą ciągle się poruszać, zginać lub zwijać, wtedy powinieneś zmniejszyć liczbę warstw dla każdego pod-stosu elastycznego i wybrać substraty bezklejowe.

Następnie możesz użyć równań znalezionych w IPC-2223 (Równanie 1 dla jednostronnych, Równanie 2 dla dwustronnych itd.), aby określić minimalny dopuszczalny promień gięcia dla sekcji elastycznej, na podstawie dozwolonej deformacji miedzi i charakterystyk innych materiałów.

To przykładowe równanie dotyczy jednostronnej sekcji elastycznej. Można go użyć z zmontowaną elastyczną płytą PCB, chociaż możesz obciążyć punkty lutownicze na wyprowadzeniach komponentów, jeśli linia gięcia jest źle umiejscowiona. Musisz wybrać EB w oparciu o docelowe zastosowanie, z 16% dla jednokrotnego zagięcia instalacji miedzi RA, 10% „flex-to-install” i 0,3% dla „dynamicznych” projektów elastycznych (Źródło: IPC-2223B, 2008 http://www.ipc.org/TOC/IPC-2223B.pdf). Tutaj, dynamiczny oznacza ciągłe zginanie i zwijanie podczas użytkowania produktu, takiego jak połączenie panelu TFT w przenośnym odtwarzaczu DVD.

Nie giń w narożnikach i używaj zakrzywionych ścieżek

Zazwyczaj najlepiej jest prowadzić ścieżki miedziane pod kątem prostym do zgięcia obwodu elastycznego. Jednak są sytuacje projektowe, kiedy jest to nieuniknione. W takich przypadkach należy sprawić, aby praca z torami była jak najbardziej delikatnie zakrzywiona, a zgodnie z wymaganiami projektu mechanicznego, można użyć zagięć o stożkowym promieniu. Odnosząc się do poniższego obrazu, najlepiej jest unikać nagłych, ostrych zagięć torów pod kątem prostym, a jeszcze lepiej niż używanie ostrych narożników pod kątem 45°, prowadzić tory z wykorzystaniem łukowych trybów narożników. To redukuje naprężenia w miedzi podczas zginania.

Preferowane miejsca zginania.

Nie zmieniaj gwałtownie szerokości

Zawsze, gdy ścieżka wchodzi na pad, szczególnie gdy jest ich szereg wyrównany, jak w terminatorze obwodu elastycznego (pokazanym poniżej), tworzy to słabe miejsce, gdzie miedź będzie z czasem męczona. Chyba że zostanie zastosowany usztywniacz lub jednorazowe zagięcie w pobliżu przejścia szerokości ścieżki, zaleca się zwężanie od padów (wskazówka: umieść krople na padach oraz via w obwodzie elastycznym!)

Zmiana szerokości ścieżki i wejścia na pady mogą powodować słabe punkty.

Dodaj wsparcie dla padów

Miedź na elastycznym obwodzie jest bardziej podatna na odłączenie od podłoża poliimidowego z powodu powtarzających się naprężeń związanych z gięciem, jak również niższej adhezji miedzi do podłoża (w porównaniu do FR-4). Dlatego szczególnie ważne jest zapewnienie wsparcia dla odsłoniętej miedzi. Przewierty (vias) są naturalnie wspierane, ponieważ pokrycie otworów przez metaliźację oferuje odpowiednią kotwicę mechaniczną z jednej warstwy elastycznej na drugą. Z tego powodu (jak również z powodu ekspansji w osi z) wielu producentów będzie polecać dodatkową metaliźację otworów do 1,5 mila dla obwodów sztywno-elastycznych i elastycznych, oprócz konwencjonalnej metaliźacji stosowanej w sztywnych płytach obwodów. Pady montażu powierzchniowego i pady bez przelotowej metaliźacji są traktowane jako niepodparte i wymagają dodatkowych środków, aby zapobiec ich odłączeniu.

Wspieranie padów przelotowych w elastycznych obwodach poprzez metaliźację, kotwienie trzpieni i zmniejszenie otworów dostępowych w pokrywach.

