Rozważania na temat projektowania PCB typu sztywno-elastycznego

Coraz więcej projektantów stoi przed potrzebą zmniejszenia rozmiaru i kosztów projektowanych przez siebie produktów, jednocześnie zwiększając ich gęstość i upraszczając montaż. Obwody sztywno-elastyczne (te, które zawierają elastyczne części pomiędzy oddzielnymi sztywnymi sekcjami) stają się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem. Ten blog jest początkiem krótkiej serii, która omawia materiały, metody fabrykacji i projektowania używane w technologii sztywno-elastycznej.

Jak sugeruje tytuł tego bloga, ostatnio dużo myślę o płytach obwodów sztywno-elastycznych. Rigid-Flex może przynieść wiele korzyści, i wielu projektantów przynajmniej rozważa dziś jego użycie, co wcześniej nie było konieczne. Wydaje się, że coraz więcej projektantów stoi przed większymi naciskami, aby tworzyć coraz bardziej zagęszczoną elektronikę, co również wiąże się z presją na redukcję kosztów i czasu w produkcji. Cóż, to oczywiście nic nowego. Chodzi tylko o to, że zakres inżynierów i projektantów, którzy muszą reagować na te naciski, ciągle się poszerza.

Ale istnieją aspekty technologii sztywno-elastycznych, które mogą stanowić pułapki dla nowicjuszy w tej technologii. Dlatego mądrze jest najpierw zrozumieć, jak faktycznie są wytwarzane obwody elastyczne i płytki sztywno-elastyczne. Stąd możemy przyjrzeć się problemom projektowym i znaleźć jasną drogę naprzód. Na razie rozważmy, jakie podstawowe materiały wchodzą w skład tych płyt.

Materiały obwodów elastycznych

Substraty i filmy pokrywające

Zacznij od myślenia o normalnej sztywnej płytce PCB - materiałem bazowym jest zwykle włókno szklane i żywica epoksydowa. To tak naprawdę tkanina, i chociaż nazywamy je „sztywnymi”, jeśli weźmiemy pojedynczą warstwę laminatu, mają one rozsądną ilość elastyczności. To utwardzona żywica epoksydowa sprawia, że płyta jest bardziej sztywna. To jednak nie jest wystarczająco elastyczne dla wielu zastosowań, chociaż dla prostych montaży, gdzie nie będzie ciągłego ruchu, jest to odpowiednie.

• Dowiedz się więcej o materiałach do produkcji elastycznych płyt obwodów

Dla większości zastosowań potrzebny jest bardziej elastyczny plastik niż zwykła żywica epoksydowa. Najczęściej wybieranym materiałem jest poliimid, ponieważ jest bardzo elastyczny, bardzo wytrzymały (nie można go podrzeć ani zauważalnie rozciągnąć rękami, co sprawia, że jest tolerancyjny w montażu produktów) oraz niezwykle odporny na ciepło. To sprawia, że jest on bardzo odporny na wielokrotne cykle przepływu ciepła i stosunkowo stabilny pod względem rozszerzalności i kurczliwości spowodowanej wahaniem temperatur.

Poliester (PET) to kolejny często używany materiał w elastycznych obwodach, ale nie jest on odporny na wysokie temperatury i mniej stabilny wymiarowo niż filmy z poliimidu (PI). Widziałem jego zastosowanie w bardzo taniej elektronice, gdzie elastyczna część miała nadrukowane przewodniki (gdzie PET nie wytrzymywał ciepła laminacji), i nie trzeba dodawać, że nic do tego nie było przylutowane - zamiast tego, kontakt był realizowany przez prymitywne dociskanie. Wydaje mi się, że wyświetlacz w tym produkcie (radiobudziku) nigdy nie działał zbyt dobrze z powodu niskiej jakości połączenia elastycznego obwodu. Więc dla sztywno-elastycznych założymy, że będziemy trzymać się filmu PI. (Dostępne są inne materiały, ale rzadko używane).

