Projektowanie płytek PCB rigid-flex: wytyczne dotyczące ograniczeń mechanicznych, stackupów i niezawodności

Projektowanie płytek rigid-flex PCB polega na integracji elastycznych materiałów obwodów z sekcjami sztywnymi w celu tworzenia unikalnych typów konstrukcji. Celem jest często dopasowanie projektu do złożonych obudów, kompaktowych lub składanych form mechanicznych albo obudów z ruchomymi częściami. Płytki rigid-flex PCB wymagają innego podejścia niż standardowy projekt sztywnej płytki, ale w niektórych przypadkach zapewniają wyższą niezawodność i umożliwiają funkcjonalność, którą trudno osiągnąć przy użyciu złączy i okablowania.

Jeśli nigdy wcześniej nie projektowałeś elastycznej płytki PCB ani płytki rigid-flex PCB, te wytyczne pomogą Ci tworzyć płytki flex i rigid-flex o unikalnej funkcjonalności, które jednocześnie spełniają wymagania DFM większości producentów. Stosy warstw PCB dla projektów rigid-flex również mogą być wymagające, dlatego przedstawimy wskazówki dotyczące różnych konfiguracji stackupu, w tym prawidłowego stosowania usztywnień.

Typy konstrukcji rigid-flex i stackupy PCB

Różne typy konstrukcji rigid-flex są zawsze definiowane przez stackup PCB, ponieważ to on umożliwia uzyskanie funkcjonalności w płytce rigid-flex PCB. Poniżej znajduje się krótka lista różnych typów projektów rigid-flex PCB oraz kilka ilustracji pokazujących, co jest możliwe.

• Zintegrowany rigid-flex: najczęstszy typ rigid-flex, w którym sekcja elastyczna jest laminowana w stackupie PCB
• Rigid-flex z usztywnieniami: zamiast laminowania obszaru elastycznego w stackupie, arkusz prepregu usztywnia flex w określonych miejscach
• W pełni elastyczna płytka PCB, czyli FPC: konstrukcja całkowicie pozbawiona sekcji sztywnych, zwykle stosowana jako zamiennik przewodu
• Book binder rigid-flex: konstrukcja z wieloma nakładającymi się obszarami elastycznymi, które mogą składać się jeden na drugi
• Dynamic bending rigid-flex: konstrukcja rigid-flex przeznaczona do wielokrotnego zginania podczas pracy
• HDI rigid-flex: konstrukcja z mikrootworami wierconymi laserowo w sekcji sztywnej, sekcji elastycznej lub w obu
• Transparent rigid-flex: konstrukcja wykorzystująca całkowicie przezroczyste materiały elastyczne wraz ze sztywnym stackupem lub usztywnieniem
• Rigid-flex na bazie PTFE: konstrukcja rigid-flex wykorzystująca rdzenie PTFE i bondply do budowy sztywnej części stackupu

Konstrukcje rigid-flex mogą mieć wiele obszarów, w których sekcja elastyczna rozgałęzia się. Może to kończyć się na złączu, innej sekcji sztywnej, usztywnieniu, złoconych stykach lub układzie zmontowanym na obszarze elastycznym. Złożony przykład pokazano poniżej.

Zespoły rigid-flex PCB mogą mieć wiele odgałęzień i sekcji sztywnych.

Ograniczenia mechaniczne w konstrukcjach rigid-flex

Mocowanie

Konstrukcje rigid-flex często muszą być zamocowane w obudowie, co można zrealizować za pomocą śrub lub zatrzaskowych uchwytów montażowych. Niektóre metody mocowania wykorzystują także wsuwany wspornik, który utrzymuje sekcję elastyczną lub sztywną na miejscu. Zwykle wymaga to otworów montażowych, aby utrzymać zespół rigid-flex we właściwej pozycji.

Trwałe odkształcenie

W niektórych zespołach rigid-flex taśma flex jest trwale zginana lub załamywana podczas montażu, tak aby gotowa płytka zachowywała swój kształt wewnątrz obudowy. Są to zastosowania typu static flex, w których zgięcie wykonuje się jednokrotnie, a taśma nie porusza się już podczas pracy urządzenia. Gdy takie trwałe odkształcenie jest planowane, projektant powinien zdefiniować obszar załamania lub zgięcia w układzie PCB za pomocą obszarów keepout. Takie keepouty zapobiegają umieszczaniu komponentów, przelotek i ścieżek w strefie, w której wystąpi zgięcie, ponieważ elementy miedziane w strefie załamania są narażone na skoncentrowane naprężenia mechaniczne, które z czasem mogą powodować pękanie ścieżek lub uszkodzenie połączeń lutowanych. Wczesne zdefiniowanie tych keepoutów w projekcie, najlepiej na podstawie modelu MCAD obudowy, zapewnia możliwość złożenia taśmy flex do jej końcowego położenia bez nieoczekiwanych kolizji.