Pady komponentów SMT należą do najbardziej narażonych, zwłaszcza gdy obwód elastyczny może się zginać pod sztywnym bolcem komponentu i lutem. Poniższy układ padów i ścieżek pokazuje, jak używanie otworów w "masce" coverlay do zakotwiczenia padów z dwóch stron rozwiąże problem. Aby to zrobić, jednocześnie pozwalając na odpowiednią ilość lutu, pady muszą być nieco większe niż typowe ślady na sztywnych płytach. Oczywiście zmniejsza to gęstość montażu komponentów na obwodach elastycznych, ale z natury obwody elastyczne nie mogą być bardzo gęste w porównaniu ze sztywnymi.

Otwory coverlay dla pakietu SOW pokazujące zakotwiczenie na każdym końcu każdego pada.

W oprogramowaniu do projektowania PCB nie ma specyficznej warstwy "coverlay"; będziesz musiał użyć warstwy maski, aby zdefiniować otwór coverlay wokół padów. Można to zrobić w górnej warstwie lutowniczej w sekcji elastycznej; po prostu umieść otwór w warstwie maski, aby zdefiniować otwór coverlay, tak jak zrobiłbyś to z maską lutowniczą. Pady na śladzie komponentu również będą musiały zostać zmodyfikowane, aby zapewnić dokładny montaż i dodać wystarczająco dużo dodatkowego pokrycia do zakotwiczenia. Poniżej pokazano przykład dla śladu komponentu 0603.

W tej stopce użyto rozmiarów padów i górnej warstwy lutowniczej, aby pokazać, jak należy umieścić pady dla pasywnego elementu SMD oraz otwór w osłonie, aby można było je zamontować na sztywno-elastycznej płytce PCB. Wzór lądowania na górze jest przeznaczony dla nominalnego pakietu 0603, natomiast dolny to stopka tego samego komponentu, ale z modyfikowanym otworem w osłonie.

Zezwól na Wyciskanie

Kiedy osłona jest laminowana na miedzi i podłożu, niektóre kleje mogą wykazywać „wyciskanie” z jakichkolwiek otworów w osłonie wokół padów, gdy osłona jest aplikowana. Aby umożliwić wyciskanie, pad lądowania i otwór dostępu muszą być wystarczająco duże, aby umożliwić pewne wyciekanie kleju, jednocześnie pozostawiając wystarczająco dużo odsłoniętej miedzi dla mocnego filletu lutowniczego. IPC-2223 zaleca 360° zwilżenia lutem wokół otworu dla projektów o wysokiej niezawodności oraz 270° dla projektów elastycznych o umiarkowanej niezawodności.

Dobierz rozmiary padów i otworów w osłonie, aby umożliwić wyciskanie kleju.

Podwójne Trasowanie Elastyczne

Dla dynamicznych, dwustronnych obwodów elastycznych, staraj się unikać prowadzenia ścieżek jeden na drugim w tym samym kierunku. Zamiast tego, rozłóż ścieżki na przyległych warstwach tak, aby się nie pokrywały. To redukuje naprężenie na ścieżkach, gdy miedź jest bardziej równomiernie rozłożona między warstwami miedzi (patrz poniżej). W przypadku, gdy ścieżki się pokrywają, jedna z warstw doświadczy większego stresu podczas zginania, ponieważ warstwy naciskają na siebie. Rozstawianie rozkłada stres na całej podłoży elastycznym, tak że rozkład naprężeń na ścieżkach jest bliższy jednolitemu.

Ścieżki miedziane na przyległych warstwach (górny obraz) nie są zalecane. Zamiast tego, rozłóż ścieżki na różnych warstwach, aby zmniejszyć stres na ścieżkach, gdy zespół jest zginany.

Używaj Poligonów Przerywanych

Czasami konieczne jest przeniesienie płaszczyzny zasilania lub masy na obwodzie elastycznym. Użycie pełnych wylewek miedzi jest w porządku, pod warunkiem, że nie przeszkadza ci znacznie zmniejszona elastyczność i możliwe pękanie miedzi podczas zginania o małym promieniu. Ogólnie najlepiej jest używać poligonów przerywanych, aby zachować wysoki poziom elastyczności.