Filmy PI i PET, a także cienkie rdzenie z żywicy epoksydowej i włókna szklanego, stanowią powszechne podłoża dla obwodów elastycznych. Następnie obwody muszą używać dodatkowych folii (zazwyczaj PI lub PET, czasami elastycznego tuszu do maski lutowniczej) jako pokrycia. Pokrycie izoluje zewnętrzne przewodniki i chroni przed korozją i uszkodzeniami, w ten sam sposób, jak maska lutownicza robi to na sztywnej płytce. Grubość folii PI i PET waha się od ⅓ mila do 3 milów, przy czym typowe są 1 lub 2 mile. Substraty z włókna szklanego i żywicy epoksydowej są zauważalnie grubsze, ich grubość waha się od 2 milów do 4 milów.

Przewodniki

Podczas gdy wyżej wymienione tanie elektroniki mogą używać drukowanych przewodników - zazwyczaj jakiegoś rodzaju filmu węglowego lub tuszu na bazie srebra - miedź jest najbardziej typowym wyborem przewodnika. W zależności od zastosowania różne formy miedzi muszą być rozważane. Jeśli używasz elastycznej części obwodu tylko po to, aby skrócić czas i koszty produkcji przez eliminację okablowania i złączy, wtedy zwykła folia miedziana laminowana (elektrolityczna, czyli ED) do użytku na sztywnych płytach jest w porządku. Może być to również używane tam, gdzie pożądane są cięższe wagi miedzi, aby utrzymać przewodniki przenoszące duży prąd w możliwie najmniejszej szerokości, jak w induktorach płaskich.

Ale miedź jest również znana z utwardzania się podczas pracy i zmęczenia. Jeśli twoja końcowa aplikacja obejmuje powtarzające się zginanie lub ruch obwodu elastycznego, musisz rozważyć folie z wyższej klasy, walcowane i wyżarzane (RA). Oczywiście, dodatkowy etap wyżarzania folii znacznie zwiększa koszty. Ale wyżarzana miedź jest w stanie rozciągać się bardziej przed wystąpieniem pęknięć zmęczeniowych i jest bardziej sprężysta w kierunku odkształcenia Z - dokładnie to, czego chcesz dla obwodu elastycznego, który będzie się cały czas zginał lub zwijał. Dzieje się tak, ponieważ proces walcowania i wyżarzania wydłuża strukturę ziarna w kierunku płaszczyznowym.

Rysunek 2: Przesadna ilustracja procesu wyżarzania, oczywiście nie w skali. Folia miedziana przechodzi między wałkami wysokociśnieniowymi, które wydłużają strukturę ziarna w orientacji płaszczyznowej, czyniąc miedź znacznie bardziej elastyczną i sprężystą w odkształceniu z.

Przykłady takiej aplikacji to połączenia bramowe z głowicą frezarki CNC lub odbiornik laserowy do napędu Blu-Ray (jak pokazano poniżej).

Rysunek 3: Obwód elastyczny używany do łączenia odbiornika laserowego z głównym zespołem płyty w mechanizmie Blu-Ray. Zauważ, że PCB na głowicy laserowej ma elastyczną część zgiętą pod kątem prostym, a do wzmocnienia obwodu elastycznego w miejscu połączenia dodano koralik kleju.

Kleje

Tradycyjnie, kleje są wymagane do łączenia folii miedzianej z filmami PI (lub innymi), ponieważ w przeciwieństwie do typowej sztywnej płyty FR-4, w wyżarzanej miedzi jest mniej „zębów”, a samo ciepło i ciśnienie nie są wystarczające, aby utworzyć niezawodne połączenie. Producenci tacy jak DuPont oferują prelaminowane jedno- i dwustronne folie miedziane do trawienia obwodów elastycznych, używając klejów na bazie akrylu lub epoksydu o typowych grubościach ½ i 1 mila. Kleje te są specjalnie opracowane pod kątem elastyczności.

Laminaty „bezklejowe” stają się coraz bardziej popularne dzięki nowszym procesom, które obejmują bezpośrednie pokrywanie lub osadzanie miedzi na filmie PI. Wybiera się je, gdy potrzebne są drobniejsze rozstawy i mniejsze via, jak w obwodach HDI.