Granice zginania

Rozróżnienie między zginaniem statycznym a dynamicznym jest podstawowym ograniczeniem określającym minimalny dopuszczalny promień gięcia w konstrukcji rigid-flex. Zginanie statyczne występuje wtedy, gdy taśma flex jest zginana raz lub niewielką liczbę razy podczas montażu, a następnie pozostaje w stałej pozycji przez cały okres użytkowania produktu. Zginanie dynamiczne występuje wtedy, gdy taśma flex jest wielokrotnie i stale zginana podczas normalnej pracy, na przykład w zawiasie, przegubie robota lub urządzeniu ubieralnym. Minimalny promień gięcia definiuje się jako wielokrotność całkowitej grubości części elastycznej w obszarze zgięcia. Dla zastosowań static flex powszechnie przyjmowany minimalny promień gięcia wynosi 6x grubości części elastycznej, przy czym 10x jest bardziej konserwatywnym i szeroko zalecanym punktem wyjścia. Dla zastosowań dynamic flex wymagany promień gięcia znacząco wzrasta, często do 100x grubości części elastycznej, w zależności od oczekiwanej liczby cykli zginania w całym okresie życia produktu.

Jako przykład obliczeniowy rozważmy czterowarstwowy obszar elastyczny o grubości 11 mil w zastosowaniu statycznym. Przy zastosowaniu konserwatywnej wytycznej 10x:

Rmin = 10T = 10×11 mils = 110 mils

Przy zastosowaniu absolutnego minimum 6x:

Rmin = 6T = 6×11 mils = 66 mils

Jeśli ten sam 11-milowy obszar elastyczny byłby używany w zastosowaniu dynamicznym wymagającym długiej żywotności cyklicznej, promień gięcia musiałby wzrosnąć do około:

Rmin = 100T = 100×11 mils = 1100 mils

Pokazuje to, jak szybko rośnie obwiednia mechaniczna, gdy obszar elastyczny musi wytrzymać wielokrotne zginanie. Cieńsza miedź (pół uncji lub jedna trzecia uncji), miedź walcowana i wyżarzana oraz laminaty bezklejowe pomagają poprawić trwałość przy zginaniu, ale nie eliminują konieczności przestrzegania ograniczenia promienia gięcia.

Te ograniczenia zginania tworzą bezpośrednią zależność między stackupem rigid-flex PCB a projektem mechanicznym obudowy. Jeśli geometria obudowy zostanie zdefiniowana jako pierwsza, dostępna przestrzeń na zginanie taśmy flex określa maksymalną grubość części elastycznej i minimalny promień gięcia, jakie może zastosować projektant PCB. Z kolei jeśli stackup zostanie zdefiniowany najpierw na podstawie wymagań elektrycznych, takich jak liczba warstw, impedancja czy grubość miedzi, wynikowa grubość części elastycznej narzuca minimalny promień gięcia, który projektant mechaniczny musi uwzględnić w obudowie.

W praktyce oznacza to, że stackup PCB i geometria obudowy muszą być opracowywane równolegle. Czterowarstwowy obszar elastyczny, który spełnia wymagania elektryczne, może być zbyt gruby, aby zmieścić się przy zginaniu w dostępnej objętości obudowy, co wymusza kompromis między liczbą warstw, grubością miedzi a luzem mechanicznym. Wczesna współpraca między zespołami projektowania elektrycznego i mechanicznego, najlepiej z wykorzystaniem zsynchronizowanych narzędzi do współpracy ECAD-MCAD, zapobiega konfliktom na późnym etapie projektu, gdy taśma flex fizycznie nie mieści się w obudowie bez naruszenia ograniczeń promienia gięcia.

Testy mechaniczne i niezawodnościowe w rigid-flex PCB

Po zdefiniowaniu ograniczeń mechanicznych często wymagane są typowe testy niezawodności dla projektu lub całego produktu. Może wtedy pojawić się pytanie, jak zweryfikować konstrukcję rigid-flex pod względem mechanicznym.

Oprogramowanie EDA nie zapewnia bezpośrednio takiej walidacji. Istnieją jednak dwa sposoby, aby to zrobić:

• Testy fizyczne: zespół można poddać testom wibracyjnym, środowiskowym itp., aby zweryfikować niezawodność PCB i całego zespołu
• Symulacja: symulacje mechaniczne mogą zostać wykorzystane do zrozumienia zachowania zespołu pod wpływem drgań, wstrząsów mechanicznych lub innych ekstremalnych warunków

W części dotyczącej symulacji możliwe jest przeniesienie projektów rigid-flex do oprogramowania MCAD bez polegania na wymianie plików. Komercyjne oprogramowanie MCAD może zapewnić symulacje drgań, naprężeń/odkształceń oraz montażu dla projektów rigid-flex utworzonych w Altium Develop. Korzystając z zaawansowanej funkcji MCAD CoDesigner, użytkownicy mogą utworzyć cyfrowego bliźniaka swojego projektu elektrycznego wewnątrz komercyjnego oprogramowania MCAD. Projektant mechaniczny może następnie wykorzystać go do stworzenia obudowy, sprawdzenia kolizji, a nawet rozmieszczenia głównych komponentów lub zdefiniowania ograniczeń mechanicznych rigid-flex.