Normalny wielokąt z siatką nadal ma silnie skoncentrowane naprężenia miedzi w kierunkach 0°, 90° i 45°, ze względu na wyrównanie ścieżek siatki i znaków „X”. Bardziej statystycznie optymalny wzór siatki to sześciokąt. Można to osiągnąć, używając warstwy ujemnej i tablicy sześciokątnych antypadów, ale pokazaną poniżej siatkę można szybko zbudować, wycinając i wklejając sekcje.

Używanie sześciokątnych wielokątów z siatką może równomiernie rozłożyć skłonności do naprężeń między trzema kątami.

Umieszczanie przelotek

W przypadku wielowarstwowych obszarów elastycznych czasami może być konieczne umieszczenie przelotek, aby przejść między warstwami. Jeśli to możliwe, zaleca się, aby nie umieszczać przelotek, ponieważ mogą one szybko ulegać zmęczeniu podczas ruchu giętkiego. Konieczne jest również zachowanie co najmniej 20 mils (około ½ mm) odstępu między miedzianym pierścieniem najbliższej przelotki a interfejsem płytki sztywnej do elastycznej. Reguły dotyczące odstępu od krawędzi płytki mogą automatycznie zadbać o to w edytorze PCB CAD.

Jeśli chodzi o potrzebę umieszczania przelotek - jeśli musisz mieć przelotki w obwodzie elastycznym, użyj "pomieszczeń" do zdefiniowania regionów, w których wiesz, że nie będzie zgięć i użyj zasad projektowania edytora PCB, aby zezwolić na umieszczanie przelotek tylko w tych stacjonarnych obszarach. Alternatywą jest użycie menedżera stosu warstw do zdefiniowania "sztywnych" sekcji, które ostatecznie są elastyczne, ale mają przyklejony do nich sztywny materiał dielektryczny.

Definiowanie wycięć i narożników elastycznych

Jeśli potrzebujesz umieścić wycięcie lub szczelinę w elastycznej części płytki, wycięcie to powinno być właściwie zakończone. IPC zaleca zakończenie za pomocą okrągłych sekcji o promieniach większych niż 1,5 mm (około 60 mil), aby zmniejszyć ryzyko rozerwania materiałów podłoża elastycznego na narożnikach. Zasada tutaj, w istocie, jest taka, że zawsze gdy masz wewnętrzny narożnik (narożnik krawędzi obwodu elastycznego o kącie mniejszym niż 180°), używaj zawsze stycznej zaokrąglonej krawędzi o promieniu większym niż 1,5 mm. Jeśli narożnik jest znacznie mniejszy (bardziej ostry) niż 90°, wtedy należy wykonać w nim okrągłe wycięcie. To samo dotyczy szczelin i nacięć w elastycznej części - upewnij się, że na każdym końcu zaprojektowano otwór odciążający o średnicy 3 mm (1/8 cala) lub większej. Przykład tego pokazano poniżej.

Szczeliny, nacięcia i wewnętrzne narożniki powinny mieć otwory odciążające lub styczne krzywe o minimalnym promieniu 1,5 mm.

To w żaden sposób nie jest kompletny zestaw wytycznych inżynieryjnych dla elastycznych obwodów drukowanych, ale te wskazówki powinny pomóc Ci rozpocząć pracę nad wieloma produktami. Jeśli kiedykolwiek będziesz niepewny, Twój zakład produkcyjny powinien być dostępny, aby udzielić Ci wytycznych DFM dla Twojej elastycznej płytki, lub dla elastycznych sekcji w sztywno-elastycznym PCB.

Kiedy będziesz gotowy, aby zacząć projektować elastyczne obwody drukowane dla swojego kolejnego produktu, użyj kompletnego zestawu funkcji CAD w Altium Designer®. Gdy będziesz gotowy do przekazania danych projektowych swojemu producentowi, możesz łatwo udostępniać i współpracować nad swoimi projektami przez platformę Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, można znaleźć w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczęliśmy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.