Do zastosowań, gdzie dodaje się ochronne koraliki do połączeń lub interfejsów elastyczno-sztywnych (tj. tam, gdzie elastyczna część stosu warstw opuszcza część sztywną), używa się również silikonów, klejów termotopliwych i żywic epoksydowych. Oferują one mechaniczne wzmocnienie punktu obrotu połączenia elastyczno-sztywnego, które inaczej szybko uległoby zmęczeniu i pęknięciu lub rozerwaniu przy wielokrotnym użyciu. Przykład tego pokazano na rysunku 3 powyżej.

Rysunek 4: Typowy układ warstw pojedynczej warstwy obwodu elastycznego.

Ważne jest, aby być świadomym materiałów używanych w obwodach elastycznych i sztywno-elastycznych. Mimo że zazwyczaj możesz pozwolić producentowi na wybór materiałów w oparciu o twoje zastosowanie, ignorancja nie ochroni cię przed awariami produktu w terenie. Bardzo dobrym źródłem, które zawiera znacznie więcej szczegółów niż moje krótkie wprowadzenie tutaj, jest:

• Coombs, C. F. (Redaktor, 2008) The Printed Circuits Handbook, 6th Ed. 2008 McGraw Hill, str. 61.3 0 - 61.24.

Znajomość właściwości materiałów pomoże również w projektowaniu mechanicznym, ocenie i testowaniu twojego produktu. Jeśli na przykład pracujesz nad produktami motoryzacyjnymi; ciepło, wilgoć, chemikalia, wstrząsy i drgania - wszystko to musi być modelowane z dokładnymi właściwościami materiałów, aby określić niezawodność produktu i minimalny dozwolony promień zginania. Ironią jest, że potrzeby, które skłaniają cię do wyboru obwodów elastycznych i sztywno-elastycznych, często wiążą się z trudnymi warunkami środowiskowymi. Na przykład, tanie urządzenia elektroniczne dla konsumentów często są narażone na wibracje, upadki, pot i co gorsza.

Procesy wytwarzania obwodów Flex & Rigid-Flex

Na pierwszy rzut oka typowa płytka elastyczna (flex) lub sztywno-elastyczna (rigid-flex) wygląda prosto. Jednakże ich natura wymaga kilku dodatkowych kroków w procesie budowy. Początek każdej płytki sztywno-elastycznej zawsze stanowią jedno- lub dwustronne warstwy elastyczne. Jak wspomniano w zeszłym tygodniu, producent może zacząć od wcześniej laminowanych warstw elastycznych lub może zacząć od niepokrytej folii PI, a następnie laminować lub pokrywać miedzią dla początkowego kładzenia. Laminowanie folii wymaga cienkiej warstwy kleju, podczas gdy kładzenie bezklejowe wymaga "warstwy nasiennej" miedzi. Ta warstwa nasiona jest początkowo umieszczana za pomocą technik osadzania z fazy gazowej (np. rozpylania), i stanowi klucz, do którego chemicznie osadzana jest miedź. Ten jedno- lub dwustronny obwód elastyczny jest wiercony, pokrywany przez i trawiony w bardzo podobnych krokach jak typowe dwustronne rdzenie w płytach sztywnych.

Animacja GIF poniżej pokazuje kroki tworzenia płytki obwodu elastycznego dla typowego dwustronnego obwodu elastycznego.

• Dowiedz się więcej o produkcji PCB elastycznych i sztywno-elastycznych

Rysunek 5: Animacja GIF pokazująca proces budowy obwodu elastycznego.

1. Nakładanie powłoki klejowej/nasiennej

Nałożony jest klej epoksydowy lub akrylowy, lub stosuje się napylanie, aby stworzyć cienką warstwę miedzi jako klucz do galwanizacji.

2. Dodanie folii miedzianej

Poprzez laminację folii miedzianej RA/ED do kleju (bardziej powszechne podejście) lub chemiczne platerowanie na warstwie nasiennej.