Zaawansowana funkcja MCAD CoDesigner pozwala użytkownikom Altium na natychmiastowe przeniesienie układu rigid-flex PCB do popularnych aplikacji MCAD.

Jak uwzględniać ograniczenia mechaniczne

Ograniczenia mechaniczne w konstrukcjach rigid-flex zwykle obejmują zablokowane położenie określonych komponentów oraz stosowanie keepoutów. Czasami keepouty są oparte na wysokości komponentów, aby uniknąć kolizji w zespole. W oprogramowaniu do projektowania PCB definiuje się je za pomocą reguł projektowych oraz definicji keepoutów rysowanych bezpośrednio w układzie PCB.

Definiowanie reguł projektowych dla ograniczeń mechanicznych

Altium Designer udostępnia system reguł projektowych oparty na ograniczeniach, który pozwala egzekwować wymagania mechaniczne bezpośrednio podczas projektowania układu. Reguły odstępów, reguły rozmieszczenia oraz ograniczenia specyficzne dla regionów mogą być przypisane do określonych obszarów płytki, stackupów warstw lub klas komponentów, co sprawia, że dobrze nadają się do konstrukcji rigid-flex, gdzie różne strefy płytki mają zasadniczo odmienne wymagania mechaniczne. Poniższe kroki przedstawiają sposób konfiguracji reguł projektowych wspierających definiowanie ograniczeń mechanicznych w układzie rigid-flex.

• Przepływy pracy projektowej obejmują zarówno interfejsy arkuszowe zorientowane na obiekty, jak i klasyczne silniki reguł oparte na zapytaniach, umożliwiające elastyczne określanie zakresu.
• Egzekwowanie wymagań mechanicznych, takich jak odstępy i ograniczenia typu region, jest realizowane za pomocą zautomatyzowanego DRC oraz konstrukcji Room.
• Optymalizacja integralności sygnału obejmuje precyzyjne terminowanie, kontrolę impedancji opartą na stackupie oraz ocenę strat kanału przy użyciu diagramów oka i odpowiedzi impulsowych.
• Scentralizowane zarządzanie bibliotekami zmniejsza ryzyko projektowe, ułatwiając ponowne wykorzystanie zweryfikowanych symboli, footprintów i sprawdzonych bloków obwodów.
• Gotowość do produkcji zależy od wczesnej komunikacji z wytwórcami w zakresie dostępności materiałów, grubości miedzi i współczynników aspektu przelotek.
• Zintegrowane systemy PLM i MRP poprawiają identyfikowalność oraz widoczność łańcucha dostaw, pomagając zespołom zarządzać złożonym cyklem życia produktu i zmiennością zaopatrzenia.

Używanie keepoutów w układzie PCB

Obszary keepout w układzie PCB definiują miejsca, w których zabronione jest umieszczanie określonych obiektów, takich jak ścieżki, przelotki, komponenty czy pola miedzi. W konstrukcjach rigid-flex keepouty pełnią funkcję konstrukcyjną wykraczającą poza standardowe egzekwowanie odstępów: zapobiegają umieszczaniu miedzi i komponentów w strefach zgięcia, obszarach załamań lub miejscach, które muszą pozostać wolne ze względu na dopasowanie do obudowy. Keepouty mogą być rysowane na określonych warstwach lub stosowane jako ograniczenia wielowarstwowe i są sprawdzane względem aktywnych reguł projektowych podczas DRC. Poniższe kroki opisują, jak definiować i stosować obszary keepout w Altium Designer dla układu rigid-flex.

• Określ zakres: Ustal, czy keepout dotyczy wszystkich warstw sygnałowych (z użyciem warstwy Keepout), czy jednej konkretnej warstwy miedzi.
• Definiowanie geometrii: Umieść obszar Keepout nad częścią sztywną lub elastyczną, w której należy uniemożliwić prowadzenie ścieżek i rozmieszczanie elementów.
• Ustawianie ograniczeń: Skonfiguruj ograniczenia w panelu Properties, aby zablokować określone typy obiektów (np. przelotki, ścieżki, pady) w zdefiniowanym obszarze.
• Weryfikacja: Potwierdź, że funkcje automatycznego trasowania i rozmieszczania są blokowane zgodnie z regułami, zapobiegając naruszeniom projektu w chronionych obszarach.

Niezależnie od tego, czy chcesz tworzyć niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, skorzystaj z kompletnego zestawu funkcji projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD od Altium. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do rozwoju produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się z ekspertem Altium już dziś!