3. Wiercenie

Otwory na przelotki i pady są najczęściej wiercone mechanicznie. Wiele pokrytych miedzią elastycznych podłoży można wiercić jednocześnie, łącząc je z wielu rolek, wiercąc między płytami roboczymi, a następnie rozwijając na oddzielne rolki po drugiej stronie wiertarki. Wstępnie wycięte panele elastyczne mogą być łączone i wiercone między sztywnymi pustymi miejscami w ten sam sposób, co sztywne rdzenie są wiercone, chociaż wymaga to bardziej starannego doboru i dokładność ustawienia jest zmniejszona. Dla bardzo małych otworów dostępne jest wiercenie laserowe, chociaż wiąże się to z dużo większymi kosztami, ponieważ każda folia musi być wiercona osobno. Wykorzystuje się do tego lasery ekscymerowe (ultrafioletowe) lub YAG (podczerwień) dla większej dokładności (mikroprzewiązki), lasery CO2 dla średnich otworów (4+ mils). Duże otwory i wycięcia są wycinane, ale jest to oddzielny etap procesu.

4. Platerowanie otworów przelotowych

Po wykonaniu otworów, miedź jest osadzana i chemicznie pokrywana w ten sam sposób, co rdzenie płyt sztywnych.

5. Drukowanie warstwy odpornej na trawienie

Na powierzchnie folii nanosi się fotosensybilną warstwę odporą na trawienie, a następnie używa się pożądanego wzoru maski do naświetlenia i wywołania warstwy przed chemicznym trawieniem miedzi.

6. Trawienie i usuwanie warstwy odpornej

Po wytrawieniu wystawionej na działanie miedzi, warstwa odporna na trawienie jest chemicznie usuwana z obwodu elastycznego.

7. Pokrywa

Górne i dolne obszary obwodu elastycznego są chronione przez pokrywę, która jest wycinana na kształt. Mogą być komponenty faktycznie zamontowane na sekcjach elastycznego obwodu, w którym to przypadku pokrywa działa również jako maska zatrzymująca lut. Najczęściej używanym materiałem na pokrywę jest dodatkowa folia poliimidowa z adhezyjnym, chociaż dostępne są procesy bezadhezyjne. W procesie bezadhezyjnym używa się fotoobrazowalnej maski lutowniczej (takiej samej jak na sekcjach płyt sztywnych), zasadniczo drukując pokrywę na obwodzie elastycznym. Dla grubszego, tańszego projektu opcją jest również sitodruk z końcowym utwardzaniem przez ekspozycję na promieniowanie UV.

Rysunek 6: Przykład obwodu elastycznego z pokrywą - zauważ, że otwory w pokrywie są zazwyczaj mniejsze niż pady komponentów.

Ważną uwagę, którą należy zrobić na temat pokrycia (coverlay), jest to, że zazwyczaj umieszcza się je tylko na częściach obwodu elastycznego, które ostatecznie mają być odsłonięte. W przypadku płyt sztywno-elastycznych oznacza to, że pokrycie nie jest umieszczane tam, gdzie będą sztywne sekcje, oprócz małego nakładania się - zwykle około ½ mm. Pokrycie może być zawarte w całej sztywnej sekcji, chociaż negatywnie wpływa to na przyczepność i stabilność osi z sztywnej płyty. Tego rodzaju selektywne pokrycie jest określane przez producentów płyt jako „bikini coverlay”, ponieważ pokrywa tylko najbardziej podstawowe elementy. Ponadto, wycięcia dla padów komponentów lub połączeń w pokryciu pozostawiają przynajmniej dwie strony lądowania pada, aby zakotwiczyć pod nim. Wrócimy do tego w następnym blogu.

8. Wycinanie płyty elastycznej

Ostatnim krokiem w tworzeniu elastycznego obwodu jest jego wycięcie. Często określa się to mianem „blankingu”. Kosztowo efektywnym podejściem do blankingu w dużych ilościach jest użycie hydraulicznej prasy i zestawu matryc, co wiąże się z dość wysokimi kosztami narzędzi. Jednakże, ta metoda pozwala na jednoczesne wycinanie wielu elastycznych obwodów. Dla prototypów i produkcji o niskich nakładach używany jest nóż do blankingu. Nóż do blankingu to w zasadzie dłuuuga żyletka, zagięta w kształt obrysu elastycznego obwodu i zamocowana w wyfrezowanym rowku w płycie podkładowej (MDF, sklejka lub gruby plastik, taki jak teflon). Elastyczne obwody są następnie dociskane do noża blankującego, aby zostały wycięte. Dla jeszcze mniejszych serii prototypowych, możliwe jest użycie nożyc X/Y (podobnych do tych używanych przy tworzeniu znaków z folii winylowej).

Laminowanie i frezowanie

Jeśli obwód elastyczny ma stanowić część połączonego układu sztywno-elastycznego (co nas interesuje), proces się na tym nie kończy. Teraz mamy obwód elastyczny, który musi zostać zalaminowany pomiędzy sekcje sztywne. Jest to to samo, co w przypadku pojedynczej warstwy rdzenia wierconej, pokrywanej i trawionej, tylko znacznie cieńszej i bardziej elastycznej z powodu braku włókna szklanego. Jak wcześniej zauważono, mniej elastyczna warstwa może być wykonana z PI i szkła w zależności od docelowego zastosowania. Ponieważ jest to laminowane razem z sekcjami sztywnymi, ostatecznie musi być umieszczone w ramce na panelu, który pasuje do sekcji paneli płyty sztywnej również.

Laminowane Układy

Obwód elastyczny jest laminowany w panelu razem z sekcjami sztywnymi i wszelkimi innymi elastycznymi sekcjami, z dodatkowym klejem, ciepłem i ciśnieniem. Wiele sekcji elastycznych nie jest laminowanych obok siebie. Oznacza to ogólnie, że każda sekcja elastyczna ma maksymalną liczbę warstw miedzi wynoszącą 2, aby zachować elastyczność. Te sekcje elastyczne są oddzielone sztywnymi pre-pregami i rdzeniami lub arkuszami wiążącymi PI z klejami epoksydowymi lub akrylowymi.

Zasadniczo, każdy sztywny panel jest oddzielnie frezowany w obszarach, gdzie elastyczność ma być, cóż, elastyczna.

Oto przykładowy proces laminowania w celu uzyskania płyty sztywno-elastycznej, zawierającej dwa, dwuwarstwowe obwody elastyczne umieszczone między trzema sekcjami sztywnymi. Układ warstw wyglądałby jak pokazano na rysunkach 3 i 4.

Rysunek 7: Jak połączone są trawione, pokryte, zabezpieczone pokrywą i wycięte panele elastyczne z panelami sztywnymi z żywicy epoksydowej i szkła.

Rysunek 8: Szczegółowy układ warstw pokazujący przelotowe otwory metalizowane dla każdej sekcji elastycznej, jak również końcowe otwory przelotowe w sekcji sztywnej.

W pokazanym przykładzie układu na Rysunku 8, mamy dwa wcześniej trawione i wycięte obwody elastyczne, każdy dwustronny i z otworami przelotowymi. Obwód elastyczny został wycięty w finalną płytę montażową, włączając obramowania dla ramowania - to zapewni płaskość obwodu elastycznego podczas końcowego montażu po laminacji z sekcjami paneli sztywnych. Istnieją z pewnością pewne potencjalne zagrożenia związane z niewystarczającym wsparciem dla łokci obwodów elastycznych i dużych otwartych sekcji podczas montażu - szczególnie w cieple pieca do przepływu. Poruszę niektóre z tych kwestii, analizując aspekty projektowe w moim następnym wpisie na blogu.

Coverlay również jest nakładany - jak naklejki laminowane przy użyciu kleju, lub przez proces druku fotograficznego, o którym wspomniano wcześniej. Gdy ostateczne elastyczne i sztywne panele w tej 6-warstwowej konfiguracji są ze sobą połączone, są one laminowane z najbardziej zewnętrznymi (górnymi i dolnymi) warstwami folii miedzianej. Następnie wykonuje się kolejne wiercenie otworów przelotowych z góry na dół. Opcjonalnie, można również wykonać laserowo wiercone ślepe przelotki (z góry do pierwszej elastycznej warstwy, z dołu do ostatniej elastycznej warstwy), co znowu zwiększa koszty projektu.

Ostatnie kroki to drukowanie górnej i dolnej maski lutowniczej, górnej i dolnej sitodruku oraz powłoki ochronnej (takiej jak ENIG) lub poziomowania gorącym powietrzem (HASL).

Wiele elastycznych podkonstrukcji

Chociaż teoretycznie możliwe jest zbudowanie dowolnego układu warstw z sekcjami sztywnymi i elastycznymi, może to stać się 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. Ponownie, miedź jest znana z tego, że twardnieje podczas pracy, a z czasem, przy powtarzającym się zginaniu i ciasnych promieniach, pojawią się pęknięcia zmęczeniowe. Jednym ze sposobów na złagodzenie tego jest użycie jednowarstwowych obwodów elastycznych, w których przypadku miedź znajduje się w centrum średniego promienia zginania, a zatem podłoże foliowe i pokrywa są poddawane największemu ściskaniu i rozciąganiu, jak pokazano na rysunku 9.

Ponieważ poliimid jest bardzo elastyczny, nie stanowi to problemu i wytrzyma znacznie dłużej przy powtarzającym się ruchu niż wiele warstw miedzi. Idąc dalej tą samą 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.

• Dowiedz się więcej o statycznych i dynamicznych PCB elastycznych

Rysunek 9: Dla obwodów o wysokiej powtarzalności zginania najlepiej jest używać miedzi RA w jednowarstwowych elastycznych, aby zwiększyć żywotność zmęczeniową (w cyklach przed awarią) miedzi w obwodzie.

Kulki klejowe

Jak wspomniałem w zeszłym tygodniu, są momenty, kiedy należy rozważyć użycie wzmocnień w miejscu, gdzie obwód elastyczny wychodzi z płyty sztywnej. Dodanie kropelki epoksydu, akrylu lub kleju na gorąco pomoże poprawić trwałość montażu. Jednak dozowanie tych cieczy i utwardzanie ich może dodać pracochłonnych kroków do procesu produkcyjnego.

Automatyczne dozowanie płynów może być użyte, ale musisz naprawdę uważać, aby współpracować z inżynierami montażu, aby nie skończyć z kroplami kleju spływającymi pod montażem. 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.

Wzmocnienia i zakończenia

Skrajne końce obwodów elastycznych zazwyczaj kończą się na złączu, jeśli nie na głównym montażu płyty sztywnej. W tych przypadkach na zakończenie można nałożyć wzmocnienie (grubszy PoliImid z klejem) lub FR-4. Ogólnie więc, wygodnie jest również pozostawić końce obwodu elastycznego wbudowane w sekcje sztywno-elastyczne.

• Dowiedz się więcej o zakończeniach obwodów elastycznych

Panel

Układ sztywno-giętki pozostaje połączony w swojej płytce przez cały proces montażu, co umożliwia montowanie i lutowanie komponentów do sztywnych zakończeń. Niektóre produkty wymagają również montowania komponentów na częściach giętkich, w takim przypadku płytka musi być skonstruowana z dodatkowymi sztywnymi obszarami wspierającymi część giętką podczas montażu. Te obszary nie są przyklejone do części giętkiej i są wycinane przy użyciu frezu o kontrolowanej głębokości (z "ugryzieniami myszy") i ostatecznie wybijane ręcznie po montażu.

Rysunek 10: Przykład finalnej płytki sztywno-giętkiej. Zwróć uwagę, że ta ma wyfrezowane krawędzie przedniej i tylnej strony oraz część giętką. Sztywne boki są nacinane V-kształtnie, aby można było je później łatwo odłamać. To pozwoli zaoszczędzić czas podczas montażu do obudowy.

Kiedy będziesz gotowy, aby zaprojektować i zbudować swoją następną płytkę sztywno-giętką, użyj kompletnego zestawu funkcji CAD Altium Designer®. Gdy będziesz gotowy, aby udostępnić dane swojego projektu producentowi, możesz łatwo współdzielić i współpracować nad swoimi projektami za pośrednictwem platformy Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, znajdziesz w jednym pakiecie oprogramowania.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie daje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.